Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 8
1.1. Экологический аспект минерального питания жи вотных и птиц 8
1.2 Сорбционные механизмы балластных веществ по отношению к тяжелым металлам 15
1.3 Способы получения формованных кормов как «экологически чистых» продуктов 19
1.3.1. Способы получения формованных кормов путем экструзионной обработки 22
1.4 Исследования сорбционной способности крупяных изделий и экструдированного зернового сырья по отношению к тяжелым металлам 29
2 Результаты собственных исследований 33
2.1.Материалы и методы исследований 33
2.1.1 Общая характеристика объектов и методов исследования 2.1.2 Методика пилотных исследований «in vitro» по оценке к способности растворимости оцениваемых элементов из зерна и продуктов его переработки 42
2.1..З Методика исследований «in vitro» по оценке способности к растворимости и сорбции металлов зерном и зернопродуктами
2.1.4 Методика исследований на модели кур-несушек 43
2,2 Результаты лабораторных исследований 46
2.2.1.Результаты пилотных исследований по оценке дей- 46
ствия экструзии на растворимость тяжелых металлов из корма 48
2.2.2 Влияние экструзионной обработки зерна, отрубей и кормосмеси на содержание растворимых форм металлов 58
2.2.3 Резюме по итогам исследований растворимости оцениваемых элементов из зерна и продуктов его переработки «in vitro»
2.3 Результаты исследования на модели кур-несушек 60
2.3.1 Корма и кормление подопытной птицы 60
2.3.2 Переваримость корма подопытной птицей 63
2.33 Яичная продуктивность кур-нссушек 64
66
2.3.4 Влияние оцениваемых показателей на развитие пищеварительного тракта подопытной птицы 68
72
23.5 Трансформация питательных веществ и энергии корма подопытной птицей в продукцию
23.6 Влияние экструдированных кормов на обмен оцениваемых элементов в организме кур-несушек
23 J Резюме по итогам исследований на модели птицы 79
2.4 Влияние технологических факторов экструзии на сорбционную способность зерна и зернопродуктов «in vitro»
2.4.1 Резюме по итогам исследований «in vitro» сорбции 87
оцениваемых элементов зерном и продуктами его переработки
2.5 Экономическая эффективность использования экс- 88
трудатов в кормлении кур-несушек
3 Обсуждение полученных результатов 90
4 Выводы 99
5 Предложение производству 101
6 Список литературы
- Экологический аспект минерального питания жи вотных и птиц
- Исследования сорбционной способности крупяных изделий и экструдированного зернового сырья по отношению к тяжелым металлам
- Общая характеристика объектов и методов исследования 2.1.2 Методика пилотных исследований «in vitro» по оценке к способности растворимости оцениваемых элементов из зерна и продуктов его переработки
- Резюме по итогам исследований растворимости оцениваемых элементов из зерна и продуктов его переработки «in vitro»
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее ярких признаков научно-технической революции в сельскохозяйственном производстве является появление и активное развитие новых технологий подготовки кормов к скармливанию, К их числу относится и барогидротермическая обработка - экстру-дированис корма (А.П.Гроздов, О.Г.Цвылев, 1995).
Экструзия является одним из наиболее эффективных и широко применяемых в комбикормовой промышленности способов обработки зернопро-дуктов, при котором корм вследствие физических и химических преобразований изменяет свои свойства. При этом подвергается деструкции целлюлоз-но-лигниновый комплекс и желатинизируется крахмал, что в конечном итоге приводит к повышению содержания легкопереваримых веществ (В.К.Каплун, 2001; В.А.Шаршунов и др., 2002).
Вместе с тем в литературе описываются эффекты и негативного влияния экструдировапия на качество кормов. Последние, как правило, имеют место при высокотемпературных режимах сопровождающихся денатурацией белка, соединением его с углеводами, снижением атакуемости биополимеров пищеварительными ферментами (Н.И.Чернышев, И.Г.Панин, 2000).
