Нанобиотехнологии в производстве зерновых паток для животноводства

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПЕРЕРАБОТКИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

К. Я. Мотовилов, О. К. Мотовилов, В. В. Аксёнов

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ 

В ПРОИЗВОДСТВЕ ЗЕРНОВЫХ ПАТОК 

ДЛЯ ЖИВОТНОВОДСТВА

Монография

Новосибирск 2015

УДК 633.2/.4.003:001.895+636:001.895
ББК 42.2:40.06
 
М 854

Авторы: К. Я. Мотовилов, д-р биол. наук, член-корр. РАН

О. К. Мотовилов, д-р техн. наук
В. В. Аксёнов, канд. хим. наук

Рецензенты: С. Н. Хабаров, акад. РАН

А. Ф. Алейников, д-р техн. наук, проф.
В. А. Реймер, д-р с.-х. наук, проф.

Мотовилов К. Я.
Нанобиотехнологии в производстве зерновых паток 

для животноводства: монография / РАН. СибНИТИП. Новосиб. гос. аграр. ун-т; К. Я. Мотовилов, О. К. Мотовилов, 
В. В. Аксёнов. – Новосибирск: ИЦ НГАУ «Золотой колос», 
2015. – 134 с.

ISBN 978–5–94477–163–6
В монографии рассмотрены результаты научных иссле
дований авторов и коллектива ученых СибНИТИП и НГАУ, 
полученные за последние 15 лет. Расшифрован механизм 
действия элементов нанобиотехнологий при переработке 
растительного крахмалосодержащего сырья на кормовые 
сахара и производстве экопродуктов животноводства.

Монография предназначена для научных сотрудников 

в области переработки зерновых крахмалоносов, для руководителей и специалистов аграрных предприятий, преподавателей вузов и всех, кто интересуется проблемами 
применения нанобиотехнологий в кормопроизводстве и животноводстве.

Утверждена и рекомендована к изданию ученым сове
том биолого-технологического факультета НГАУ (протокол 
№ 3 от 28.04. 2015 г.) и ученым советом СибНИТИП (протокол № 1 от 31.03. 2015 г.).

 
УДК 633.2/.4.003:001.895+636:001.895

 
ББК 42.2:40.06

© РАН. СибНИТИП, 2015
© НГАУ, 2015

М 854

ISBN 978–5–94477–163–6

ВВЕДЕНИЕ

Президентом России В. В. Путиным в 2014 г. постав
лена задача: «В ближайшие 4–5 лет мы должны полностью обеспечить свою независимость по всем видам продовольствия, а затем Россия должна стать крупнейшим 
в мире поставщиком продуктов питания».

Одной из главных проблем, стоящих перед работ
никами АПК в условиях рыночной экономики, является 
обеспечение населения необходимыми продуктами питания в соответствии с физиологическими потребностями, 
т. е. надо решить проблему продовольственной безопасности в стране. К сожалению, в настоящее время в Россию завозится более 50 % мяса и 40 % сухого молока. При 
ввозе 23–25 % продовольствия страна теряет продовольственную независимость.

Для увеличения производства животноводческой 

продукции необходимо наряду с созданием новых высокопродуктивных пород животных, совершенствованием 
кормовой базы и рационов питания изыскивать новые 
экологичные отечественные кормовые добавки и биологически активные вещества.

Максимальная реализация наследственного потен
циала продуктивности сельскохозяйственных животных 
путем интенсификации обменных процессов открывает 
дополнительные возможности для увеличения выхода 
продукции без дополнительных затрат корма. Поэтому 
наряду с такими факторами, как повышение сохранности, улучшение качества кормов и рационов, оптимизация условий содержания, необходимо широкое применение в практике кормления животных новых кормовых 
добавок – регуляторов метаболизма биохимических процессов в организме. Эффект таких добавок обусловлен 

их регулирующим влиянием на интенсивность процессов переваривания и биоконверсии питательных веществ 
корма, что создает возможность целенаправленного 
управления этими процессами.

За последние годы учеными СибНИТИП и НГАУ 

проведены глубокие системные исследования по биоконверсии различных видов зерновых крахмалоносов в кормовые патоки и их использованию в рационах крупного 
рогатого скота. Процессы деполимеризации зернового 
крахмалосодержащего сырья базируются на элементах 
нанобиотехнологий.

По данным отечественных и зарубежных авторов, ис
пользование сахаров в кормлении сельскохозяйственных 
животных оказывает положительное влияние на процессы пищеварения и повышает усвояемость кормов благодаря наличию в них легкоусвояемых форм углеводов 
моносахаров, крайне необходимых организму животных 
как основной источник энергии.

Целью настоящей работы является обобщение соб
ственных исследований производства кормовых паток 
из различных видов зерна, комплексная оценка влияния 
зерновых паток на продуктивность и здоровье животных, 
а также обоснование рационов кормления с использованием зерновых паток.

