Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из перспективных направлений мирового научно-технического прогресса в области изыскания новых материалов биологического происхождения за последние три десятилетня является изучение свойств хитина, хитозана н их производных, а также способов их получения и применения.
Потенциальные источники хитина многообразны и широко распространены в природе. Хитин по химической природе очень похож на целлюлозу, но если целлюлозу легко добывать из древесины и другого растительного сырья, то хитин, входящий в состав панцирей ракообразных, рассеян в мировом Океане и его сбор в промышленных масштабах связан с утилизацией отходов переработки промысловых ракообразных. Общая репродукция хитина в мировом Океане оценивается в 2,3 млрд.т в год, что может обеспечить мировой потенциал его производства в объеме ISO - 200 тыс т в год. В России массовым источником хитинсодержащего сырья являются промысловые крабы на Дальнем Востоке, а также северная розовая креветка и акклиматизированный в Баренцевом море камчатский краб. Панцири речных раков, мелкие рачки гаммарусы я талетриды, обитающие во внутренних водоемах нашей страны и подмор медоносных пчел также могут стать полноценным источником хитозана. Высококачественным сырьем считается антарктический криль (Euphausia st/perba Dana), промысловые скопления которого только в Южной Атлантике составляют около 35 млн. тонн, а возможные объемы ежегодного вылова могут составлять от 1,5 до 4,0 млн. тонн [В.П.Быков,1995].
Значительный вклад в исследования в области изучения хитина и хитозана из панциря ракообразных внесли ученые: Быков B.FL, Сафроиова Т.М., Рогожин СВ., Гамзазаде А.И., Варламов В.П, Албулов А.И., Быкова В.М., Вихорева Г.А., Феофилова Е. П., Маслова Г.В., Нудьга Л.А., Плиско Е.А. и другие исследователи, работы которых направлены на изучение свойств хитина и
хитозана, способов их получения из некоторых видов сиркя ц при-пг'1т"тт-ir-"~~*
рГАУ-МСХА
имени К.А. Тимирязева ЦНБ имени НИ. Железном Фонд научный %^gP)V
различных областях промышленности и хозяйства. Однако, в большинстве случаев, получение хитина и хитозана рассматривалось как средство утилизации отходов производства, имеющее ограниченное применение в пределах того или иного промыслового бассейна. Вместе с тем, комплексная технология получения хитина и хитозана, основанная на применении биотехнологических и химических процессов и позволяющая полностью перерабатывать панцирь промысловых ракообразных должна обеспечивать получение из любого доступного хитинсодержащего сырья (ХСС) хитина и хитозана с определенными воспроизводимыми показателями, а также и белковых продуктов кормового я технического назначения.
Учитывая снижение в России общего объема добычи рыбы и нерыбных объектов, рациональное использование водных биологических ресурсов, а также разработка и реализация комплексной технологии его переработки с изготовлением пищевой, кормовой, технической продукции и биологически активных веществ является актуальным направлением в развитии рыбохозянственного комплекса России. (Концепция развития рыбного хозяйства РФ па период до 2020 г.)
Комплексное использование панциря добываемых ракообразных позволит решить проблему загрязнения районов промысла отходами переработки, в том числе панцирем, который в настоящее время практически не используется.
Работа выполнялась в соответствии с отраслевой комплексной целевой программой «Криль», а также при поддержке гранта РФФИ ИННО № 02-04-08054, 2002 г.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в разработке научно обоснованной комплексной технологии хитина и хитозана из панциря промысловых ракообразных и другого хитинсодержащего сырья с применением ферментативных процессов, обеспечивающей его безотходную переработку и позволяющей получать хитин и хитозан с заданными свойствами, а также пищевые добавки и средства защиты растений, и белковые продукты кормового и технического назначения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработать единый концептуальный подход к разработке и реализации технологии комплексной переработки панциря промысловых ракообразных и другого хитинсодержащего сырья.
-
Разработать методику исследований и разработки комплексной технологии хитина и хитозана из панциря промысловых ракообразных и другого хитинсодержащего сырья, включающую:
- изучение техно-химических показателей различных видов хитинсодержащего
сырья и обоснование способов их переработки для получения хитина я хитозана
различного назначения;
исследование технологических процессов денротеинировакия и деминерализации ХСС с применением ферментных препаратов микробиального и животного происхождения;
исследование процессов деацетиллроваяня хитина из различных видов ХСС и
обоснование рациональных режимов деацетилирования для разных хитинов;
- изучение процесса растворения хитина в щелочи пря замораживании-
размораживании и разработка технологии выделения хитозана из щелочных
растворов хитина (ЩРХ);
разработку способов механической, химической и ферментативной деградации
хитозана для получения водорастворимой основы средств защиты растений.
3. Разработать технологию получения ннзкомолекулярного хитозана к средств
защиты растений на его основе.
