Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор состав и биологическая эффективность экструдированных кормов для объектов животноводства и рыбоводства 8
ГЛАВА 2. Материал и методика исследований 20
1) Методика оценки эффективности комбикормов для карпа 20
2) Методика оценки эффективности комбикормов для форели 28
3) Анализ химического состава кормов, тела и экскрементов рыб 31
4) Определение видимой переваримости кормов 33
5)Анализ крови и печени рыб 33
6) Оценка доступности белков и углеводов кормов ферментам рыб 33
7) Оценка физических параметров экструдированных кормов 34
8) Статистическая обработка результатов 34
ГЛАВА 3. Биологическая эффективность экструдированных кормов для карпа 36
1) Исследование влияния процесса экструзии на доступность кормов ферментам карпа в условиях in vitro 36
2) Рыбоводные эксперименты 41
3) Аквариальные исследования
Исследование процессов переваривания и ассимиляции корма карпом 52
ГЛАВА 4. Биологическая эффективность экструдированных кормов для радужной форели
1) Исследование влияния процесса экструзии на доступность кормов ферментам форели в условиях in vitro 58
2) Рыбоводные эксперименты 58
ГЛАВА 5. Обсуждение результатов 70
Заключение 81
Выводы 84
Предложения производству 85
Литература
- Методика оценки эффективности комбикормов для форели
- Оценка физических параметров экструдированных кормов
- Рыбоводные эксперименты
- Рыбоводные эксперименты
Методика оценки эффективности комбикормов для форели
Питание является основой жизни рыб и любого другого организма. Корма для рыб отличаются большим разнообразием и оцениваются как биологически, так и физиологически. С биологической позиции корм должен быть доступным структурно и пространственно, чтобы рыба могла потреблять его без избыточных затрат энергии. С физиологической позиции корм должен быть приемлемым по вкусу и запаху, легко перевариваться и обеспечивать все энергетические и пластические потребности организма.
Высокая продуктивность и рациональное использование кормов возможны лишь в том случае, когда объекты рыбоводства полностью обеспечены необходимым количеством протеина, жира, углеводов, минеральных веществ и витаминов и получают достаточное количество энергии для осуществления своих жизненных функций. Немаловажно и то, какие структурные превращения претерпевает сырье в процессе изготовления и хранения комбикормов.
В настоящее время существует два преобладающих метода изготовления комбикормов для рыб: сухого прессования (гранулирования) и экструдирования.
Гранулирование комбикормов - это термопластический процесс. Под действием механического давления и температуры происходят изменения полимерных соединений в смеси. Например, часть крахмала превращается в сахар, что увеличивает обменную энергию корма (Скляров, Студенцова, 2001). Кроме того, наблюдается желатинизация крахмала, причем преимущественно в наружных слоях гранул, как результат взаимодействия между внутренней поверхностью отверстий матрицы гранулятора и поверхностью формирующихся гранул (Stevens, 1987). Установлено, что прочность гранул сухого прессования определяется взаимодействием желатинизированного крахмала и пластифицированного белка путем межмолекулярной диффузии, дающей склеивающий эффект. Причем на этот процесс влияет как влажность исходного продукта, так и температурный режим грануляции (Behnke, 2000). Температурная обработка влияет также на протеины кормов. Имеются данные, что тепловая обработка повышает доступность протеина сои и кукурузы пищеварительным гидролазам -пепсину и трипсину (Boonvisnt, Whitaker, 1976; Копе et al., 1982) и в то же время снижает доступность протеина пшеницы и рыбной муки (Hansen, Johnston, 1976; March, Hickling, 1982).
Наряду с преимуществами, гранулы сухого прессования имеют ряд недостатков. Прежде всего - это их высокая разрушаемость при перевозках и перевалках - до 20%, а также малая водостойкость. В связи с этим все больший интерес вызывает применение водостойких гранул, изготовленных методом экструдирования.