В 
разработку 
уникальной 
ресурсосберегающей 

экологически безопасной нанобиотехнологии деполимеризации зернового крахмалосодержащего сырья на 
кормовые сахара существенный вклад внесли ученые, 
конструкторы, руководители предприятий и общественных организаций:

Аксёнов Владимир Васильевич – зав. лаборато
рией биохимических технологий СибНИТИП, канд. 
хим. наук;

Мотовилов Олег Константинович – д-р техн. наук, 

директор СибНИТИП;

Адонин Александр Иванович – руководитель Сибир
ского филиала Общероссийского благотворительного 
фонда;

Порсев Евгений Георгиевич – д-р техн. наук, НГТУ;
Трусов Николай Алексеевич – главный конструктор;
Ивлев Борис Иванович – руководитель фонда под
держки науки и деятельности Новосибирской области;

Рамазанов Юрий Ахметович – директор ООО «Центр 

вихревых технологий»;

Шкиль Николай Алексеевич – д-р вет. наук, проф., 

зам. директора ИЭВСиДВ;

Широков Сергей Панкратович – генеральный дирек
тор ООО «Металлосервис»;

Бугаков Юрий Федорович – генеральный директор 

ОАО Племзавод «Ирмень»;

Пиденко Григорий Федорович – гл. зоотехник ОАО 

Племзавод «Ирмень»;

Пияшев Василий Сергеевич – конструктор;
Бахман Александр Яковлевич – директор ОАО «Кру
тишинское»;

Незамутдинов Владимир Мустафович – предприни
матель;

Лукьяненко Николай Иванович – директор ООО 

«Агроинновация».

Общее руководство осуществлял профессор кафедры 

стандартизации, метрологии и сертификации, член-корреспондент РАН К. Я. Мотовилов. Технология базируется 
на элементах нанобиотехнологий: ионизации, кавитации 
и ферментации. Разработка подтверждена 7 патентами. 
На продукцию разработана и утверждена техническая 
документация и проведено широкое внедрение в животноводческих хозяйствах Сибири.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Баланс азота в рубце (БАР). В рубце азот отделяет
ся от поступившего с кормом протеина и преобразуется 
микробами в микробиальный белок. Баланс азота в рубце 
свидетельствует о недостатке или избытке в рубце азота 
для переваривания тех или иных кормов. Определяющим 
является баланс азота в рубце и в целом рационе.

Биоконверсия крахмала – гидролиз крахмала с при
менением амилолитических ферментов.

Гидролиз крахмала – каталитическая реакция де
струкции полисахаридов крахмала с присоединением 
молекулы воды по месту разрыва глюкозидных связей.

Иониты – вещества, способные к ионному обмену. 

Подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты обладают способностью обменивать ионы водорода 
и другие положительные ионы (катионы) металлов. Аниониты способны обменивать гидроксильные ионы (или 
другие отрицательные ионы, содержащиеся в растворе).

Ионы – электрически заряженные частицы, образу
ющиеся при потере или приобретении электронов, атомами или группой атомов. Положительно заряженные 
ионы называются катионами, отрицательно заряженные – анионами.

Ионизация – процесс, в результате которого вода 

приобретает большой отрицательный потенциал и становится низкомолекулярной.

Кавитация – процесс парообразования и последую
щей конденсации пузырьков пара в потоке жидкости, сопровождающийся гидравлическими ударами с образованием кавитационных пузырьков. Перемещаясь с потоком 
в область с более высоким давлением, кавитационный 
пузырек схлопывается, образуя при этом ударную волну.

Клейстеризация крахмала – набухание и частичное 

растворение крахмальных зерен при нагревании в воде.

Крахмал – природный углевод, накапливаемый 

в клетках растений в виде крахмальных зерен. Общая 
формула (С6Н10О5)n Н2О.

Крахмалопродукты – продукты, получаемые обра
боткой или переработкой крахмала. К этой группе относятся: модифицированные крахмалы, глюкоза, патоки, 
сиропы, мальтодекстрины и т. д.

Меласса – побочный продукт при производстве саха
ра, отделяемый при центрифугировании утфеля последней кристаллизации.

Метаболизм – обмен веществ.
Мониторинг – слежение за процессами, явлениями.
Нанобиотехнология – область науки на стыке биоло
гии и нанотехнологии. Этот термин используют как в случаях применения нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии, так и при использовании 
биологических молекул для нанотехнологических целей.

Нанотехнология – процесс создания новых веществ 

или материалов путем манипуляции атомов или частиц 
менее одной миллиардной доли метра (10–9 метра).

Наночастицы не биогенной природы (минералы) – 

могут быть носителями биомакромолекул, предназначенных для целевого воздействия на биологические объекты.

