Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ВЕГЕТАТИВНЫХ ОРГАНОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ 15
1.1. Характеристика растительных ресурсов
южного региона России . . 15
-
Исследования перспективных сельскохозяйственных растений для переработки в корма и белковые добавки 19
-
Получение протеиновых концентратов из клеточного сока фитомассы овощных культур 23
-
Характеристика белков вегетативной массы растений..... .37
-
Требования, предъявляемые к кормовым и пищевым
белкам из нетрадиционных источников 42
-
Разработанные технологии фракционирования белков клеточного сока в лабораторных и промышленных условиях.. . 49
-
Использование отпрессованного остатка вегетативной массы 67
-
Качество и использование депротеинизированного коричневого сока 82
-
Цель и задачи исследований 87
2. МАТЕРИАЛЫ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 89
-
Материалы исследований 89
-
Комплект оборудования для комплексной переработки вегетативной массы сельскохозяйственных культур 90
-
Фракционирование вегетативной массы и клеточного сока сеяных трав и отходов полеводства 97
-
Гидромеханическая обработка клеточного сока 98
-
Методы определения физико-химических, биохимических показателей качества и безвредности белковых фракций... 102
-
Биоконверсия растительных отходов с помощью культивирования шляпочных грибов рода вешенка 109
-
Утилизация побочных продуктов — пресс-остатка
и депротеинизированного коричневого сока с помощью
силосования 111
СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
3. ИЗУЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ВЕГЕТАТИВНЫХ ОРГАНОВ РАСТЕНИЙ 113
-
Подбор культур перспективных сельскохозяйственных растений для комплексной переработки 113
-
Фракционирование листостебельной биомассы
отходов полеводства 119
3.3. Выводы 125
4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ФРАКИЦОНИРОВАНИЯ
КЛЕТОЧНОГО СОКА НА РАЗДЕЛЕНИЕ БЕЛКОВЫХ
ФРАКЦИЙ 126
4.1. Влияние способа коагуляции белков на разделение
хлоропластной (кормовой) и цитоплазматической
(пищевой) фракций 126
4.2. Определение режимов флотации для разделения
белковых фракций 141
4.3. Выводы 148
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПРЕПАРАТОВ
БЕЛКОВ 149
-
Характеристика физико-химических и биохимических свойств белковых препаратов 149
-
Биологическая ценность препаратов белков 180
-
Токсикологическая характеристика 189
-
Комплексная оценка качества белковых препаратов.... ... 198
-
Изучение изменения состава законсервированных протеиновых фракций в процессе хранении 201
-
Влияние условий сушки на качество белковых фракций ... 206
-
Выводы 212
6. БИОТРАНЄФОРМАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ 214
-
Выбор штамма гриба рода Pleurotus для биоконверсии растительных остатков ... 214
-
Влияние параметров твердофазного культивирования на рост и развитие целлюлозоразрушающего гриба Pleurotus cornucopiae на пресс-остатке люцерны и отходах полеводства . 226
-
Химический состав и биологическая ценность
плодовых тел грибов и остаточной биомассы 228
-
Обеспечение сохранности отработанного субстрата ....... 246
-
Выводы 249
7. УТИЛИЗАЦИЯ ДЕПРОТЕИНИЗИРОВАННОГО
КОРИЧНЕВОГО СОКА 250
7.1. Влияние дозы внесения коричневого сока в силосуемую
массу на ее сохранность 250
-
Биохимическая оценка силоса из пресс-остатка люцерны, законсервированного с помощью коричневого сока 258
-
Определение безвредности и биологической ценности препаратов белков в экспериментах на животных 261
-
Технологическая схема комплексной
переработки вегетативной массы растений 287
7.5. Выводы 295
ВЫВОДЫ 297
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 301
ПРИЛОЖЕНИЯ 323
Введение к работе
Разработка нетрадиционных способов переработки, повышение комплексности использования сырья и отходов в сельскохозяйственном производстве относятся к ключевым вопросам в задаче создания безотходных технологий, являющейся одним из направлений решения проблем сокращения дефицита белка, расширения ассортимента, улучшения качества, обеспечения экологической безопасности продуктов растениеводства и сокращения их потерь.
Наблюдающееся изменение социально-экономического положения в стране резко увеличило нагрузку на агрофитоценозы: с одной стороны, в ряде регионов используются плодородные земли под застройки, загрязняется окружающая среда, с другой — неконтролируемые интенсивные заготовки древесины обедняют растительный покров, особенно естественные кормовые угодья. В результате не только разрушается кормовая база для сельскохозяйственных животных, но и сокращается разнообразие экосистем.