Процесс экструдирования относится к термодинамическим методам обработки сырья, использующие как статические режимы воздействия, так и динамический эффект давления, температуры, осмоса. Экструзия протекает следующим образом: смесь тонко размолотых компонентов по мере продвижения по шнековому валу экструдера увлажняется до 25-40 % посредством подачи горячего пара, постепенно уплотняется. За счет сил трения с поверхностью вращающихся рабочих органов смесь нагревается до 120-150 град.С, при этом давление возрастает до 20-30 атм. В зоне сжатия сырье приобретает высокопластичное состояние, происходит разрушение клеточной архитектоники продукта, разрыв молекул биополимеров - белков, крахмала и клетчатки. Основные и наиболее важные изменения происходят в момент выброса материала из экструдера. Накопившая энергию вода из состояния перегретой жидкости мгновенно превращается в пар и высвобождается со скоростью взрыва. В этот момент довершается деструкция биополимеров и происходит увеличение объема продукта, приобретающего микропористую структуру (Hastings, 1969; Williams at al., 1977; Wood, 1982; Черняев, 1985).
Обширные исследования различных способов приготовления кормов показали, что экструдирование является наиболее эффективным как по глубине преобразования питательных веществ, так и по разносторонности воздействия на сырье. Обменное движение воды в сочетании с высокой температурой способствует желатинизации крахмала - деформации наружных слоев крахмальных зерен, образованных амилопектином. Амилоза, составляющая внутреннюю часть крахмального зерна, становится доступной для действия фермента амилазы. Установлено, что после экструзии скорость гидролиза крахмала альфа-амилазой возрастает в 5-6 раз, кукурузного - в 8 раз, при этом скорость высвобождения глюкозы возрастает в 15 раз (Зимнович, 1976). Крахмал различных злаковых в разной мере желатинизируется в процессе экструзии. Так, если крахмал кукурузы желатинизируется на 82 %, то при тех же условиях процесса для пшеницы, ячменя и овса этот показатель составляет соответственно 75, 61 и 53 % (Mercier, Feillet, 1975; Gomez, Aguilera, 1983). Помимо желатинизации наблюдается и деполимеризация крахмала. Содержание декстринов в экструдированной пшенице достигает 23 %, кукурузе - 17 %, ячмене и овсе -16 %, что в 2-4 раза больше по сравнению с исходным сырьем (Дьяков, Пелевин, 1978; Дудкин и др., 1981). Экструзия также повышает растворимость и доступность ферментам углеводов сырой клетчатки (Vranjes, Wenk, 1995).
В процессе экструзии происходят изменения и протеиновой части корма. Изменяется растворимость белков, причем как в сторону увеличения растворимости, так и в сторону уменьшения, в зависимости от вида продукта. Например, в экструдированном рисе или пшенице доля растворимых белков значительно возрастает, а в кукурузе, просо или сорго, напротив, снижается (Dahlin, Lorenz, 1993). Экструзия вызывает денатурацию белков, и снижение их молекулярной массы. Развертывание полипептидных цепей облегчает контакт пищеварительных ферментов с активными центрами белковых молекул и ускорению гидролиза белков (Cimrniing et al., 1973; Nierle et al., 1980; Соловьянов, Лешин, 1981). Наряду с этим, имеет место и противоположный процесс - как результат действия высокой температуры и давления возникают дополнительные связи между полипептидными цепями, агрегация белков, образование белково-углеводных комплексов (Hegarty, 1982).
Экструдирование является эффективным способом подавления активности ингибиторов протеиназ. В зависимости от влаготемпературного режима процесса инактивация ингибиторов трипсина составляет 45-100 % (Mustakas et al., 1970; Bressani et al, 1978; Jansen et al, 1978 а). Установлено также, что при экструзии полностью инактивируются ингибиторы амилазы, которыми богаты некоторые злаки и бобовые (Petrucci et al., 1974; Lajolo et al., 1984; Hofer, Sturmbauer, 1985).
Оценка физических параметров экструдированных кормов
В связи с тем, что экструзия вызывает глубокие структурные изменения биополимеров кормов, представляло интерес в условиях in vitro сравнить динамику гидролиза белков и углеводов экструдированных и нативных (сырых) компонентов кормов при контакте с ферментами карпа. Получение информации о динамике процесса ферментативного расщепления белков и углеводов, по нашему мнению, было необходимо для более точной интерпретации результатов дальнейших научно-хозяйственных и аквариальных экспериментов.
