Введение к работе
Актуальность работы. Концепция «функционального питания» с каждым годом приобретает все большее распространение. В России рынок продуктов этой группы постоянно растет. Основным его сегментом являются кисломолочные продукты, введение в которые компонентов, относящихся к группе пребиотиков, усиливает положительный эффект на здоровье человека и коммерческую привлекательность продукции. Однако производство данных компонентов в нашей стране развито в недостаточной степени. Одной из задач, стоящих перед современной биотехнологией, является создание энергосберегающих малоотходных технологий комплексной переработки возобновляемого, в частности, растительного сырья с получением биологически-активных веществ, в том числе, относящихся к группе пребиотиков.
Среди ряда других веществ к группе пребиотиков относят фруктаны – инулин и фруктоолигосахариды (ФОС) [Gibson et al.,1995], которые входят в состав таких растений как девясил, цикорий, топинамбур, чеснок, эхинацея и ряд других, в основном, относящихся к семейству Сложноцветных [Lingyun et al., 2007, Wack et al., 2006 и др.]. В нашей стране имеется богатый опыт по выращиванию топинамбура. Получены сорта топинамбура с высокой урожайностью в нечерноземной полосе, например в условиях Верхневолжья сорт «Скороспелка» дает урожай до 35 т/га [Королева, 2009]. Урожай клубней в южной полосе России может составлять до 50 т/га [Голубев и др., 1995]. Клубни топинамбура при сборе урожая в конце сентября – начале октября содержат до 20 % инулина и ФОС.
Распоряжением правительства Российской Федерации от 31 июля 2013 г. № 1356-р одобрен проект Программы Союзного государства «Инновационное развитие производства картофеля и топинамбура», предусматривающей, в том числе, разработку инновационных технологий производства топинамбура, а также технологий и оборудования для получения продуктов питания, инулина, топливных добавок, кормов из него. Особый интерес может представлять технология комплексной переработки топинамбура с получением и инулина, и продукта для животноводства. При этом в качестве альтернативного способа выделения фруктанов может быть применена ультразвуковая экстракция, получившее в последнее время широкое распространение при выделении БАВ из растительного сырья [Акопян и др., 2005, Мартинсон, 2005].
Одной из проблем, возникающих при переработке растительного сырья, является отсутствие возможности полного извлечения БАВ за одну ступень экстракции. Уникальность топинамбура состоит в том, что образующийся после экстракции твердый отход (жом) содержит фруктаны, стимулирующие рост и повышающие стабильность пробиотических микроорганизмов, благодаря чему он может быть использованы в качестве основного компонента при производстве пробиотиков для животноводства. Известно, что пробиотики оказывают сильнейшее позитивное воздействие на здоровье и продуктивность сельскохозяйственных животных и птиц, особенно при введении в рацион с первых дней жизни [Пышманцева, 2012]. Поэтому продукт для животных, содержащий пробиотические микроорганизмы, будет иметь большую коммерческую привлекательность по сравнению с традиционными кормами.
Цель настоящей работы: разработать малоотходную технологию комплексной переработки топинамбура с получением фруктанов и пробиотического продукта для животных.
Для выполнения цели были сформулированы следующие задачи исследования:
изучить кинетику экстракции фруктанов из клубней топинамбура путем непрямого ультразвукового воздействия и определить оптимальные значения гидромодуля, температуры и кислотности экстрагента;
определить оптимальные условия удаления пигментных примесей из экстракта с помощью сорбентов (активированного угля различных марок и ионообменных смол), а также мембранных методов (ультрафильтрации);
предложить оптимальную схему очистки экстракта и проанализировать состав получаемого продукта с помощью физико-химических методов анализа (ЯМР-спектросопии);
подтвердить возможность глубинного гетерофазного культивирования молочнокислых бактерий (МКБ) на питательной среде, содержащей в качестве основного компонента твердый остаток после экстракции (жом топинамбура);
провести скрининг штаммов лактобактерий, а также обосновать оптимальный для получения пробиотического продукта состав питательной среды, содержащей жом клубней топинамбура, и условия культивирования;
исследовать воздействие жома в качестве компонента питательной среды на стабильность культуры МКБ при хранении и стрессовых воздействиях;
рассмотреть влияние бактериальных ауторегуляторов – алкилоксибензолов (АОБ) на стабильность МКБ, полученных путем глубинного гетерофазного культивирования в присутствии жома клубней топинамбура;
провести технико-экономическую оценку предлагаемой технологии.
Научная новизна. Изучено влияние гидромодуля, температуры и рН экстрагента на выход фруктанов при водной экстракции из клубней топинамбура с помощью непрямого ультразвукового воздействия, а также кинетика экстракции при всех значениях рассмотренных параметров.
Впервые изучены различные методы (ультрафильтрационные и сорбционные) очистки от пигментных примесей экстракта, полученного из клубней топинамбура с помощью ультразвуковой экстракции, и представлено научное обоснование оптимального способа их удаления. Структура фруктанов была подтверждена методом ЯМР-спектроскопии.
Впервые показано, что внесение в питательную среду для глубинного гетерофазного культивирования МКБ твердой фазы в виде жома, образующегося после первой ступени экстракции фруктанов из клубней топинамбура, повышает стабильность жизнеспособных клеток при длительном хранении (8 недель, 5 C), а также их устойчивость к стрессовым воздействиям (прогрев 50С, 15 мин; замораживание-оттаивание). Установлено, что при внесении АОБ, в особенности C12-АОБ, в суспензии МКБ, полученные на питательной среде, содержащей жом, устойчивость клеток к воздействию указанных факторов увеличивается.
Практическая значимость. Разработана комплексная малоотходная технология переработки клубней топинамбура в условиях лаборатории. Даны практические рекомендации по созданию опытно-промышленной установки, позволяющей получить фруктаны, а также пробиотический продукт для животных с высоким содержанием живых клеток МКБ.
Установлено, что применение ультразвука для экстракции фруктанов из клубней топинамбура позволяет снизить температуру экстракции на 10-15 C и сократить продолжительность процесса до 15 мин. Предложен способ, позволяющий полностью удалить пигментные примеси из полученного экстракта путем его фильтрации через полисульфонамидную мембрану с порогом удержания 20 кДа с последующей обработкой фильтрата активированным углем марки ОУ-А.
Подобраны оптимальные условия глубинного гетерофазного культивирования МКБ на питательной среде, содержащей жом клубней топинамбура. Получены лабораторные образцы пробиотического продукта для животных на основе культуры Lactobacillus plantarum, содержащие не менее 1,0109 КОЕ/мл клеток МКБ.
На основании полученных результатов проведена технико-экономическая оценка предлагаемой технологии исходя из расчетной мощности производства 2 000 тонн/год по перерабатываемому сырью.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на IV, VI, и VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития». (Москва, 2007, 2011, 2013): XXII Международной конференциии молодых ученых по химии и химической технологии («МКХТ-2008», Москва); VI Международной молодежной научной конференции «Научный потенциал XXI века» (Ставрополь, 2012); Международной научно-практической конференции «Биотехнология: Реальность и перспективы в сельском хозяйстве» (Саратов, 2013); Международной научно-практической конференции «Наука в современном информационном обществе» (2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей описание объектов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 207 наименований, в том числе 90 иностранных авторов. Основной текст работы изложен на 200 страницах машинописного текста, включает 16 таблиц, 31 рисунок. Диссертация содержит 3 приложения.