Закономерным результатом такого взаимодействия является образование стойких химических соединений, отличающихся большой удельной поверхностью, что в конечном итоге может быть сопряжено с лучшими сорб-ционными свойствами данных кормов (А.ВЛечеткин, 1982, И.В. Петрухин, 1989).
В этой связи особый интерес вызывают исследования, проливающие свет на изменения в минеральном обмене у животных на фоне экструдат -содержащих рационов. До настоящего момента наукой по данному вопросу накоплен скудный и зачастую противоречивый материал, что и позволило констатировать актуальность и определить цели и задачи настоящего исследования.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы являлось изучение влияния режимов экструдирования зерновых продуктов на обмен тяжелых металлов и продуктивность кур-несушек.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
L Определить влияние экструдирования на растворимость «in vitro» оцениваемых элементов из дробленого зерна и продуктов его переработки.
Изучить влияние экструдирования на величину сорбции кормом «in vitro» оцениваемых элементов из модельного раствора.
Определить питательность и продуктивное действие экструдированной кормосмеси на организм кур-несушек,
Проанализировать изменения в обмене оцениваемых элементов на фоне скармливания курам экструзионных продуктов.
Определить эффективность трансформации протеина, энергии и отдельных химических элементов корма в организме кур, получающих экструдированный корм.
Определить экономическую эффективность использования экструднрованных кормов в кормлении кур-несушек.
Научная новизна. Выявлен факт снижения содержания
эссенциальных (Си, Zn, Мп) и токсического (РЬ) элементов в продукции птицеводства на фоне скармливания курам-несушкам экструднрованных кормов. Впервые показано, что данное явление обусловлено не только низкой усвояемостью данных веществ из экструдатов а и относительно более выраженными сорбционными свойствами последних. Получены экспериментальные данные, указывающие на зависимость величины сорбции экструдатами зернопродуктов тяжелых металлов от температурных режимов экструзии.
Практическая значимость работы. Введение экстру дированных зерновых кормов в рацион кур-несушек позволит корректировать минеральный обмен в организме птицы, способствуя снижению содержания тяжелых металлов в продукции птицеводства. Помимо этого, применение экструдируемых кормов обеспечит увеличение яйценоскости птицы на 10* 17%, при росте рентабельности производства яйца на 10% и более.
Апробация работы. Основные положения диссертации изложены и
обсуждены на Международной научно-практической конференции
«Проблемы регионального управления рисками на объектах
агропромышленного комплекса» (Оренбург, 2002); Региональной научно-
практической конференции молодых ученых и специалистов (Оренбург,
2003, 2005); Всероссийской научно-практической конференции
«Оптимизация сложных биотехнологических систем» (Оренбург, 2003); I Международной научно-практической конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Научные и практические аспекты повышения производства сельскохозяйственной продукции» (Оренбург, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития пищевой промышленности России» (Оренбург, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Положения, выносимые на защиту.
скармливание курам-несушкам полнорационных комбикормов на основе экструдированной зерносмеси сопряжено со снижением содержания эссенциальных (меди, цинка, марганца) и токсического (свинца) элементов в продукции, что является следствием как относительно низкой их усвояемости из экструдатов, так и наличием сорбционных свойств у последних;
степень сорбции тяжелых металлов, их растворимость из зерновых экструдатов «in vitro» и усвояемость в организме птицы определяется температурой экструзии.
Экологический аспект минерального питания жи вотных и птиц
Среди факторов, определяющих полноценность кормления сельскохозяйственных животных и птиц, существенное значение имеют условия минерального питания. В настоящее время в растениях и организме животных, кроме углерода, кислоро да, азота и водорода, установлено присутствие еще около 75 химических элементов. В число необходимых входят 15 элементов и 5-8 рассматриваются как необязательные, однако не исключено, что известны еще далеко не все элементы, функционально важные для живых организмов (Н.ПМакарцев, 1999).