Измерения динамики накопления продуктов гидролиза биополимеров в результате воздействия содержащихся в экстракте гепатопанкреаса карпа ферментов на образцы компонентов кормов (масса каждого образца - 50 мг) показали, что экструзия оказывает существенное влияние на характер ферментолиза как белков, так и углеводов. Для исследований были выбраны компоненты, различающиеся по уровню белка и крахмала: два компонента из злаковых - пшеница и ячмень, два вида шротов - соевый и подсолнечный, а также горох, травяная мука и паприн (углеводородные кормовые дрожжи) - каждый компонент в сыром и экструдированном виде.
По характеру изменений доступности белковой фракции кормов в результате экструзии компоненты можно разделить на две группы. Первую группу составили пшеница, ячмень, соевый шрот и горох: белки этих компонентов в результате экструзии стали существенно более доступны ферментам карпа. Особенно четко различия в интенсивности гидролиза белка сырых и гранулированных компонентов данной группы проявились в течение первого часа экспозиции.
В наибольшей степени экструзия повлияла на белки ячменя: на начальной стадии инкубации расщепление белков экструдированного образца происходило в 4,7 раз более интенсивно, чем сырого (Рис. 1, А). Для пшеницы различие в скорости гидролиза белков в образцах также было велико: в экструдированном образце протеолиз протекал в 3,7 раз быстрее, чем в сыром (Рис. 1, Б). Для соевого шрота и гороха интенсивность гидролиза белков экструдированных образцов на начальном этапе инкубации с экстрактом гидролитических ферментов гепатопанкреаса карпа вдвое превышала показатели сырых образцов (Рис. 1, В,Г). Следует обратить внимание, что минимальную начальную скорость гидролиза белков в первой группе кормов показали сырые образцы ячменя и пшеницы, максимальную среди сырых образцов - соевый шрот.
Вторую группу компонентов составили подсолнечный шрот, травяная мука и паприн: доступность белков этих компонентов в результате экструзии снизилась. Максимальное снижение скорости гидролиза белка - в 1, 7 раз -отмечено для экструдированного подсолнечного шрота (Рис.2, А).
Для травяной муки и паприна максимальный понижающий эффект экструзии на гидролизуемость белков отмечен при более продолжительной экспозиции - трех и более часов (Рис. 2, Б,В). Следует отметить, что при гидролизе паприна на третий час экспозиции отмечено замедление процесса расщепления белков как экструдированного, так и сырого образца, однако к пятому часу экспозиции скорость гидролиза вновь возрасла. Интенсивность гидролиза белка сырого и экструдированного ячменя и паприна ферментами гепатопанкреаса карпа При анализе гидролизуемости углеводов модифицирующее воздействие экструзии отмечено для всех исследованных компонентов. Причем это воздействие выражалось исключительно в повышении, в той или иной степени, скорости высвобождения свободной глюкозы при инкубации экструдированных образцов с экстрактом гепатопанкреаса карпа по сравнению с сырыми образцами.
Позитивное воздействие экструзии на доступность углеводов ферментам карпа в большей степени было выражено для группы компонентов, для которых отмечено позитивное воздействие экструзии и на гидролизуемость белков. Это ячмень, пшеница, соевый шрот и горох. Максимальное модифицирующее действие на доступность углеводов отмечено для ячменя. Накопление свободной глюкозы в гидролизате экструдированного ячменя за 1 ч. инкубации составило 1,5 мг или в 5 раз больше, чем в варианте с сырым ячменем; при гидролизе экструдированнои пшеницы высвобождение глюкозы за тот же период составило 4,8 мг или в 3 раза больше по сравнению с сырой пшеницей ( Рис. 3, А,Б). При этом в образце с сырой пшеницей в период после первого часа инкубации наблюдалось снижение интенсивности гидролиза углеводов, а после третьего часа инкубации -активизация процесса.
Существенные различия в доступности углеводов экструдированных и сырых компонентов ферментам карпа наблюдались для соевого шрота и гороха. На начальном этапе инкубации скорость высвобождения глюкозы в экструдированных образцах была в 2,6 - 3.2 раза выше , чем в сырых (Рис. 3, В,Г). По динамике гидролиза углеводов сырой соевый шрот был аналогичен образцу сырой пшеницы.
Во второй группе компонентов, состоящей из подсолнечного шрота, травяной муки и паприна, различия в интенсивности гидролиза углеводов между экструдированными и гранулированными образцами были менее выражены (Рис. 4 А,Б,В). Тем не менее, превышение скорости накопления свободной глюкозы в гидролизатах экструдированных образцов над сырыми образцами в течение первого часа инкубации составило соответственно 1,6; 1,1 и 1,5 раз.
