Оценка новых источников белка насекомых в условиях Российской Федерации, как устойчивая альтернатива традиционным вариантам производства белоксодержащих продуктов.

Введение

Продовольственная безопасность, в своей основе, зависит от источника получения продуктов питания для человека – земли сельскохозяйственного назначения. Самым сложным, требующим наибольших затрат ресурсов и времени, является процесс производства белоксодержащих продуктов питания животного происхождения. Именно производство животного белка требует наибольших площадей сельскохозяйственных земель для обеспечения кормами. Последующие процессы выкорма домашних животных продолжительны и ресурсоёмки.

В качестве одного из направлений решения глобальных вопросов продовольственной безопасности рассматриваются новые способы производства продуктов питания, в частности, съедобные насекомые (FAO – Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединённых Наций). Несмотря на то, что съедобные насекомые являлись и являются на протяжении длительного времени составной частью потребляемой пищи населения большинства стран Юго-Восточной Азии и многих других, FAO призвала к сотрудничеству и усилению совместных действий для изучения многочисленных аспектов, связанных с разработкой систем промышленного производства насекомых, позволяющих решить вопросы продовольственной безопасности, в том числе и в странах, где употребление насекомых в пищу не является традиционным ^[72].

В то же время, существуют критические вопросы, поставленные профессором A. Халлораном (A. Halloran) ^[15], касающиеся моделирования и использования производственных систем насекомых: выбор функциональных единиц сравнения для производственных систем домашних животных и насекомых; индивидуальная оценка эффективности преобразования пищи в массу тела (биоконверсия); сопоставление затрат на транспортировку и хранение; утилизация отходов и переработка (техническая конверсия). Они требуют прояснения и помогают дать обоснованный ответ, касающийся перспектив насекомых как нового источника белка для человека.

Могут ли данные тенденции найти применение и быть востребованы в европейских странах, в том числе, и в Российской Федерации? Есть в этом здравый смысл и стоит заниматься вопросом промышленного воспроизводства насекомых?

В настоящее время существуют единичные предприятия в Японии и Республике Корея, использующие в качестве сырья оболочку кокона тутового шелкопряда, перерабатываемую в функциональные продукты питания (низкомолекулярные пептиды шелка) и сырье для косметической промышленности. Предпосылкой для появления этих предприятий являлись исследования, осуществлённые К. Ченом и К. Хирабаяси (K. ChenandK. Hirabayashi), выполнявшиеся по заданию Японской Шелковой Ассоциации. Исследования К. Кобаяши (K. Kobayashi), направленные на изыскание новых возможностей использования продуктов традиционного тутоводства – коконов тутового шелкопряда, из-за сильнейшего спада в шелковой промышленности, привели к появлению первых функциональных продуктов питания и сырья для косметической промышленности ^{[14, 67]}. Функциональные продукты питания, в данном случае, являются продуктом «глубокой» технической конверсии. Такие белковые производные и в настоящее время, и в обозримой перспективе, наиболее ценны для человека, предоставляя качественные преимущества в виде высокой биологической ценности и являются высокодоходными целевыми продуктами для предприятий пищевой промышленности во всём мире.

Действующие сегодня предприятия не располагают собственной сырьевой базой и работают полностью на закупаемом сырье, таким образом являясь лишь звеном в цепочке создания добавленной стоимости. В контексте рассматриваемого вопроса существует необходимость новых исследований, основанных на комплексном (интегральном) подходе в оценке сравниваемых производственных систем (совокупности всех производственных процессов), выявлении сопоставимых ключевых показателей эффективности, являющимися основанием для оценки эффективности этапов биосинтеза, биоконверсии и технической конверсии, в производстве белоксодержащих продуктов и, соответственно, служащих основой для оценки эффективности материального потока в производственных системах. Данный подход обосновывает возможность создания производственной системы получения белоксодержащих продуктов и дериватов, обладающей преимуществами по количественным и качественным критериям оценки получаемых пищевых продуктов, а также по доходности с единицы площади сельскохозяйственных угодий, в сравнении с традиционными способами получения белоксодержащих пищевых продуктов и их дериватов как животного, так и растительного происхождения.

Методология

В настоящей работе проведён анализ опубликованных научно-исследовательских работ и баз данных, касающихся вопросов производства как традиционных, так и новых источников белка. На основании анализа определены и предложены ключевые сопоставимые показатели эффективности для оценки производственных систем получения белоксодержащих продуктов, которые, по мнению автора, возможно использовать для комплексной оценки эффективности производственных систем.

В сравнительном анализе со стороны традиционных производственных систем рассматривалась: производственная система «Цыплята-бройлеры», так как производство птицы заведомо эффективнее в сравнении с производством КРС (крупного рогатого скота), свиней и других видов домашних животных ^[63], и производственная система «Соя», являющаяся сегодня наиболее эффективной производственной системой получения растительных белков и их производных, при этом в данной производственной системе может отсутствовать этап биоконверсии.