4. Исследовать биологическую активность хятозанов по повышению
болезнеустойчивости и стимуляции роста сельскохозяйственных растений.
5. Разработать нормативную документацию на хитозан и продукцию на его
основе.
Научная новизна работы. Разработана концепция комплексной технологии хитина и хитозана из панциря промысловых ракообразных, обеспечивающей полную безотходную его переработку, позволяющую получать хитин, хитозан с заданными свойствами, средства защиты растений и биологически активные
добавки к пище, а также белковые продукты кормового и технического назначения.
Научно обоснованы принципы заготовки и первичной обработки хитннсодержащего сырья из дальневосточных крабов, северной розовой креветки, антарктического криля и других видов ХСС.
Сформулированы и экспериментально подтверждены принципы регулирования процессов депротеинирования и деминерализации ХСС — использование технологических подходов на основе применения ферментных препаратов протеииаз микробиального и животного происхождения.
Обосновано новое направление переработки панциря мелких ракообразных я кутикулы насекомых с получением хитин-белкового комплекса, белковых гндролнэатов и белковых паст с использованием на стадии депротеинирования слабых растворов щелочи и ферментных препаратов, обеспечивающих сохранение природных свойства биополимеров.
- Обоснованы параметры процесса получения хитозана из щелочных растворов
хитина' в широком диапазоне температур, позволяющие регулировать его
основные характеристики.
- Установлены и обоснованы рациональные параметры процессов механической,
химической и ферментативной деградации хнтоэана при получении средств
защиты растений и технологии их применения на различных культурах.
Впервые разработана и апробирована в промышленных условиях комплексная
технология хитина и хитозаяа из подмора пчел на основе ферментативных
способов депротеинирования хитина и деградации хитозана.
- Новизна технических решений подтверждена 5 авторскими свидетельствами
СССР и патентами РФ.
Научные положення, аывоснмые на защиту:
Концептуальный подход к технологии переработки ХСС как комплексному
использованию сырьевых ресурсов промысловых ракообразных (крабов, креветок,
антарктического криля) и других источников ХСС для получения хитина,
хитозана и белковых продуктов.
«
Закономерности взаимосвязи степени ДП хитина и способов активации
ферментолиза.
- Закономерности изменения основных характеристик хитозана от условий
деацетилнровання в широком диапазоне температур.
Совокупность технологических решений переработки ХСС от заготовки ХСС до
получения хитина, хитозана и белковых продуктов на основе ферментативных
процессов;
Технология изготовления и применения препаратов на основе хитозана для
регуляции роста и защиты от болезней сельскохозяйственных растений.
Практическая значимость работы. На основании анализа и обобщения
результатов научных и экспериментальных исследований разработаны н внедрены
в производство:
комплексная технология хитина и хитозана из антарктического криля н северной
розовой креветки;
- комплексная технология хитина и хитозана из карапакса дальневосточных
промысловых крабов;
технология хитозана с регулируемыми показателями для применения в пищевой,
промышленности, фармацевтике и сельском хозяйстве;
- технология получения средств защиты растений на основе деградированного
хитозана.
Разработанные технологии позволяют обеспечить комплексное безотходное использование панциря промысловых ракообразных и другого хитинсодержашего сырья, а также выпуск высококачественной продукции, что подтверждено актами производственной проверки, разработанной нормативной документацией, авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.
Реализация результатов исследования. На основании результатов исследований разработаны и утверждены: ТУ 15-04-545-87 и ТИ 534-88 «Панцирь криля мороженый. Полуфабрикат для промышленной переработки»; ТУ 15-04546-87 в ТИ 535-88 «Концентрат панциря криля мороженый»; ТУ 15-04-663-91 и ТИ 637-91 «Хитин-беяковый комплекс»; ТУ 64-14-170-89 «Хитин»; ТУ15-16-13-93 «Хитозан
кальцинированный (зольный)»; ТУ 15-16-14-93 «Хитозан»; ТУ 15-16-17-93 «Хитозан»; ТУ 9289-004-40627737-97 «Хитозан пищевой. Технологическая и профилактическая добавка для пищевых продуктов.»; ТУ 2387-001-40627773-96 «Нарцнсс-93 (Водорастворимая композиция на основе хитозана)»; ТУ 2387-003-4067737-96 «Связующий компонент для комбикормов КХ-18 (композиция на основе хитозана)»; ТУ 8944-002-40627737-96 «Сорбент ХБК-ЩК капсулированый, на основе хитин-белкового комплекса»; ТУ в ТИ 9289-001-44162258-98 «Хитозан пищевой»; ТУ и ТИ 9289-002-11418234-99 «Хитозан низкомолекулярный пищевой»; ТУ 9289-017-00038155-00 «Биологически активная пищевая добавка «ХитАН»; ТУ и ТИ 9289-005-00038155-01 «Пояихит»; ТУ 2449-001-18681615-02 «АГРОХИТ, ВР (40 г/л, лактат хитозония)»
Разработанные технологии хитина, хитозана и продукции на их основе реализованы:
НПО «Питательные среды», г. Махачкала, освоен промышленный выпуск
хитина, зольного хитозана, хитозана пищевого И пептидно-аминокислотного
гидролизата для питательных сред микробиологического назначения;
- ЗАО «Рыболовецкий колхоз Восток-1», г. Владивосток и ЗАО «Восток-Бор», г.