Несмотря на широкие колебания содержания минеральных элементов в кормах, их уровень в органах и тканях животных остается довольно постоянным благодаря способности организма в поддержании гомеостаза минеральных веществ. Однако эти регуляторные механизмы не беспредельны, и при интенсивном использовании животных и птиц нарушения минерального обмена могут стать серьезным лимитирующим фактором производства продукции. Последствия эти могут быть самыми разнообразными, основные же из них сводятся к следующему: 1) нарушение функциональной деятельности органов и систем и возникновение алиментарных заболеваний, 2) нарушение воспроизводительных способностей и рождение нежизнеспособного потомства молодняка, 3) снижение продуктивности и качества продуктов, 4) ухудшение использования питательных веществ рациона и увеличение затрат кормов па образование продукции (Н.Г,Макарцев, 1999).
Химические элементы, концентрация которых в тканях растений и животных изменяется в диапазоне OTIVIO до n-lO" весовых процентов, принято называть микроэлементами (Си, ZB, Be, Mo, Со, Ni и др,). Элементы, концентрация которых в тканях живых организмов более п-10"2 весовых процентов, называются макроэлементами (О, Н, С, К, Са, Mg,N,P,S,Cl).
Минеральные вещества пищевых продуктов являются важнейшим фактором питания» Они выполняют разносторонние функции в организме, в том числе обеспечивают построение опорных тканей скелета (кальций, фосфор, магний), осуществляют поддержание необходимой осмотической среды клеток и крови, в которых протекают все обменные процессы (натрий, калий), участвуют в образовании специфических пищеварительных соков (хлор), гормонов (йод, цинк, медь); участвуют в переносе кислорода в организме (железо, медь) и входят в состав некоторых жизненно важных витаминов и ферментов, без которых невозможно превращение поступающих в организм пищевых веществ (кобальт, марганец, цинк и др.).
Вместе с тем поступление минеральных веществ в организм должно быть тесно связано с потребностями животных, в противном случае избыток элементов может явиться причиной отравления живого организма, тогда как недостаток железа, цинка, марганца, меди, фтора, йода, кобальта, молибдена и т. д., вызывают целый ряд проблем, связанных с питанием (М.ПЧекунова и др., 3976).
В пищевых продуктах минеральные вещества могут присутствовать не только как естественная составная часть, но и попадать в них при изготовления, хранении и транспортировании.
Основным источником поступления в организм животных и человека, вредных биологически активных агентов являются пищевые продукты. В связи с этим в настоящее время особые требования предъявляются к экологической чистоте продуктов, потребляемых в пищу человеком, и продуктов, произведенных для скармливания сельскохозяйственным животным, это в полной мере касается кормов, полученных из зерна и его производных
К числу наиболее вредных для здоровья человека и животных веществ относятся токсические тяжелые металлы.
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей среды и экологического мониторинга, к тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 56 атомных единиц. По классификации Н.Ф. Реймерса, тяжелыми считаются металлы с плотностью более 8 г/см3 (Л.Ф.Щелкунов, М.СДудкин, В.Н.Корзун, 2000).
Восемь из них (ртуть, кадмий, свинец, медь, мышьяк, стронций, цинк, железо) комиссия ФАО/ВОЗ по пищевому кодексу включила в число компонентов, содержание которых контролируется при международной торговле продуктами питания. Присутствие токсикантов в пищевых продуктах, в количествах превышающих в 2-3 раза фоновые, нежелательно, превышающих ПДК - недопустимо. В таблице 1 дана классификация химических элементов по их токсичности при наличии в пищевых продуктах и воде, без учета марганца и йода (ЛФ.Щелкунов и др., 2000).