Сопоставимые показатели эффективности позволяют выявить, в целом, преимущество материального потока той или иной производственной системы, который, соответственно, будет являться основой для более высоких экономических показателей.

В настоящее время в традиционных системах производства белка эффективность превращения массы кормы в массу тела животных (биоконверсия), зависящую от множества факторов, выражают в виде общего коэффициента FcR (Feed Conversion Ratio – коэффициент конверсии корма), который является показателем необходимого количества корма (кг) для того, чтобы получить один килограмм прироста, откармливаемого животного ^[50]. В энтомологии используют показатель эффективности преобразования съеденной пищи ECI (Efficiency Conversion of Ingesta – эффективность преобразования пищи) на основе сухого вещества ^[74]. Основными показателями эффективности производства тутового шелкопряда ^{[54, 55, 57]} являются:Efficiency conversion of ingesta tococoon(эффективность преобразования потреблённой пиши в кокон, %) иIngesta per gram cocoon(количество потреблённой пищи на грамм кокона, г). Необходимо отметить, что данные показатели касаются, прежде всего, 5 – ой стадии развития тутового шелкопряда (стадии созревания) и не отражают полного цикла выкормки.Эти показатели эффективности биоконверсии, применимы к традиционному шелководству, но не имея «общего знаменателя» с показателями эффективности биоконверсии, используемыми в традиционном животноводстве, трудно сопоставимы. Кроме того, они не отражают взаимосвязь с процессом биосинтеза.

Для оценки этапов биосинтеза и биоконверсии в качестве базы для сравнительного анализа использовалась, предложенная коллективом авторов во главе с д. с.-х н профессором К.И. Привало, формула для показателя процессов биосинтеза и биоконверсии на макроуровне ^[106]:

Макроуровень: К = (ЧэнЖ / ОЭфм) х 100%,

Где ЧэнЖ – чистая энергия ГДж/га, заключённая в живой массе, валовом приросте молодняка крупного рогатого скота и свиней, а также в произведённом молоке в расчёте на один гектар посевной площади, а ОЭфм – обменная или физиологически полезная энергия, заключённая в фитомассе урожая, полученного с той же посевной площади.

Вполне уместно, учитывая ключевую роль белковой составляющей кормов и целевой продукт животноводства, которым так же является белок, использовать показатель эффективности преобразования белка корма в белок конечного продукта на макроуровне. Использование данного показателя предоставляет возможность для более полного и объективного сравнительного анализа в системе «корм-животное», отражая наиболее важный целевой показатель производственного процесса получения, именно, белоксодержащих продуктов. Существующие балансы использования и усвоения азота, по сути, являются отражением данного показателя, но только на этапе биоконверсии или макроуровне.

Таким образом, формула для оценки показателя эффективности преобразования белка на макроуровне будет выглядеть следующим образом:

Макроуровень: Кп = (СспП / СспК) х 100%,

где СспП - содержание сырого протеина в конечном продукте откорма в расчёте на один гектар, а СспК – содержание сырого протеина в кормовой культуре, используемой для откорма с той же посевной площади.

Помимо биосинтеза и биоконверсии для получения конечного продукта необходимым этапом является техническая конверсия белоксодержащего сырья.

По сути, оценка эффективности сводиться в итоге к вопросу: «Что (количество и качество) мы можем получить с 1 гектара (100 гектаров) в конечном итоге, с какими затратами и за какой период времени?» или «Какой доход мы получаем в $/га с 1 гектара в виде конечных продуктов?»

Обобщённо этапы производства и показатели эффективности возможно представить в виде рисунка 1.

Рисунок 1. Основные этапы и показатели эффективности производства белоксодержащих продуктов

Производственная система «NS»

Количественные и качественные показатели выкормки тутового шелкопряда

Наиболее подробные данные в Российской Федерации по данному вопросу представлены в работе и публикациях Е.Ф. Лейнвебер ^{[95, 96]}. В сравнительном анализе использованы данные для контрольного районированного диплоидного сорта шелковицы – ПС-109.2п, урожайность которого весной составляет 59 ц/га. Урожай коконов весной с 1 га плантации составил 404.4 кг, а выход шёлка-сырца с 1 га плантации – 143.6 (выход шёлка-сырца 35.5 %) кг. Данные параметры соответствуют показателям воздушно-сухих коконов тутового шелкопряда с нормированной (расчётной) влажностью 10 % и выходу шёлка-сырца отборного сорта в соответствии с ГОСТ 8493-57 ^[87]; или только 2-ого сорта (нормированный выход шелка-сырца 35 % в соответствии с ГОСТ 21060 – 87 ^[86]. Недостающие данные были сформированы расчётным методом и основаны на средних показателях: содержание сырого протеина в листьях шелковицы – 18.125 % ^[95];содержание обменной энергии для листьев шелковицы – 10.11 МДж/кг сухого вещества ^[73];выход сухих коконов из живых – 40.12 %;выход оболочки кокона – расчётный, основанный на среднем значении шелконосности сухих коконов 45.7 % для пород «Кавказ-1» и «Кавказ-2» ^[108]; при расчёте сухого веса куколки шелкопряда учтены отходы (личиночная шкурка) – 0.65 % ^[44];содержание влаги в сухих коконах принято – 10 % ^[87];содержание обменной энергии для оболочки кокона тутового шелкопряда рассчитано на основании данных Й. Хори и К. Ватанабе (Y. HorieandK. Watanabe) ^[19], для расчёта принято значение – 19.8 МДж/кг; содержание сырого протеина в куколке ^{[53, 65, 69]}, для расчёта принято значение – 55.6 %; содержание обменной энергии в куколке –16.3 МДж/кг ^[37];содержание в оболочке кокона тутового шелкопряда сырого протеина ^{[40, 44, 75]},для расчёта–93.5 % и содержание влаги – 5.5 %.