Наряду с этим произошло расширение коммерческих связей России с другими государствами, что резко увеличило объем и ассортимент импортируемых продуктов. В связи с децентрализацией поставок значительная часть продуктов поступает по прямым поставкам и бартеру, Это привело к усложнению и снижению эффективности санитарного надзора за качеством и безопасностью ввозимых продуктов питания, увеличению количества продукции, несоответствующей критериям безопасности [1]. На этом фоне произошли нарушения структуры и качества фактического питания населения, проявляющиеся в разбалансированности рационов по основным пищевым веществам, витаминам и минеральным элементам. За счет белков обеспечивается 11 % суточной калорийности, за счет жиров — 44 %, за счет углеводов — 45 % (при физиологической норме 13 : 33 : 54 %), то есть основная доля энергети- ческой ценности рационов приходится на жиры при недостатке белков, особенно животного происхождения.
В этих условиях обостряющегося дефицита кормового и пищевого белка важными являются исследования, направленные на разработку способов комплексного использования растительного сырья с одновременным получением экологически безопасных кормовых продуктов и пищевых веществ, выделенных из нетрадиционных источников и обладающих высокой биологической ценностью. Среди нетрадиционных сырьевых источников особое место занимает вегетативная масса растений. Клеточный сок из лис-тостебельной биомассы и продукты его фракционирования могут заменять в рационе моногастричных животных зернофураж, зернобобовые и рыбную муку. Дополнительная обработка позволит получать белковые препараты пищевого назначения с высокими показателями биологической ценности, являющиеся экологически безопасными препаратами, так как способы их выделения служат своеобразным технологическим приемом для удаления токсичных веществ природного и антропогенного происхождения, попадающие в растения в процессе вегетации [30].
Образующийся в процессе отжима сока пресс-остаток может использоваться для скармливания животным в свежем виде или после предварительной обработки — сушки, силосования и т.д.
Большой вклад в развитие отечественных исследований данного направления внесли Фомин В.И., Долгов И.А., Фаянс КХА., Толстогузов Б.В., Высоцкий В.Г., Коганов М.М., и др. За рубежом производство пресс-остатка, кормовых и пищевых концентратов из вегетативной массы растений реализованы в технологических процессах «Про-Ксан-П» (США), «Вепекс» (Венгрия), «Поли-Протеин» (Италия), обеспечивающих получение этих продуктов в опытно-промышленных условиях [93, 94, 138]. Однако они не получили широкого распространения из-за относительно низкого качества белковых продуктов, претерпевающих денатурацию и необратимое снижение биологической цен-
8 ности в процессе выделения, а также из-за высокой энергоемкости процесса.
Наряду с этим разработан способ гидромеханической обработки клеточного сока [176], обеспечивающий коагуляцию белков в щадящих условиях с охранением их нативных свойств.
Получение высококачественного кормового продукта может быть осуществлено с помощью биоконверсии (выращивания целлюлозоразру-шающих грибов) пресс-остатка и его смеси с отходами сельского хозяйства, в частности, вегетативной массой овощных культур, остающейся после уборки основного урожая.
Учитывая обширное производство овощных культур на локализованных площадях и огромное количество растительных остатков, которые в настоящее время практически не используются, эти отходы можно рассматривать как перспективное сырье для промышленного получения пищевых и кормовых добавок. Использование не только овощей, но и их вегетативной части, остающейся после уборки урожая, позволит повысить выход питательных веществ с земляной площади и снизить себестоимость продукции.
Остающийся после отделения белковых фракций побочный продукт — депротеинизированный коричневый сок — может быть использован для силосования кормов, получения удобрений и т.д.
Таким образом, разработка технологии, обеспечивающей за счет получения кормового белково-витаминного концентрата, пищевого белка, утилизации пресс-остатка и депротеинизированного коричневого сока существенное повышение эффективности использования белков вегетативной массы растений, является актуальной.
В связи с этим основной целью настоящей работы явилась разработка ресурсосберегающей технологии комплексной переработки вегетативных органов сельскохозяйственных растений, основанной на гидромеханическом фракционировании клеточного сока, биоконверсии пресс-остатка и утилизации депротеинизированного коричневого сока, с получением высококачест- венных пищевых и кормовых белковых продуктов, обеспечивающей повышение качества продукции растениеводства и сокращение ее потерь..