Исследования сорбционной способности крупяных изделий и экструдированного зернового сырья по отношению к тяжелым металлам
Проводились исследования (А.А.Иванов, ОА-Шпигун, Ю. А. Лавру шина, 2000) сорбционной способности крупяных изделий (пшено и рис шлифованный, гречневая ядрица, кукурузная, перловая, овсяная крупы), в отношении меди, железа и хрома из водных растворов их солей.
Полученные результаты показали, что все крупяные изделия почти в равной степени сорбируют медь, являющуюся с одной стороны эссенциаль-ным элементом с другой представителем группы тяжёлых металлов, из раствора её солей (концентрация меди (П) в контрольном растворе 1,22 мг/л). При этом величина сорбции, например, овсяной крупой приближается к 90% (Ю. А. Лавру шин а и др., 2000).
По отношению к хрому, склонному к образованию гидратированных оксоанионов, крупяные изделия проявляют себя по - разному. Так, гречневая ядрица, пшено и рис шлифованные, перловая крупа хорошо сорбируют ионы хрома из водного раствора его солей (концентрация хрома (VI) в контрольном растворе 0,25 мг/л). Величина сорбции составляет не менее 65% , Кукурузная и овсяная крупы сорбируют хром (VI) значительно хуже, величина сорбции не превышает 36,0% (О.АЛІІпигун и др., 2001).
Хорошие сорбционные свойства по отношению к железу (II), как представителю группы переходных металлов, проявили только рис, шлифованный и перловая крупа» Величина сорбции ионов железа остальными крупяными изделиями из раствора его солей (концентрация Fe (II) 2,5 мг/л) не превышает 32% (Р.А.Филичкина и др., 2000),
Таким образом, одинаково хорошие сорбционные свойства по отношению к указанным представителям различных групп металлов обнаружены у риса шлифованного и перловой крупы, другие же крупяные изделия способны вполне удовлетворительно сорбировать лишь определенные металлы (Ю.А.Лаврушина и др., 2000). Авторы (Ю.А.Шпигун и др., 2001) сочли необходимым изучить аминокислотный состав водных экстрактов крупяных изделий и определить содержание в них целлюлозы и крахмала, для прогнозирования возможного механизма сорбции различных анионов, катионов, органических соединений природными сорбентами.
На основе полученных данных авторы сделали следующий вывод: сорбция металлов крупяными изделиями идет преимущественно на целлюлозной матрице, крахмальная фракция не только не сорбирует металлы, но и препятствует сорбции нативными крупами. Все способы приготовления крупяных изделий, способствующие удалению крахмала, пригодны для улучшения их сорбционной способности. Поскольку величина сорбции целлюлозой крупяных изделий меньше, чем субстратом, полученным после гидролиза крахмала, можно говорить об участии в сорбции не только целлюлозы, но и других водо нерастворимых компонентов круп, в том числе некоторых белков, гемицеллюлоз.
Характер кривых зависимости величины сорбции от различных факторов, подтвердили предположение авторов о комплексном механизме сорбции металлов крупяными изделиями, основную долю в котором занимает хсмо-сорбция, В связи с этим возникла необходимость исследований, которые позволили бы определить, какие реакционноспособные группы участвуют в комплексообразовании. Эту задачу авторы сумели решить с помощью метода электронного парамагнитного резонанса. Исследования показали, что в процессе хемосорбции образуются, по меньшей мере два вида комплексных соединений меди, содержащих по два атома азота и два - три атома кислорода. В этих комплексах присутствуют также молекулы воды и свободные карбоксильные (СООН) группы. Расчет количества парамагнитной меди, входящий в сорбционный комплекс показал, что доля хемосорбционного механизма составляет 87%, следовательно, на сорбцию физического и ионообменного механизма приходится 13%. Проведенные исследования показали, что крупяные изделия являются сорбентами большинства токсичных в той или иной степени металлов, причем как в кислых, так и в щелочных средах. Оптимальная температура сорбции составляет 35-40 С.