Обобщённые данные, отражающие эффективность этапов биосинтеза и биоконверсии представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сводные показатели эффективности биосинтеза и биоконверсии производственной системы «NS» на макроуровне

Данные по утилизации азота тутовым шелкопрядом

В работе Й. Хори и К. Ватанабе (Y. HorieandK. Watanabe) ^[19] представлены данные по эффективности конверсии сухого вещества корма в течение 4-ого и 5-ого периодов для мужских и женских особей шелкопряда (с.76). Исходя из того, что шелковый червь 80-85 % потребления осуществляет в последние два возраста и, соответственно, располагая данными по содержанию сырого протеина в листьях шелковицы, оболочке кокона, куколке и яйцах шелкопряда ^[2],возможно рассчитатьэффективность преобразования белка, которая составит: для мужских особей 63.1-66.8 %, для женских особей 63.7-67-8 %. Полученные расчётным путём данные коррелируют с точными данными, представленными в работе Й. Хори и К. Ватанабе (Y. HorieandK. Watanabe) в 1986 году: эффективность конверсии поглощённого азота (E.C.I.) составила для мужских особей 60.5 % и 65.8 % для женских особей (таблица № 4, с. 294) ^[20].П. Ценовым (P. Tzenov) представлены данныебаланса азота на 1 гектар плантации шелковицыпри выкормке тутового шелкопряда ^[70], позволяющие произвести расчёт, показывающий, что эффективность преобразования азота в оболочку кокона, куколку и яйца шелкопряда составит приблизительно 61 %.Бюджет азота, представленный М. Кумаром (M. Kumar) ^[38], показывает эффективность преобразования азота: для контрольной группы – 64.29 %; для группы, в которой использовались листья шелковицы, обработанные 1 % раствором порошкообразных куколок – 82.1 %.

Данные по эффективности использования дополнительного азота, содержащегося в растворе, в рационе питания шелкопряда коррелируют с данными, что азот более эффективно превращается в массу тела, чем другие компоненты корма у насекомых. Так, при выкормке тутового шелкопряда в течение 5 возраста листьями, смоченными коровьем молоком, личинки увеличивали свой вес на 82.5 %, а вес кокона увеличивался на 8 %, в сравнении с кормлением только листьями шелковицы ^{[35, 50]}.

Производственная система «Цыплята-бройлеры»

Количественные и качественные показатели откорма

Основу многокомпонентных комбикормов ПК-5 и ПК-6, использующихся для откорма цыплят-бройлеров составляют: пшеница 20-46%, кукуруза 23-37%, соевый шрот 15-30%. В целом на их долю приходиться 84-87 % общей массы рационов. Помимо этого, в состав входят: шрот подсолнечный, мука рыбная, мука мясокостная, дрожжи, лизни, метионин, треонин и др.

Исключая излишние усложнения, сравнительный анализ возможно провести, используя данные по ключевым компонентам: кукурузе, пшенице и сое.

Средняя урожайность за 2013-2017 годы (Урожайность сельскохозяйственных культур в хозяйствах всех категорий Российской Федерации) ^[85] составила: пшеница озимая и яровая – 25.8 ц/га; кукуруза на зерно – 49.4 ц/га; соя – 13.4 ц/га. Данные по содержанию в кормовых культурах: сухого вещества, сырого протеина, содержанию обменной энергии ^[93]. Среднее содержание белка в живом весе цыплят-бройлеров, представленное в таблице № 6 ^[13], составляет 165-169 г/кг, то есть 16.5-16.9 %. Самое высокое содержание белка в живой массе – 184 г/кг, было зафиксировано в группе, для откорма которой использовали высокобелковый корм (таблица № 5). Из приведённых в работе Е. Страковой (E. Strakova) ^[66] данных по содержанию сухого вещества и азотистых веществ (таблицы № 5 и 6, показатели для 40-ка дневных особей) возможно рассчитать процентное содержание сырого протеина в живом весе, которое составит в среднем 168.98 г/кг (16.98 %) для мужских особей и 171.45 г/кг (17.2 %) для женских особей.Содержание сырого протеина, содержание обменной энергии, содержание влаги в живом весе цыплят-бройлеров отражены в таблице № 1 исследований, проведённых Дж. Д. Лэтшоу (J. D. Latshaw) ^[41], – диапазон от 15.7 до 23.3 %, содержание обменной энергии – 9.2 МДж/кг.