Таким образом, исследование динамики гидролиза белков и углеводов ряда компонентов комбикормов показал, что экструзия в различной мере влияет на доступность этих групп питательных веществ ферментам карпа. Среди наиболее подверженных модифицирующему действию экструзии -представители злаковых, особенно ячмень, и в меньшей степени - соевый шрот и горох. С другой стороны, имеются компоненты, в частности, подсолнечный шрот, травяная мука и паприн, действие экструзии на которых заключается в снижении доступности белка ферментам.
Рыбоводные эксперименты
При разработке рецептур комбикормов для радужной форели большой интерес представляет проблема повышения доли растительных компонентов в формуле с целью удешевления корма без потерь его продукционных свойств. Беря в расчет, что экструзия является одним из способов повышения доступности питательных веществ многих растительных компонентов ферментам рыб, в данной части научной работы была исследована эффективность экструдированных комбикормов с различным соотношением растительных и нерастительных компонентов при выращивании форели, а также при различных методах нормирования.
При формулировании опытных комбикормов были определены основные требования к компонентному составу: в экструдированном и гранулированном кормах РФ-1Э и РФ-1Г соотношение долей сырого протеина растительного и нерастительного происхождения составило 60 :40; в экструдированном и гранулированном комбикормах РФ-2Э и РФ-2Г это соотношение было на уровне 30:70. Растительная часть протеиновой составляющей кормов была сформирована главным образом за счет соевого и подсолнечного шротов, нерастительная - за счет рыбной муки, мясокостной муки и паприна (Табл. 4). Использование в расчетах рецептур компьютерной технологии позволило максимально сбалансировать опытные кормосмеси по незаменимым аминокислотам в соответствии с потребностью лососевых (Halver, Shanks, 1960).
Для более точной интерпретации результатов научно-хозяйственных экспериментов представляло интерес в условиях in vitro оценить влияние экструзии на доступность белков корма ферментам радужной форели. 1) Исследование влияния процесса экструзии на доступность белков кормов ферментам радужной форели в условиях in vitro
Измерение интенсивности накопления продуктов гидролиза белков комбикормов при контакте с ферментами форели показало, что экструзия способствовала более интенсивному гидролизу белков по сравнению с гранулированным материалом. Так начальная скорость гидролиза белка экструдированного образца в паре кормов РФ-1Э и РФ-1Г была в 1,7 раз выше, после трех часов экспозиции - в 1,6 раз выше, чем гранулированного образца (Рис. 7). В паре кормов РФ-2Э и РФ-2Г начальная скорость гидролиза экструдированного корма была в 2 раза, а после трехчасовой экспозиции -в 1,8 раз выше, чем гранулированного.
Следовательно, результаты измерений гидролизуемости белков кормов in vitro показали, что в результате экструзии доступность белков ферментам форели существенно возрастает.
Опыт 4. В ходе данного эксперимента оценивали рыбоводно-биологическую эффективность экструдированных и гранулированных комбикормов, отличающихся высоким (РФ-1Э и РФ-1Г) или низким (РФ-2Э и РФ-2Г) уровнем протеина растительного происхождения при общем уровне сырого протеина соответственно 40,4; 39,7; 42,9 и 42,6 %. Кроме того, в список исследуемых кормов был включен вариант, где рыбы получали корм РФ-1ЭС с напыленной аскорбиновой кислотой из расчета 500 мг на 1 кг корма. В качестве промышленного контроля был использован продукционный комбикорм для форели РГМ-8В с уровнем сырого протеина 38,7%. Интенсивность гидролиза белков комбикормов РФ-1Э
В результате сравнительных рыбоводных испытаний, проведенных в проточных бетонированных бассейнах, были получены данные о существенном влиянии процесса экструзии на биологическую эффективность кормов для форели. За 78-дневный период выращивания годовиков форели лучшие рыбоводные показатели отмечены в варианте, где рыбы получали экструдированный корм с преобладанием растительных источников белка: относительный прирост составил 83,2 % при кормовом коэффициенте 1,31. Важно отметить, что гранулированный корм того же рецепта показал самый низкий уровень прироста - 36,8 %, и самый высокий кормовой коэффициент - 2,84.