Общая характеристика объектов и методов исследования 2.1.2 Методика пилотных исследований «in vitro» по оценке к способности растворимости оцениваемых элементов из зерна и продуктов его переработки
На этапе пилотных исследований было изучено влияние экструзионной обработки на подвижность элементов в различных продуктах (дробленое зерно, отруби, кормосмесь). Подвижность оцениваемых элементов изучали как способность элементов к переходу в растворимую форму из образца» Для чего были приготовлены образцы трех видов кормов: зерно, отруби, кормо смесь, экспозиция которых производилась в растворе с рН 2,5 в течение 24 часов. Моделирование кислой среды желудка животных, заключалось в обработке зерновых образцов натуральным желудочным соком полученном из желудка лошади, раствором ацидин пепсина или раствором соляной кислоты рН 2,5. После экспозиции растворы отфильтровывали и оценивали на содержание элементов в последнем.
Для чего в период с 2003 по 2004 гг. в условиях двух зерноперерабаты-вающих предприятий г. Оренбурга: КХП 1 и КХП 3, отбирали пробы в 3х кратной повторности. Исходное зерно, отбираемое для исследований было выращено в основном в хозяйствах следующих районов Оренбургской области: Оренбургском (СХА ООО агрофирма «Краснохолмская»); Соль-Илецком (СПК «Колос», СПК «Борьба за мир»); Шарлыкском (ООО «Нива», СПК «Зерновое»); Саракташском (СПК «им. Фрунзе», СПК «Калина»).
Данные районы по принципу относительной геохимической однотипности почв относятся к региону - Предуралья, подверженных различной степени техногенного воздействия.
Оценка содержания тяжелых металлов выполнялась с применением новейших и перспективных методов определения валовых и кислотораство-римых форм металлов- В частности рентгено-флуоресцентный для определения валового содержания элементов с применением озоления ускоренным методом, атомно-абсорбционный метод для определения растворимых форм металлов, с применением мокрого озоления, которые использовали и в дальнейшей работе.
В числе основных задач, которые предполагалось решить в ходе лабораторных исследований «in vitro» было установление способности к растворимости оцениваемых элементов из экструдированных зерна и зернопродук-тов.
На технических весах взвешивали 5 г измельченного до консистенции пудры исследуемого образца и полученную навеску переносили в колбу емкостью 250 см . После чего добавляли 50 мл раствора соляной кислоты заданной концентрации 0,003 моль/л, рН 2,5 с последующем перемешиванием на механической мешалке. По истечении заданного времени смесь фильтровали через складчатый фильтр «синяя лента», и анализировали фильтрат на содержание растворимых форм металлов. Анализ проводили на атомно-абсорбционном спектрометре марки AAS-4- Для определения времени установления равновесия в изучаемых системах проводились исследования при различном времени экспозиции образца в растворе от 1 до 48 часов.
Помимо влияния времени экспозиции проведены исследования и по оценке влияния величины рН раствора на растворимость оцениваемых элементов. Изменение значений рН раствора достигалось через введение соляной кислоты и гидроксида натрия. По результатам вышеприведенных кинетических экспериментов время экспозиции образца в растворе выбрано постоянным - 24 часа, что обеспечивало достижения равновесия в системах,
В ходе исследований по оценке сорбции «in vitro» изучали кинетику механизма сорбции меди и цинка образцами зернопродуктов. Навеска исследуемого образца (дробленое зерно, кормосмесь и отруби) измельченная до консистенции пудры массой 5 г помещали в приготовленный раствор объемом 50 мл.
Раствор, в который помещался образец, готовили на основе фиксанала 0,1н. раствора НСІ и вводимой соли металла (ОД н. раствор сернокислого цинка и меди). Период времени экспозиции образца в растворе варьировал от 1 до 24 часов. На этом этапе исследование сорбционных свойств образца оценивали при постоянной величине рН 2,5 и различном времени экспозиции продукта в растворе. Помимо времени экспозиции образца исследовали и влияние рН раствора на сорбционные свойства экструдатов, что достигалось через введение растворов соляной кислоты и гидроксида натрия.