Работа выполнена в Проблемной лаборатории/ Донского государственного технического университета и в развитие темы- «Исследование шраз-работка технологии: глубокого влажного фракционирования; сельскохозяйственных корнеплодов» (№ГР 01.970006860; 13/309 от 24;06.97) согласована с планом; госбюджетной НИР, выполненной профессорско-преподавательским составом в пределах основного рабочего времени на 2000—2004 гг. ( 47) Рос-товской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения по направлению: Разработка способа переработки вегетативной массы;. сельскохозяйственных культур с получением препаратов кормовых и пищевых белков, биоконверсии отходов полеводства, утилизации; растительных остатков силосованием;
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи: сравнительное изучение состава и свойств продуктов влажного^ фракционирования вегетативной массы сеяных трав\шотходов полеводства; выявление культур; перспективных для комплексной переработки;: определение оптимальных режимов фракционирования клеточного сока из зеленой массы; исследование: и количественная; оценка влияния физиологических (вид растений), технологических (способ фракционирования клеточного сока) и физических (температура сушки) факторов-на физико-химические, биохимические показатели и биологическую ценность получаемых белковых препаратов; разработка основанного на гидромеханическом воздействии способа получения?из клеточного сока вегетативной массы;сеяных трав и отходов; полеводства кормовых и пищевых белковых концентратов с высокой биологической ценностью; отбор штамма целлюлозоразрушающего шляпочного гриба рода вешенка для трансформации растительных отходов; разработка условий для получения белково-ферментных кормовых добавок методом- биоконверсии пресс-остатков -. сеяных трав и отходов полеводства посредством культивирования гриба вешенка; разработка метода утилизации депротеинизированного коричневого сока путем использования его как химического агента при силосовании; —проведение токсикологической оценки белковых препаратов кормового и пищевого назначения; определение их соответствия?требованиям, предъявляемым к кормам и продуктам питания; изучение сохранности выделенных белковых продуктов; при их консервировании и сушке; исследование биологической; ценности полученных продуктов в экспериментах на животных; разработка технологической схемы комплексной переработки вегетативной массы растений:
Научная> новизна состоит в том, что- впервые изучены закономерности коагуляции хлоропластных и; цитоплазматических фракций белков; при гидромеханическом > воздействии'. на клеточный; сок из листостебельной биомассы; различных культур, определены; параметры и режимы получения белковых препаратов: Разработан способ гидромеханической обработки клеточного сока, позволяющий: получать белковые1 фракции і в щадящих, по сравнению с традиционно применяемой термоденатурацией, условиях.
Отобран? штамм-продуцент съедобного шляпочного гриба вешенка корнукопийская (Pleurotus cornucopia (Pers.) Polland), способный к интенсивному росту и синтезу белка,при культивировании'на: питательном субстрате; содержащем в качестве источника углерод а пресс-остаток; вегетативной/массы сеяных трав и отходы полеводства.
Впервые разработан способ биоконверсии пресс-остатка и отходов полеводства в кормовые продукты посредством выращивания гриба вешенка корнукопийская в условиях регулируемого микроклимата.
Разработан способ силосования; пресс-остатка с помощью депротеи-низированного коричневого сока.
Изучены физико-химические» биохимические: и токсикологические свойства белковых препаратов, представлена количественная оценка влияния вида растения; способа получения, условий сушки на их качество.
Исследованы биологическая ценность и безвредность: полученных продуктов в экспериментах на животных.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Разработана ресурсосберегающая малоотходная технология комплексной переработки вегетативных органов сельскохозяйственных растений с получением высококачественных пищевых и кормовых белковых препаратов, силосованием и биоконверсией образующихся растительных отходов в кормовые средства, способствующая преодолению существующего дефицита белка, повышению: качества и экологической безопасности сельскохозяйственной продукции и сокращению ее потерь.
Результаты, работы позволяют производить отбор нетрадиционных культур как сырьевых источников, разработку и оптимизацию режимов технологического оборудования по получению белковых продуктов и кормов.
Полученные результаты использованы для обоснования и разработки эффективной технологии влажного фракционирования; зеленых растений в НПО «Корма» (г. Москва).