Собственный расчёт содержания сырого протеина в живой массе цыплят-бройлеров, произведённый автором на основании данных, представленных в диссертации А. Ноздрина ^[101] показал, что содержание сырого протеина цыплят-бройлеров живой предубойной массой 2290 г (данные для I группы) составит 441 грамм или 19.26 %.

Для расчёта содержания сырого протеина в живом весе принято значение – 19.8 %.

Затраты обменной энергии и сырого протеина на 1 кг прироста цыплят-бройлеров представлены в виде средних показателей для контрольных групп в таблице 2.

Таблица 2. Показатели откорма цыплят-бройлеров

Обобщённые данные, отражающие эффективность этапов биосинтеза и биоконверсии представлены в таблице 3.

Таблица 3. Сводные показатели эффективности биосинтеза и биоконверсии производственной системы «Цыплята-бройлеры» на макроуровне

Данные по утилизации азота цыплятами-бройлерами

При выращивании цыплят-бройлеров на производство 1 кг животного белка расходуется 1.9 кг протеина кормов ^[115], то есть, коэффициент преобразования протеина составляет 52.63 %. Баланс и использование азота подопытными цыплятами-бройлерами: использовано 49.5 до 51.7 % ^[90]. В материалах Е.А. Русаковой, в таблице № 3 «Баланс азота в организме цыплят-бройлеров» приведены данные по использованию азота от принятого, %:контрольная группа – 43.8 %, максимальные значения – 45.9 % ^[107].

Таким образом, возможно констатировать, что принятая методика расчётов и полученные данные, коррелируют с данными, приведёнными в вышеуказанных материалах.

Сравнительный анализ производственных систем «NS» и «Цыплята-бройлеры»

Итоговые данные сравнительного анализа на макроуровне представлены в таблице 4.

Таблица 4. Сравнительные данные производственных систем на макроуровне

Из сравнительных данных возможно определить преимущества этапа биосинтеза и биоконверсии производственной системы шелководства над производственной системой «Цыплята-бройлеры» по следующим ключевым параметрам:

1. Выход сырого протеина в живом весе выше на 28.6 - 92.9 %, в среднем на 54.3 %.

2. Коэффициент протеина биосистемы выше на 75.4 - 80.2 %, в среднем на 77.8 %.

3. Коэффициент биосистемы: выше на 124.3 %, чем при откорме цыплят-бройлеров кукурузой; выше на 67.8 %, чем при откорме пшеницей; ниже на 14.35 %, чем при откорме соей.

Конкурирующие производственные системы насекомых

Наибольшее распространение в мире получили производственные системы, в которых насекомые используются как источник, прежде всего, кормового белка, дефицит которого стимулирует создание новых производственных мощностей. В Европейском союзе наиболее успешным проектом в данной области является французская компания «Ynsect», инвестиции в которую составили более 125 млн. $ ^[11]. Компания автоматизировала процесс выращивания мучных червей (личиночная форма большого мучного хрущака, (Tenebrio molitor (L.). Следует отметить, что автоматизированная система искусственного питания для разведения тутовых шелкопрядов была впервые предложена, ещё, в 2001 году ^[49], а позднее, в 2003 году, разработана автоматизированная система склада для производства тутовых шелкопрядов ^[48].

Компания «AgriProtein» ^[18] успешно масштабируют производство кормового белка, получаемого из мух черной львинки (Hermetiaillucens (L.), а в РФ представителями данного направления является компания «Биогенезис» ^[83], использующая для откорма пищевые отходы. Но в тоже время, следует отметить, что в Европейском союзе существуют общие принципы безопасности пищевых продуктов и кормов - «Общий закон о пищевых продуктах» и «Гигиенический пакет», в силу которых, использование для откорма навоза и отходов питания запрещено ^[10].

Сравнение данных производственных систем насекомых с производственной системой «NS» возможно провести в части ключевых показателей эффективности: времени развития, эффективности преобразования корма, а именно, эффективности конверсии азота – N-ECI ^[74].Проведение сравнения полного производственного цикла, в данном случае, при отсутствии вариантов глубокой технической конверсии с целью получения белковых производных, используемых человеком, не представляет необходимости. Сводные данные, основанные на исследованиях Д. Оонинкса (D. Oonincx) ^[50] (использованы минимальные и максимальные значения сравниваемых параметров), возможно представить в виде таблицы 5. Данные по срокам выкормки для тутового шелкопряда - Е. Н. Михайлов ^[100].

