Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время во всем мире остро стоит проблема утилизации бытовых отходов. В Российской Федерации ежегодно образуется свыше 50 млн. т твердых бытовых отходов, из них 35% приходится на бумагу и картон. Комбинированная упаковка Тетра Пак представляет собой ценное вторичное сырье (75% картона, 21% полиэтилена, 4% алюминия), которое крайне нерационально, как с экономической, так и с экологической точек зрения, закапывать в землю и сжигать. Важным направлением современной биотехнологии является эффективное использование возобновляемых источников вторичного сырья (отходы целлюлозно-бумажной промышленности, сельского хозяйства и бытовые отходы) для получения ценных кормовых и пищевых продуктов и решения экологических проблем.
В то же время важнейшей проблемой современного общества является обеспечение продовольственными белковыми ресурсами. Наряду с интенсификацией сельского хозяйства и освоением ресурсов Мирового океана, опыт показывает эффективность использования методов микробиологического синтеза в решении этой проблемы.
Настоящая работа посвящена разработке комплексной технологии переработки картонной упаковки, позволяющей получить ряд продуктов, таких как ферментные препараты (например, целлюлазы), белково-углеводные концентраты для применения в пищевой промышленности и кормопроизводстве, препараты-стимуляторы роста растений для сельского хозяйства.
Степень разработанности проблемы. Важный вклад в развитие методов микробиологического синтеза для решения проблемы дефицита белковых веществ при использовании целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства, лесной и пищевой промышленности внесли Л.К. Эрнст, Л.А. Иванова, М.В. Гернет, Е.Г. Борисенко.
Г.И. Воробьевой, И.М. Грачевой, А.П. Синицыным, А.Г. Лобанком, Н.Б. Градовой разработаны способы эффективной переработки целлюлозосодержащего сырья, включающие комплексную переработку, получение ферментных препаратов, белоксодержащих продуктов кормового и пищевого назначения. Анализ имеющихся литературных данных выявил проблемы, существующие в данной области и позволил сформулировать цели и задачи настоящего исследования.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состояла в разработке эффективной, научно обоснованной технологии комплексной переработки картонной составляющей упаковок Тетра Пак для получения кормовых белково-углеводных, пробиотических продуктов, пищевых белково-углеводных концентратов, ферментных препаратов и стимуляторов роста растений.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- оценка биохимического состава исходного сырья для определения его пригодности к
переработке и определение эффективных условий его предобработки;
разработка биотехнологии ферментного препарата целлюлазы, позволяющего осуществлять деградацию картона, на основе нового перспективного штамма микроорганизма, выделенного в результате скрининга;
определение эфективных условий расщепления картона до легкоусваиваемых редуцирующих веществ с использованием полученного препарата целлюлазы;
оптимизация режима глубинного культивирования богатых белком дрожжей с использованием полученных ферментолизатов картона в качестве источника углерода;
разработка технологии белково-углеводного концентрата пищевого назначения на основе очистки дрожжевой биомассы, выращенной на гидролизатах картона, от липидов и нуклеиновых кислот;
разработка режимов твердофазного культивирования микроскопических грибов на средах с картоном для получения кормового белково-углеводного концентрата;
- изучение возможности обогащения полученного ранее кормового белково-углеводного
концентрата пробиотическими микроорганизмами;
- разработка технологии препарата - стимулятора роста растений на основе
твердофазного культивирования микроорганизмов на средах с картоном.
Научная новизна работы. На основании исследования биохимического состава отходов картонной упаковки и проведенного скрининга микроорганизмов показана целесообразность утилизации картона методами биологической конверсии.
В результате направленного скрининга микроорганизмов отобран новый штамм-продуцент комплекса целлюлолитических ферментов. На основании изучения совокупности морфологических, культуральных, физиолого-биохимических и филогенетических характеристик штамм идентифицирован как Aspergillus sp.4-2-10.
Впервые на основе лабораторных исследований и полученных зависимостей накопления новым штаммом Aspergillus sp.4-2-10 целлюлазной активности от условий культивирования этого штамма, параметров выделения и очистки ферментного препарата, дано научное обоснование технологии нового препарата целлюлазы.
Экспериментально обоснованы режимы предподготовки и ферментативного гидролиза отходов картонной упаковки с использованием полученного на основе культивирования Aspergillus sp.4-2-10 препарата целлюлазы.
Оптимизированы параметры глубинного культивирования дрожжей P. anomala 9а-48 на ферментолизате целлюлозосодержащего сырья. Экспериментально обоснованы эффективные условия экстракции липидов и нуклеиновых кислот из биомассы дрожжей P. anomala 9а-48 с
целью получения пищевого белково-углеводного концентрата.
На основе выявленных зависимостей накопления протеина консорциумом микроскопических грибов от условий культивирования и состава консорциума, разработана биотехнология обогащенного пробиотиками кормового белково-углеводного продукта.
Выявлено стимулирующее влияние консорциума микроскопических грибов, выращенных на картонсодержащих питательных средах, на рост и развитие растений.