В паре вариантов РФ-2Э и РФ-2Г преимущество экструдированного корма было менее выражено. Тем не менее, относительный прирост массы рыб на экструдированном варианте был на 26,4 % выше, чем на гранулированном, а кормовой коэффициент - на 17,9 % ниже. При сравнении пары экструдированных кормов РФ-1Э и РФ-2Э можно видеть преимущество корма с преобладанием растительных продуктов; при сравнении гранулированных кормов РФ-1Г и РФ-2Г можно видеть обратный эффект: корм с преобладанием продуктов животного и микробного происхождения имеет значительное преимущество. Промышленный гранулированный корм РГМ-8В был лучшим по показателю относительного прироста в ряду гранулированных кормов, но уступал экструдированным РФ-1Э и РФ-1ЭС по относительному приросту и всем экструдированным кормам по показателю кормового коэффициента.
Поедаемость обоих вариантов экструдированного корма была ниже по сравнению с гранулированными кормами.
Напыление аскорбиновой кислоты на гранулы экструдированного корма привело к снижению его аттрактивности и как следствие - замедлению роста рыб и небольшому повышению кормового коэффициента.
Экструдированный и гранулированные комбикорма существенно различались по показателям видимой переваримости основных групп питательных веществ. Максимальная переваримость по всем группам питательных веществ отмечена в варианте с экструдированным кормом РФ-1Э: переваримость сырого протеина составила 91,7 %, сырого жира- 94,4 %, безазотистых экстрактивных веществ - 72,7 %, сырой золы - 86,1 %, энергии - 85,3 % (Табл.14). Переваримость сырого протеина гранулированного аналога была в 1,5 раз ниже, сырого жира - в 1.7 раз ниже, безазотистых экстрактивных веществ и энергии - соответственно в 1,9 и 1,6 раз ниже. Корма РФ-2Э и РФ-Г имели одинаковые показатели переваримости сырого протеина и сырой золы. Вместе с тем эти корма отличались по показателям
Рыбоводные эксперименты
Неблагоприятны для карпа также быстрогидролизуемые углеводы: глюкоза, дисахариды, декстрины; нативный крахмал как источник энергии имеет преимущество перед желатинизированным крахмалом (Furuichi, Yone, 1982). Низкая эффективность использования моно- и дисахаридов описана также для тиляпии (S.-Y. Shiau, J.-C. Chuang, 1995), желатинизированного крахмала по сравнению с сырым крахмалом - для лаврака (Peres, Olivaeles, 2002). Следует подчеркнуть, что желатинизированный крахмал и декстрины - преобладающая форма углеводов в экструдированных кормах; в сочетании с деструктурированным белком это создает неблагоприятный фон, препятствующий эффективному усвоению пищи. Косвенным подтверждением перегрузки транспортной системы свободными аминокислотами и глюкозой - продуктами гидролиза белков и углеводов экструдированного корма - в нашем опыте является подавление пищевой активности карпа и снижение поедаемости корма на 15-18 %. Высокое содержание крахмалсодержащих продуктов в составе экструдированного корма не только перегружает кормосмесь углеводами, но и усиливает деструкционное воздействие экструзии на биополимеры за счет большей энергии «взрыва» на выходе сырья из экструдера.
Проведенные эксперименты послужили основанием для предложения двух возможных путей устранения или ослабления неблагоприятного эффекта присутствия в экструдированных кормах быстрогидролизуемого материала. Один из возможных путей устранить перегрузку транспортной и метаболической системы карпа пищевыми мономерами - ограничение нормы кормления - позволил существенно снизить кормовой коэффициент: на 21% по отношению к экструдированному корму, задаваемому по поедаемости, и на 25 % по отношению к гранулированному корму, задаваемому по норме. Однако, поскольку при этом наблюдается некоторое торможение роста, данный метод может быть предложен в условиях, когда экономия корма по отношению к приросту рыб является определяющим фактором, например при предпродажной передержке рыбы в садках или прудах.