Дальнегорск Приморского края, где освоен промышленный выпуск хитина и
хитозана из карапакса дальневосточных крабов для производства средств защиты
растений;
- ЗАО «Восток-МДГ», г. Зеленоград, освоен промышленный выпуск
порошкообразного сельскохозяйственного препарата на основе хитозана и
органических кислот для стимулятора роста и индуктора болезнеустойчивости
растений «Нарцисс»;
ЗАО «Бнопрогресс», г. Щелково Московской обл., где освоен выпуск хитозана
низкомолекулярного пищевого, стимулятора роста и индуктора
болезнеустойчивости растений «АгроХит», а также производство ВАД «ХитАн» и
«Полихит» на основе хитозана пищевого.
Личный вклад автора заключается в разработке концепции, формулировании и постановке целей и задач, обосновании способов их решения, непосредственном
планировании и проведении экспериментальных работ, анализе и обобщении результатов исследований и биологических испытаний, организации и непосредственном проведении опытно-промышленных испытаний и промышленной реализации разработок комплексной технологии использования ХСС, а также частичное участие в разработке состава и испытании препаратов для зашиты растений и БАД, участия в разработке патентов, написании статей и монографии.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Третьей Всесоюзной конференции «Совершенствование производства хитина и хитозана из панцирьсодержащих отходов криля и пути их использования» (Москва, 1992), Всесоюзной конференции «Разработка и производство препаратов медицинской биотехнологии» (Махачкала, 1992), Международной конференции «Технология переработки гидробионтов» (Москва, 1994), Четвертой Всероссийской конференции «Производство и применение хитина и хитозана» (Москва, 1995), Пятой международной конференции "Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана" (Москва - Щелково, 1999), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 30-летию ВНИТИБП «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» (Щелково, 2000, 2003), Научной конференции «Фитотерапия, лазеротерапия, биологически активные вещества естественного происхождения (БАВЕП) в XXI в» (Черноголовка, 2000, 2001, 2002), 37* International Apicultural Congress "APIMONDIA 2001й (Durban, South Africa, 2001), 3"1 International Symposium on Chitin Enzymology (Senigallta, Italy, 2001), Ш семинаре-совещании «Современные технологии и перспективы использования экологически безопасных средств защиты растений а регуляторов роста» (Анапа, 2001). 8* Workshop of Polish Chitin Society (Lodz, Poland, 2001), Шестой международной конференции «Новые достижения в исследовании хитина и хитозана» (Москва - Щелково, 2001), 5"* Asia Pacific Chitin - Chitosan symposium (Bangkok, Thailand, 2002), Первой Всероссийской конференции по иммунитету растений к болезням и вредителям (Санкт-Петербург, 2002), 9* Workshop of Polish Chitin Society (Krakow, Poland, 2002), Международных конференциях «Морские
прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки» (Москва - Голицыно, 2002; Архангельск 2005), Первом Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2002), Всероссийской научно-технической конференция-выставки с международным участием «Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питання» (Москва, 2002), 5-th Asia Pacific Chitin and Chitosan Symposium. Advances in Chitin Science (Thailand, Bangkok, 2002), XII Conference of the Section for Biological Control of Plant Diseases Polish Phitopathological Society "Chitosan and Other Natural Compounds in the Control of Plant Diseases'* (Skiemiewice, Poland, 2003), Седьмой Международной конференции Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана, (Репино, Санкт-Петербург, 2003 г.), Seventh Asian Apiculmral Association Conference and Tenth BEENET Symposium and Technofora. Bees for New Asia (University of the Philippines Los Bands, 2004), 6* International Conference of the European Chitin Sociery (BUCHIS'04), 2004, Poznan, Polska.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 75 работах, в том числе б авторских свидетельствах и патентах РФ. Разработанные препараты награждены 4 медалями «Лауреат ВВЦ» и одной серебряной медалью Международной выставки «Атшондия — 2001», г. Дурбан, ЮАР. Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, обзор литературы, методическую и экспериментальную части, выводы, список использованной литературы и приложения. Работа изложена на 269 страницах основного текста, содержит 86 таблиц, 45 рисунков, ссылки на 247 литературных источников. В приложениях приведены ТИ и ТУ, акты выпуска продукции, патенты и авторские свидетельства, протоколы испытаний продукции, экспертные заключения.