Таблица 5. Сравнительные данные времени выкормки, эффективности преобразования азота, содержания сырого протеина и жира для аргентинского таракана, мухи черного солдата, желтого мучного червя, домашнего крикета и тутового шелкопряда

Тутовый шелкопряд имеет лучшие показатели по времени выкормки и одни из лучших показателей по эффективности преобразования азота. Учитывая, что только желтый мучной червь и домашние сверчи, считаются съедобными для человека ^[50], а аргентинский таракан и черная лвьинка – ингредиенты кормов, преимущества тутового шелкопряда в сравнении с «прямыми конкурентами» по ключевым показателям эффективности, влияющим на эффективность материального потока и, соответственно, на экономическую эффективность – значительно выше.

Искусственные диеты при выкормке тутового шелкопряда

Использование искусственных диет для откорма тутового шелкопряда имеет давнюю историческую практику, имеющую в своей основе необходимость снижения зависимости шелководства от сезонных факторов, таких как производство листьев шелковицы, что, в свою очередь, способствует возможности круглогодичного производства тутового шелкопряда. Кроме того, искусственные диеты позволяют значительным образом снизить издержки, связанные с производством:затраты труда и материалов, позволяя внедрять средства механизации и автоматизации в процесс выкормки.

Комбинированный вариант выкормки, при котором искусственная диета используется для откорма гусениц младшего возраста (1-2 периода развития), а гусениц старших возрастов выращивают уже с использованием свежего листа шелковицы, широко используется в настоящее время во многих странах, традиционно занимающимися шелководством. Полусинтечиская диета «SeriNutrid», основными ингредиентами которой являются: соевая мука, порошок целлюлозы, солевая смесь, витаминная смесь, гелеобразующий агент и т.д., показывает лучшие результаты по сравнению с выращиванием на листьях шелковицы ^[46].

Для улучшения отклика на кормление искусственными диетами прибегают к направленному отбору и инбридингу (скрещивание близкородственных форм в пределах одной популяции организмов) на протяжении нескольких поколений (до 12 поколений), что позволяет сформировать новые коммерческие гибриды тутового шелкопряда для исключительного выращивания в молодом возрасте на искусственной диете ^[47].Во многих случаях, по сравнению с кормлением шелковицей, кормление искусственными диетами для всех возрастов шелкопряда показывает равные или лучшие результаты по основным показателям качества кокона и шелка ^[78].

В настоящее время прорывные результаты в данном направлении достигнуты в Китае. Babe Group Co., Ltd., инвестировавшая 350 миллионов юаней, успешно реализовала первую фазу проекта «Фабричного шелководства». Производственная мощность предприятия составляет 10 тыс. т в год, позволяя заменить труд 100 тыс. фермеров-шелководов трудом 200 человек, обслуживающих фабрику. Использование искусственной диеты, состоящей из сои, пропитанной масляным рисом, обработанного тофу, кукурузной муки, порошка сладкого картофеля, тапиоки с добавлением листьев шелковицы, позволило проводить откорм тутового шелкопряда в течение всего жизненного цикла. Производственный процесс, объединив несколько технологий, таких как система предотвращения заболеваний, контроль окружающей среды и искусственных интеллект, позволяет снизить издержки до уровня ниже средних затрат в данной отрасли. Кроме того, это дало возможность увеличить плотность посадки тутового шелкопряда в несколько десятков раз и получить среднюю урожайность выше, чем при откорме листьями шелковицы, позволив достигнуть качества шелковый нити высшего уровня по национальному стандарту ^{[1, 105]}.

Этап технической конверсии рассматриваемых производственных систем

Полученные в результате первых двух этапов (биосинтеза и биоконверсии), которые являются основополагающими в производственном процессе, продукты подвергаются технической конверсии. Техническая конверсия продукта – осознанный выбор производителя, зависящий от факторов рыночной востребованности (конъюнктуры), качественных и ценовых характеристик исходного сырья, возможности и эффективности дальнейшей технологической переработки, следствием которой является конечный продукт с улучшенными качественными потребительскими свойствами.

Целью технических преобразований является изменение нативной структуры, в данном случае белка, содержащегося в продуктах, для улучшения возможности поглощения, переваривания и усвоения пищи. Дополнительно решаются вспомогательные задачи, связанные с увеличением сроков хранения продуктов (множественные виды консервации и другие виды переработки), улучшением и усилением вкусовых качеств.

Традиционными продуктами при убое и переработке цыплят-бройлеров, в целом, является съедобная часть, которая реализуется конечным потребителям или подвергается дальнейшей переработке (в частности, консервации и т.п.) и несъедобная часть – вторичное сырьё. По данным экспертного сообщества ^[114] средний уровень промышленной переработки вторичного сырья в РФ составляет в среднем 20%. Тем не менее, необходимо учитывать, что отходы производства птицы должны перерабатываться. Основываясь на показателях норм выхода ^[111],принимаем, что оставшиеся 30 % отходов (вторичного сырья) могут быть переработаны в мясокостную кормовую муку. В среднем с 1 кг сырья возможно получить 0.32 кг мясокостной муки (среднее значение от выхода из мякотного сырья и малоценных продуктов – 22% и костного сырья – 43%).