Вторым путем решения проблемы представляется снижение уровня крахмалсодержащих компонентов и включение в формулу компонентов, белок которых после экструзии становится менее доступен гидролитическим ферментам. Выполнение этих условий в наших исследованиях позволило получить корма с меньшей степенью радиального расширения гранул, белки и углеводы которого в условиях in vitro показали большую устойчивость к действию ферментов. Сравнительные испытания экструдированного корма , изготовленного по новому рецепту, показало его значительное преимущество по отношению экструдированному корму, изготовленному по стандартной рецептуре, как по темпу роста рыб, так и по кормовым затратам.
Таким образом, было установлено, что ослабление такого лимитирующего фактора, как высокая скорость гидролиза белков и углеводов ферментами путем уменьшения разовой порции корма или снижения уровня крахмалсодержащих продуктов позволяет повысить эффективность экструдированного корма для карпа.
При сравнительных испытаниях экструдированных и гранулированных комбикормов на форели влияние фактора высокой скорости гидролиза белков и углеводов, напротив, носило позитивный характер. Оба образца экструдированных кормов, различающихся соотношением растительных и нерастительных компонентов, значительно превосходили гранулированные аналоги по показателям темпа роста рыб, ретенции сухого вещества и белка, и имели более низкие кормовые коэффициенты. Причем максимальную эффективность по отношению ко всем другим образцам кормов, включая серийно производимый гранулированный корм РГМ-8В, показал экструдированный корм с РФ-1Э с максимальной долей растительных компонентов - главным образом, соевого и подсолнечного шротов. При этом гранулированный корм того же компонентного состава РФ-1Г оказался практически непригодным для выращивания форели - темп роста рыб был более чем вдвое ниже, а кормовой коэффициент - более чем вдвое выше, чем на экструдированном корме. Данный гранулированный корм имел низшие показатели переваримости по всем группам питательных веществ и энергии. Тот факт, что в паре кормов РФ-2Э и РФ-2Гс высокой долей продуктов животного происхождения преимущество экструдированного корма по показателям темпа роста рыб и кормового коэффициента было менее выражено, а также то, что экструдированный корм из этой пары превосходил гранулированный лишь по показателю переваримости углеводов, но не имел преимущества по показателю переваримости белка, золы и жира, свидетельствует о том, что для форели положительный эффект экструзии особенно ярко выражен именно на кормах с преобладанием компонентов неживотного происхождения . Аналогичный эффект экструзии на утилизацию питательных веществ корма описан для серебряного окуня (Booth et al., 2000) и морского карася (Vergara et al., 1999).
Характерной чертой экструдированных кормов является высокая степень утилизации углеводов и энергии рыбами. Как результат, энергетическая обеспеченность экструдированного корма для форели выше, чем аналогичного гранулированного. Этим можно объяснить пониженную поедаемость экструдированного корма по сравнению с гранулированным, наблюдавшуюся в эксперименте. Энергетическая перегруженность экструдированных кормов отразилась повышающей тенденцией на показателе гепатосоматического индекса, что согласуется с данными американских исследователей (Hilton et al, 1981). Вместе с тем, практически одинаковый уровень гликогена в печени рыб потреблявших экструдированные корма РФ-1Э и РФ-2Э и гранулированный корм РФ-2Г свидетельствует о том, что данная перегрузка не является критической для метаболической системы форели.
Следовательно, при изготовлении экструдированных комбикормов для форели экономически целесообразно использовать более дешевые кормосмеси с высокой - до 65 % - долей компонентов растительного происхождения. При этом можно добиться существенного сокращения сроков выращивании рыбы до товарной массы и снижения расхода корма на единицу прироста. Столь высокий продукционный потенциал экструдированного корма определяется более полным перевариванием питательных веществ и энергии и эффективной ассимиляцией пищевого материала.
Обогащение экструдированного корма аскорбиновой кислотой хотя и повлияло на некоторые химические и физиологические показатели рыб (возросла ретенция сухого вещества и белка, была выражена тенденция к снижению гепатосоматического индекса и уровня гликогена в печени рыб и повышению гемоглобина в крови) однако, по нашему мнению, не является безусловно необходимым для получения высоких рыбоводных показателей.
Сравнение норм кормления форели экструдированными кормами при различных температурных режимах выращивания показало, что максимальная эффективность как по темпу роста, так и по кормовым затратам достигается при кормлении по поедаемости. Соответственно, со снижением нормы кормления эффективность экструдированного корма резко снижалась.