Технология комплексной переработки вегетативной; массы сельскохозяйственных растений реализована на опытно-промышленной < линии: производительностью 10 т/ч по зеленой массе; Расчетный экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 6,782 млн. руб. при сроке окупаемости 4 года.
Материалы работы включены в утвержденные методические рекомендации по получению и использованию продуктов комплексной переработки вегетативной массы растений в сельскохозяйственном производстве,
12 пищевой промышленности и биотехнологии.
Опытные партии продуктов использованы-в качестве кормовых добавок и; апробированы!при5кормлении лабораторных и сельскохозяйственных животных.
Основные материалы работы содержатся, в двух опубликованных монографиях, учебном пособии: «Безопасность, жизнедеятельности: безопасность технологических процессов и производств», патенте и используются в курсах лекций для; обучения-; студентов- специальностей; сельхозмашиностроения по вопросам защиты окружающей среды и ресурсосбережения.
Практическое: значение результатов; работы ^ и: их внедрение подтверждено рядом актов и заключений.
На защиту выносятся следующие положения:. результаты исследования,состава и свойств.продуктов влажного фракционирования вегетативной массы сельскохозяйственных сеяных трав и отходов полеводства; метод установления оптимальных режимов фракционирования; клеточного сока;: основные закономерности коагуляции хлоропластных и цитоплаз-матических белков при гидромеханическом воздействии на клеточный сок; способ фракционирования клеточного сока, основанный на его гидромеханической обработке; реализованный на опытно-промышленной линии, производительностью 10 т/ч по вегетативной массе; метод биоконверсиифастительных остатков в кормовые продукты с помощью культивирования гриба вешенка корнукопийская; метод утилизации* депротеинизированного коричневого сока1, при: силосовании пресс-остатка; количественные характеристики влияния физиологических, технологических и физических параметров на показатели качества белков; — технологическая схема комплексной переработки вегетативной
13 массы сельскохозяйственных растений.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались; на Третьей Всесоюзной научно-технической конференции «Разработка процессов получения комбинированных продуктов питания» (Москва, 1988); Шестой Всесоюзной научно-технической конференции «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов > и сельскохозяйственного сырья» (Москва, 1992); Пятой Международной конференции «Фракционирование листового протеина» (Сидней, 1993 г.), научно-технической, конференции «Масличные семена, масла, жиры: перспективы совершенствования техники и технологии производства (Санкт-Петербург, 1993); Международной научной конференции «Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности» (Краснодар, 1994 г.), Международной конференции «Научно-технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК» (Москва, 1995 г.), Международной научно-технической конференции «Прикладная биотехнология на пороге XXI века» (Москва, 1995 г.), научной конференции «Агротехнические исследования'в контексте европейской* интеграции» (Ольстин, 1995 г.), IV международном симпозиуме «Экология человека: пищевые технологии и продукты» (Москва-Видное, 1995 г.), Между народной і научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек» (Москва, 1995 г.),.Пятом Международном конгрессе «Листовой протеин-96» (Ростов-на-Дону, 1996 г.), Международной научно-практической конференции «Люпин и амарант — источники новых пищевых и диетических продуктов» (Санкт-Петербург, 1996), Всероссийской конференции «Современные достижения, биотехнологии» (Ставрополь, 1996= г.), Четвертой Всероссийской; научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999 г.); научно-практическом семинаре «Безопасность, экология, энергосбережение» (Гизель-Дере, 2001).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 61 печатной работе, в том числе в одном патенте, двух монографиях,
14 учебном пособии в двух частях и тезисах докладов на 15 конференциях международного и всероссийского уровня.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка использованной литературы из 204 наименований, в том числе 61 на иностранных языках. Работа содержит 323 страницы машинописного текста, 27 иллюстраций, 94 таблицы и приложения.
Автором разработана концепция ресурсосберегающей комплексной переработки вегетативных органов сельскохозяйственных растений на основе их влажного фракционирования, гидромеханической обработки клеточного сока, утилизации депротеинизированного коричневого сока силосованием пресс-остатка, биоконверсии и приготовления кормов из растительных отходов. Установлены закономерности коагуляции хлоропластных и цитоплазма-тических фракций белков при гидромеханическом воздействии на клеточный сок из вегетативной массы, определены параметры и режимы получения белковых препаратов для повышения качества и экологической безопасности кормов и продуктов питания. Автору принадлежит планирование работы, выбор основных направлений, методов и объектов исследований, проведение экспериментов, обработка и анализ их результатов,