Глубокая переработка (различные виды гидролиза: кислотный, шелочной, ферментативный, микробный) для основного высококачественного белка (съедобная часть) не используется. Такой переработке подвергаются только вторичное сырьё ^[21].

В целом, в рамках данного исследования, нет необходимости в детализации всех возможных вариантов переработки как основного (съедобная часть), так и вторичного сырья. Заведомо меньшее количество основного компонента – сырого протеина, получаемого с 1 га, подразумевает меньшие возможности для получения конечных продуктов и, соответственно, меньшие возможности для получения дохода. Для сравнительного анализа возможно принять для расчёта дохода с 1 га стоимость продуктов: съедобной части и мясокостной муки, как конечных продуктов в производственной системе «Цыплята-бройлеры».

В производственной системе «Соя», в некоторых случаях, в зависимости от выбранных целевых продуктов, отсутствует этап биоконверсии. Соя наиболее распространена на мировом рынке масличных культур, а её белки используются в животноводстве и пищевой промышленности ^[103]. Ежегодно 85 % от урожая семян сои перерабатывается для получения двух основных продуктов: соевого масла и соевого шрота ^[110].

Следует отметить, что помимо традиционного вышеуказанного использования сои на рынок выведены продукты переработки белковой составляющей сои в виде концентратов, изолятов и соевых пептидов. В связи с этим, необходимо в сравнительном анализе производственной системы «Соя» рассматривать и продукты глубокой переработки, раскрывающие в данном вопросе не только потенциал собственно сои, но и, прежде всего, общеизвестную эффективность, глубокой переработки, дающий максимальный экономический эффект.

За основу для расчётов в производственной системе «Соя» приняты показатели выхода продукции с единицы сырья: сырого соевого масла – 17.8%; изолированного соевого белка – 19.7% ^[4].

Кроме того, необходимо рассмотреть конечные продукты, которые возможно получить из сои при структурной модификации – олигопетиды и пептиды.

Глубокая переработка сырья Целевая качественная характеристика

Основной качественной характеристикой белковых производных глубокой переработки (структурной модификации) является молекулярная масса целевого продукта, так как именно она отражает чистоту и функциональные характеристики конечного продукта. «Интерес к технологии структурной модификации белковых соединений сои связан с желанием ведущих мировых производителей как улучшить функциональные свойства выпускаемых ими пищевых белков, так и осуществить выделение и выпуск в товарных количествах определённых типов соевых полипептидов и пептидов в подтверждёнными медико-биологическими свойствами» ^[88].

Это утверждение возможно отнести ко всем белковым производным, невзирая на источник сырья, из которого их извлекают. С другой стороны, увеличению спроса на данные продукты способствует повышение осведомлённости потребителей об эффективности и пользе для здоровья функциональных продуктов питания ^[5].

Обоснованием данных целевых показателей являются следующие данные: биодоступность зависит от молекулярной массы лекарств, если молекулярная масса увеличивается выше 500-700 Да, биодоступность лекарств резко снижается, в то время как биодоступность, по существу, не зависит от молекулярной массы для лекарств менее 500-700 Да ^[8]; устная (пероральная) доставка является наиболее востребованным способом введения для большинства лекарств и фармацевтических продуктов, которые зависят от молекулярной структуры или веса препарата ^[9]; малые молекулы имеют внутриклеточное нацеливание, низкие и неодинаково специфичные, обычно органические вещества с четко определенной структурой и молекулярной массой менее 900 дальтон, которые помогают регулировать биологические процессы ^[45]; пептиды с более низкой молекулярной массой (молекулярная масса от 200 до 3000 Да) являются наиболее эффективными антиоксидантами, а биологически активные пептиды обычно содержат менее 20 аминокислотных остатков на молекулу, пептиды с более низкой молекулярной массой имеют больше шансов преодолеть кишечный барьер и оказать биологическое воздействие ^[36].

Эффективность дериватов, получаемых из оболочки кокона тутового шелкопряда

Белковые дериваты оболочки кокона, как и другие дериваты, получаемые из сырья растительного и животного происхождения, отличаются от традиционных продуктов питания, прежде, всего показателем индекса питательных веществ в продуктах питания – NRF (Nutrient-rich food – пища, богатая питательными веществами), то есть плотности питательных веществ в данном продукте ^[63].Применительно к белоксодержащим продуктам этот показатель будет отражать плотность белка в заданном объёме продукта. По данному показателю, отражающему количественную характеристику, белковые производные превосходят традиционные продукты питания в среднем в 4.5 раза.

Преимущества качественных характеристик выражаются в высокой степени очистки от антипитательных веществ и аллергенов, длительным сроком хранения и, самое главное, в дополнительных преимуществах в виде высокой биологической доступности и возможности улучшения многих функциональных возможностей организма человека.