Практическая значимость работы. Проведенные лабораторные исследования явились основой для создания новой комплексной технологии переработки отходов картонной упаковки с целью получения ряда препаратов биологически активных веществ. С использованием математических методов планирования экспериментов были оптимизированы основные значимые параметры процессов и разработаны технологии кормового и пищевого белково-углеводных концентратов, ферментного препарата целлюлазы и препарата стимулятора роста растений на основе биоконверсии картонной составляющей упаковок Тетра Пак.
Разработанная комплексная технология позволяет не только получить полезные продукты, но и решить экологическую проблему утилизации трудноразлагаемых отходов.
На готовые продукты разработана следующая нормативно-техническая документация: технические условия и лабораторные регламенты на изготовление кормового белково-углеводного продукта, пищевого белково-углеводного концентрата, ферментного препарата целлюлазы 4-2-10 Г10Х.
На основе наиболее продуктивного штамма Aspergillus sp.4-2-10, полученного в результате скрининга микроорганизмов-продуцентов целлюлаз, разработана биотехнология препарата целлюлаза 4-2-10 Г10Х и произведена наработка опытной партии в ЗАО «Фармацевтическая фирма «Лекко». Результаты подтверждены актом о наработке (утверждены заместителем генерального директора ЗАО «Фармацевтическая фирма «Лекко» 05.04.2013).
Произведена наработка опытной партии пищевого белково-углеводного концентрата в ООО «Юнайтед Бевериджис Груп». Результаты подтверждены актом о наработке (утвержден генеральным директором ООО «Юнайтед Бевериджис Груп» 26.05.2013).
Подана заявка № 2013143716 от 30.09.2013 на выдачу патента РФ «Способ получения биомассы микроорганизмов».
По результатам лабораторных испытаний определены основные направления практического применения разработанных продуктов: создание обогащенных белком пищевых и кормовых продуктов, препаратов стимуляторов роста растений.
В производственных условиях ООО «ТД «Акатуй» осуществлено изготовление хлебобулочных изделий с введением в их рецептуру пищевого белково-углеводного концентрата. Показана возможность двукратного повышения содержания протеина в хлебе без
потери потребительских качеств. Результаты подтверждены актом испытаний (утвержден заведующим производством ООО «ТД «Акатуй»).
Методология и методы исследований. Исследования выполнены по стандартным методикам с использованием современных микробиологических, химических и физико-химических методов исследования.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Технология целлюлолитического ферментного препарата: новый перспективный целлюлазоактивный штамм гриба Aspergillus sp.4-2-10; оптимальный состав питательной среды для культивирования микроскопического гриба Aspergillus sp.4-2-10; эффективные условия получения препарата целлюлазы на основе культивирования микроскопического гриба Aspergillus sp.4-2-10; эффективные условия гидролиза упаковочного картона с использованием нового ферментного препарата целлюлазы.
-
Технология пищевого белково-углеводного концентрата из биомассы дрожжей, выращенных на ферментолизате картона: перспективный штамм дрожжей P. anomala 9а-48, способный накапливать биомассу с высоким содержанием белка на питательной среде с ферментолизатом картона; оптимизированный состав питательной среды для глубинного культивирования дрожжей P. anomala 9а-48; эффективные условия экстракции липидов и нуклеиновых кислот из биомассы дрожжей; возможность применения пищевого белково-углеводного концентрата из биомассы дрожжей в рецептурах пищевых продуктов.
3. Технология кормового белково-углеводного концентрата: консорциум грибов, активно
разрушающий целлюлозу и накапливающий белок в биомассе; состав питательной среды для
культивирования консорциума грибов; обогащенный пробиотическими микроорганизмами
кормовой белково-углеводный концентрат.
4. Технология препарата-стимулятора роста растений: консорциум грибов,
стимулирующих рост растений; эффективность применения стимулятора роста растений при
выращивании сельскохозяйственных культур.
Степень достоверности результатов. Все измерения проводились не менее чем в трех повторностях. Результаты экспериментальных исследований обработаны с помощью Microsoft Office Excel 2007. В диссертационной работе представлены средние результаты с достоверностью 95%.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Российских и международных конференциях и симпозиумах: ГХ Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2011 г.); Международной конференции «Биология - наука XXI века» (Москва, 2012 г.); II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием
«Биотехнология в интересах экологии и экономики Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ, 2012 г.); Международной конференции «Научные основы производства и обеспечения качества биологических препаратов для АПК» (Москва, 2012 г.); конгрессе «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, 2013 г.); Международной конференции «Vietnam National Workshop on Biotechnology» (Ханой, 2013).
На международной выставке-конференции инновационных решений для воспроизводства, функционирования и целесообразного развития живых организмов и среды их обитания «БИОИНДУСТРИЯ 2012» результаты разработок отмечены золотой медалью.
За разработку «Стимулятор роста растений» на 1-й международной научно-практической конференции-выставке "Планирование и обеспечение подготовки и переподготовки кадров для отраслей пищевой промышленности и медицины" получен Диплом I степени.
На XIII Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи результаты разработок отмечены Дипломом.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, библиографического списка, включающего 186 источников (в том числе 65 зарубежных), и 6 приложений. Работа изложена на 230 страницах машинописного текста, включает 33 таблицы и 54 рисунка.