Фильтрат анализировали на остаточное содержание металла в растворе, на атомно-абсорбционном спектрометре AAS-4, Эффективность сорбцион-ных свойств продукта оценивали по разнице в показаниях прибора для контрольного раствора (без корма), и полученного фильтрата.
Резюме по итогам исследований растворимости оцениваемых элементов из зерна и продуктов его переработки «in vitro»
Проанализировав полученные результаты и построенные на основании их зависимости графики установлено следующее:
1. Изучено поведение оцениваемых металлов и их переход в растворимую форму в зависимости от экструзионной обработки дробленого зерна, отрубей и кормосмеси. Показано, что максимальная степень растворимости металлов наблюдается из рассыпного дробленого зерна, кормосмеси и отрубей, а минимальная - для горячего экструдата.
2. Установлено, что в слабокислой и слабощелочной среде растворимость оцениваемых элементов минимальна. Однако в сильнокислой среде при рН 2 растворимость металлов резко возрастает.
Таким образом, из полученных фактов, очевидно, что тяжелые металлы, входящие в состав кормов подвергнутые экструзии менее доступны для обмена в организме животных и птицы. С целью подтверждения этой гипотезы нами был выполнен эксперимент на модели кур-несушек» Выбор последних в качестве объекта исследования был обусловлен высокой интенсивностью обмена минеральных веществ в организме, что по нашему мнению могло бы позволить получить более объективную информацию»
Для оценки действия экструдатов на обмен веществ и продуктивность кур-несушек нами были приготовлены две партии экструдированных кормо-смесей, состоящих на 63% из дробленого зерна пшеницы, на 30% из ячменя и 7% из отрубей пшеницы. При этом изготовление кормов холодной экструзии проходило при температуре 60С, а горячей 110С. Исследование качественных особенностей экструдатов осуществлялось через замену на данные продукты - зерновой части полнорационных комбикормов.
В процессе исследований кормление кур-несушек осуществлялось комбикормами, выработанными в соответствии с руководством по работе с птицей кросса «Родонит» (ВНИТИП, 1998).
Это достигалось как за счет ввода в рацион птицы минерально-витаминных премиксов, так и за счет использования богатых протеином кормов животного и растительного происхождения. Балансирование минеральной питательности осуществлялось с помощью введения в рацион три-кальцийфосфата, поваренной соли и премиксов. Витаминная питательность рационов балансировалась с помощью ввода в корма препаратов витаминов А и D с активностью 500 тыс. МЕ/кг и 50 % раствора витамина Б (табл. 6),
В ходе эксперимента на курах-несушках весь период яйцекладки был условно разделен на два подпериода. Предкладковая фаза продолжалась в течение 3 недель: с 15 до 17-недельного возраста. По мере достижения птицей 5%-ной интенсивности яйцекладки ее постепенно переводили на другой рацион (раннепродуктивный период). Состав этого рациона, помимо сохранения относительно высокой скорости роста птицы, обеспечивал получение более высокого уровня продуктивности. Как показали результаты исследований, различие в поедаемости корма подопытной птицей имели место и характеризовались неравномерностью (рис. 10).
Причем поедаемость корма в I опытной группе, составила 6226 г/гол за опыт, что на 30% было ниже, чем в контрольной группе и на 22% меньше чем во II опытной группе- Это могло быть обусловлено негативным влиянием технологического режима экструзии (температура, давление, механическое истирание) на качества корма. И только в течение последних двух недель эксперимента в I опытной группе нами фиксировалась полная поедае мость кормов. Это связано, по всей видимости, с эффектом привыкания птицы к корму.
Таким образом, экструдирование зерносмесей оказывает влияние на поедаемость кормов курами-несушками, что, как следует из наших данных исследований, является следствием выраженного действия экструдатов на обмен веществ у птиц.