В последние десятилетия проводились исследования по эффективности использования различных дериватов (биологически активных гидролизатов и пептидов), полученных из оболочки кокона тутового шелкопряда. В частности, возможно выделить некоторые исследования, в которых данные производные показали эффективность по следующим направлениям: улучшение когнитивных функций ^{[3, 28, 51, 80]}; улучшение жирового обмена во время упражнений и снижение массы тела ^[29]; гипогликемический эффект и антидиабетическая активность ^{[6, 16, 22, 26, 42, 43, 59]}; долгосрочная безопасность ^{[34, 56]}; безопасность использования в косметических средствах^[17]; выносливость и репродуктивная функция ^{[50, 61]}; улучшение спортивных результатов ^{[25, 31, 32, 81]}; улучшения при болезни Паркинсона ^[33]; использование в косметической промышленности ^{[27, 39]}; использование в качестве матрицы для доставки терапевтических агентов ^[79]; лечение атопического дерматита ^[23]; улучшение естественного иммунитета (шелковый пептид усиливает активность NK-клеток invivo и может быть использован в качестве соединения для иммуномодулирующего противоопухолевого лечения) ^[24].

Таким образом, возможно говорить о том, что белковые производные, выделяемые из оболочки кокона тутового шелкопряда, обладают многофункциональной активностью.

Выход конечных продуктов при глубокой переработке

Соя

Безусловно, что показатели выхода готовых коммерческих продуктов, в подавляющем большинстве случаев, относятся к категории «коммерческой тайны» предприятия. Но в тоже время, возможно, из публичных источников определить средние показатели по выходу (восстановлению) пептидов сои из исходного сырья. Так, концентрация лунасина (противоопухолевый пептид) составляет: «Соевый белковый концентрат, изолят и гидролизат содержат 2,81 +/- 0,30, 3,75 +/- 0,43 и 4,43 +/- 0,59 г лунасина / 100 г муки соответственно, тогда как соевая мука и соевые хлопья содержат 1,24 +/- 0,22 г лунасина. / 100 г муки» ^[12]. В другой работе приводятся следующие данные: «Разработанный масштабируемый метод позволяет получать препараты лунасина с чистотой более 99% и выходом из обезжиренной соевой муки 442 мг / кг.» ^[58]. При выработке опытной партии гидролизата соевого белка были получены следующие распределение молекулярно-массовых пептидных фракций (после нанофильтрации, таблица № 2): <1,6 кДа - 13,1 % ^[91]. В работе Д.В. Зинченко и др. отмечен общий выход растворимого пептидного материала – 12.8%. ^[89].

При получении гипоаллергенных антибактериальных пептидов, полученных из обезжиренной соевой муки после ферментативного гидролиза и разделения в мембранном биореакторе, Г. Сечи и др. (G. Szécsi et al.)) было восстановлено приблизительно 14% (по массе) от общего содержания белка (41 % – концентрация белка в обезжиренной соевой муке) в форме пептидов ^[68]. Более 96 % пептидов имела молекулярную массу ниже 1.7 кДа, наибольшая молекулярная масса составила 3.1 кДа. «Наш подход направлен на получение гипоаллергенных антибактериальных LMM пептидов из обезжиренной соевой муки вместо использования соевого белкового изолята, который является первой такой попыткой, насколько нам известно. Ожидается, что предложенный метод станет прогрессивным шагом в области переработки и повторного использования сельскохозяйственных отходов» ^[68]. На основании вышеизложенного для дальнейших расчётов были приняты показатели данной работы – 14%.

Оболочка кокона тутового шелкопряда

Получаемые сегодня ведущими производителями Японии и Республики Корея белковые производные оболочки кокона тутового шелкопряда – пептиды шелка (SP), имеют молекулярную массу от 150 до 350 дальтон (средняя молекулярная масса 250 дальтон) ^[29].

Выход конечных продуктов при переработке оболочки кокона тутового шелкопряда, являющийся уникальным природным источником белкового сырья и превосходящим практически 2.5-3 раза по содержанию белка сою, по определению будет выше. В исследовательской работе П. Вайтаномсата и С. Пуньясавона (P. Vaithanomsat, C. Punyasawon) ^[71] представлены данные по выходу шелкового порошка, полученного из оболочки кокона тутового шелкопряда, который составил в зависимости от условий переработки от 74.63 до 84 % (Figure 3 «Effects of ratio between cocoon and dissolving mixture on dissolving period and yield of silk protein powder»). Практический опыт сотрудничества автора с биотехнологическими предприятиями Республики Корея, выпускающими функциональные пищевые продукты на основе пептидов шелка, позволяет говорить о том, что выход пептида шелка составляет в среднем 65 % от массы исходного сырья. Для дальнейших расчётов принят показатель выхода пептида шелка – 65 %.

Доход на единицу площади конечных продуктов сравниваемых производственных систем

Конечные продукты и цены, принятые для расчёта в производственных системах:

1. Производственная система «Цыплята-бройлеры»: съедобная часть (выход 70 % от живой массы) и продукт переработки вторичного сырья – мясокостная мука. Цена мяса цыплят-бройлеров (Европейская комиссия) – «Ежегодные рыночные цены бройлеров» в ЕС – 186.4 евро/ 100 кг или 2.1$/кг

2. Производственная система «Соя»: соевое масло и пептид. Оптовая цена на рафинированное соевое масло (Alibaba.com Site) – 300-400 $/тонн или 0.35 $/л. Соевые пептиды (ведущие производители с доходом от 10 млн. $) – 20-60 $/кг, средняя цена 40 $/кг.