Обменная энергия (ОЭ) – доля общей, физиологиче
ски связанной энергии, которая используется в организме 
животного, если не учитывать энергию, выделяющуюся 
с калом, мочой и метаном. Это мера содержания энергии 
и энергетикой потребности животных. Измеряется обычно в мегаджоулях (МДж).

Осахаривание крахмала – заключительная стадия 

гидролиза крахмала с получением гидролизата заданного 
состава.

Патока – сахаристый продукт, получаемый осаха
риванием (гидролизом) крахмала (гл. обр. картофельного 
и маисового) разбавленными кислотами или ферментами 
с последующим фильтрованием и увариванием сиропа.

Разжижение крахмала – начальная стадия гидро
лиза крахмала с образованием декстринов, характеризующаяся резким снижением вязкости крахмального 
клейстера.

Сухое вещество (СВ) – часть корма, которая остаётся 

после высушивания до постоянной массы (при 105 оС). 
Количество сухого вещества в корме или рационе – важный комплексный показатель питательности и энергетической ценности кормов.

Сырая зола (СЗ) – минеральные вещества, которые 

остаются после сгорания корма (озоление при 550 ºС).

Сырая клетчатка (СК) – нерастворимые в кислоте 

и щелочи инкрустирующие вещества (целлюлоза и др.). 
Сырую клетчатку могут использовать в больших количествах только жвачные животные. В рубце жвачных микроорганизмы (бактерии и простейшие) образуют преимущественно уксусную кислоту, необходимую корове 
для секреции молока и образования молочного жира.

Сырой протеин (СП) – характеризует содержание 

азота в корме, количество которого определяется умножением на 6,25 (протеин содержит в среднем 16 % азота). 
Содержание сырого протеина является основой оценки 
питательности кормов для жвачных животных.

Ферменты – биологические катализаторы, ускоря
ющие биохимические реакции по превращению сложных питательных веществ в простые соединения: сахара, 
аминокислоты.

Ферментация – процесс расщепления органических 

веществ под действием ферментов.

Функционирование крахмала – разделение полиса
харидов крахмала на амилазу и амилопектин.

Целлюлоза – полисахарид, главная составная часть 

клеточных оболочек всех высших растений, углевод, полимер, белое твердое вещество, не растворимое в воде. 
Формула (С6Н10О5)n.

Экология – наука о взаимоотношениях живой и не
живой природы.

1. НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

Термин «нанотехнология» впервые ввел японский 

ученый Норио Танигути в конце 60-х годов XX в. Под 
нанотехнологиями он предложил понимать процесс создания новых веществ или материалов путем манипуляции атомов или частиц менее одной миллиардной доли 
метра (10–9 метра).

Нанобиотехнология – это область науки на стыке био
логии и нанотехнологии. Обычно этот термин используют при применении нанотехнологических устройств 
и наноматериалов в биотехнологии и при использовании 
биологических молекул для нанотехнологических целей. 
Размеры нанобиологических макромолекул (ДНК, РНК), 
ферментов, антител находятся в пределах диапазона наношкалы. Наночастицы, которые представляют собой 
комплекс биогенных и не биогенных нанокомпонентов, 
являются по своей природе универсальными. Результаты 
разработок в области нанобиотехнологий нашли практическое применение в медицине, пищевой промышленности и т. д.

В настоящее время нанобиотехнология имеет пять 

направлений:

1. Измельчение продукта до наночастиц.

2. Изготовление различных нанодобавок.
3. Нанофильтрация для улучшения качества продукции.
4. Биосенсоры для контроля качества пищевых про
дуктов.

5. Пищевая упаковка нового поколения.
С развитием нанобиотехнологии открыто новое на
правление медицинской науки – молекулярная наномедицина, развитие которой тесно связано с революционными 
достижениями геномики и протеомики, позволяющими 
создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне.

Разработки ученых и описание функционирования 

генома человека, молекулярных механизмов клеточных 
процессов обеспечивают основу для существенного повышения информативности медицинской диагностики.

Следующим важнейшим направлением нанобиотех
нологии является биомиметика. Живые организмы производят нанотехнологические операции на протяжении 
более 4 млрд лет. Живая клетка использует ДНК, РНК 
и белки, чтобы строить клеточные структуры нанометровых размеров. Именно этим свойством пользуются 
биометрические нанобиотехнологии при создании искусственных наноконструкций. Разработка этой проблемы существенно ускоряет создание наноконструкции из 
белка с использованием молекул ДНК и РНК.

За последние годы проводятся многочисленные ис
следования по изучению нанотехнологий применительно 
к биологическим наукам: микро- и макробиологическим. 
Проведение исследований в данном направлении является актуальным. Необходимо разрабатывать методологические вопросы по терминологии, систематизации нанотехнологий биологической направленности.

А. Энштейн еще в 1905 г. доказал, что молекула саха
ра равна 1 нм, а некоторые виды сахаропродуктов имеют