3. Производственная система «NS»: куколка тутового шелкопряда (как животный корм) и пептид шелка. Цены на куколки тутового шелкопряда (Alibaba.com Site) – 905-1400 $/тонна или 1.1 $/кг. Пептиды шелка (ведущие производители с доходом от 10 млн. $) – средняя цена 45 $/кг.

Сводные данные по доходу на единицу площади сравниваемых производственных систем представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Доход $/га сравниваемых производственных систем

Потенциал производственных систем «Соя» и «NS»

Приведённый расчёт основан на средних показателях для данных систем, но обе имеют и потенциал для дальнейшего роста ключевых показателей эффективности. Для производственной системы «Соя» целевые показатели по увеличению средней урожайности сои не менее чем до 17-18 ц/га в регионах Дальневосточного федерального округа и до 25-27 ц/га в регионах Северо - Кавказского федерального округа ^[112]. Следует отметить, что при условии достижения стратегических показателей, обозначенных в программе, возможные показатели увеличатся на 101.5 % (27 ц/га против средних 13.4 ц/га). Программа не оговаривает вопрос получения пептидов, то есть предусматривается получение только изолятов сои, но предполагая, что в проектируемых или реконструируемых производствах возможно получение и пептидов, показатели производственной системы составят – 4200 $/га.

Потенциал производственной системы «NS» заключается:

1. В использовании высокопродуктивных сортов шелковицы, которые обеспечивают более высокую урожайность с 1 га плантации в среднем на 14.3-16.3 %, а лучшие кормовые качества листа и другие обеспечивают, соответственно, больший выход конечного продукта от 6.8 до 52.3 % ^[95].

2. В возможности реализовать на практике 2-х и 3-кратнаые в году способы эксплуатация плантаций шелковицы ^{[98, 99]}, что позволяет увеличить валовый сбор высококачественного листа в 2-2.5 раза с 1 га поливной земли в сравнении с принятой однократной или частичной двух кратной эксплуатацией. шелковицы.

3. В механизации и автоматизации всех технологических процессов выращивания шелковицы и выкормки шелкопряда ^[84], дающие значительное увеличение уровня рентабельности.

4. В использовании искусственной диеты – возможность для круглогодичного воспроизводства тутового шелкопряда ^{[1, 7, 62, 104, 105]}.

5. В увеличении доходности при использовании глубокой технической конверсии, в том числе, и для куколки тутового шелкопряда: выделение из куколки тутового шелкопряда пептидов ^{[75, 76]}.

6. Крайне перспективным вариантом является утилизация отходов: куколки и подстилки, остающейся после выкормки тутового шелкопряда, в качестве производственной среды для массового культивирования потенциального биопестицида – Bacillus thuringiensis (Bt). «Bt является самым успешным коммерческим биопестицидом, на его долю приходится 90% всех биопестицидов, продаваемых по всему миру» ^[52].

Заключение

На вопрос исследования о перспективах использования промышленного воспроизводства насекомых в условиях Российской Федерации, основываясь на данных сравнительного анализа, возможно дать положительный ответ. Рассматривая производственную систему «NS», как новый потенциальный источник белка, следует выделить:

1. Ключевые показатели эффективности всех этапов производственного процесса: биосинтеза, биоконверсии и технической конверсии, в производственной системе «NS» значительно превосходят или кратно выше, чем в традиционных производственных системах.

2. Превосходящие показатели эффективности, отражающие в целом эффективность материального потока в производственной системе «NS», являются основой для получения более высоких экономических показателей, что в целом выражается в доходе, получаемым с 1 га сельскохозяйственных угодий.

3. Конечные потребительские продукты производственной системы «NS» обладают крайне высокими качественными характеристиками, не доступными ближайшим продуктам-конкурентам (пептиды сои), в том числе и по профилю аминокислот.

4. Достижение максимальной эффективности производственной системы возможно в рамках вертикально-интегрированной компании, объединяющей и контролирующей все производственные процессы по принципу «От фермы до вилки», позволяя получать конечный потребительский продукт с уникальными качественными характеристиками и лучшей цене не только по сравнению с прямыми конкурентами, но и косвенными.

5. Производственную систему «NS» обоснованно возможно считать одним из эффективных ответов на решение проблем продовольственной безопасности, как нового источника высококачественного белка для человека.

6. Реализация производственной системы на практике возможна в регионах РФ с благоприятными природно-климатическими условиями: республики Северного Кавказа, Ставропольский и Краснодарский края, Ростовская, Астраханская, Волгоградская, Саратовская, Воронежская, Курская, Белгородская области, Республика Крым и другие.