Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Торф в условиях Беларуси является не только доступным местным топливом, но и исходным сырьем для производства многих видов продукции, необходимой сельскому хозяйству: компостов, мелиорантов, кассет для рассады, органоминеральных удобрений, питательных субстратов и тепличных грунтов. В последние годы гумуссодержащие ископаемые вовлекаются в сферу производства биологически активных препаратов (БАП), которые активизируют обменные процессы в живой клетке, способствуя повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Известные технологические решения по производству БАП на основе гу-муссодержащего сырья базируются в основном на извлечении свободных гу-миновых веществ (ГВ) из торфа, бурого угля путем их выщелачивания, что не позволяет эффективно использовать сырье.
В ИПИПРЭ НАН Б разработаны технологические приемы получения гу-миновых препаратов, действующим веществом которых являются не только модифицированные ГВ, но и частично меланоидины (МЛ), образующиеся при взаимодействии углеводов и азотсодержащих соединений торфа.
Однако процесс меланоидинообразования применительно к продуктам гидролитической деструкции торфяного и растительного сырья не изучен, что не позволяет наряду с ГВ использовать МЛ, хотя их ростстимулирующее действие является установленным фактом.
Учитывая острую потребность сельского хозяйства республики в доступных экологобезопасных регуляторах роста, а также тот факт, что после аварии на Чернобыльской АЭС во многих регионах запрещено применение химических стимуляторов, разработка экологически чистых эффективных БАП гуми-ново-меланоидиновой природы на основе местного сырья представляется важной задачей, а тема настоящей диссертации, направленной на решение этих вопросов - своевременной и актуальной.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований в области естественных наук Национальной Академии Наук Республики Беларусь «Биосферносов-местимые технологии 09» (1996-2000 гг., № госрегистрации 19962289), планом научных исследований по Республиканской научно-технической программе Академии Аграрных наук Республики Беларусь «Детское питание» (1993-1996 гг., № госрегистрации 19963323), по плану фундаментальных исследований Академии Аграрных наук Республики Беларусь (1999-2000 гг., № госрегистрации 2000190).
Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы - научное обоснование и разработка технологических основ получения биологически активных
2 препаратов гуминово-меланоидиновой и меланоидиновой природы и проверка их эффективности на различных сельскохозяйственных культурах и в лесном хозяйстве.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решить следующие задачи :
выявить влияние азотсодержащих добавок и технологических параметров процесса кислотно-щелочного гидролиза торфа на химический состав и биологическую активность гидролизатов;
исследовать влияние природы химических реагентов, их концентрации и рН среды на интенсивность процесса меланоидинообразования;
определить оптимальные условия процесса получения регулятора роста растений гуминово-меланоидиновой природы «Аминогумат»;
изучить возможность получения БАП на основе гемицеллюлозсодер-жащего сырья - ростки солода;
разработать способ и технологию получения регулятора роста растений гуминово-меланоидиновой природы «Аминогумат» и меланоидинового регулятора роста растений «Мальтамин»;
получить опытные партии препаратов и уточнить технологические параметры их производства на опытно-промышленной установке;
разработать нормативно-техническую документацию на препараты и технологии их производства;
провести полевые и производственные испытания новых регуляторов роста в различных отраслях растениеводства.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является природное гумус- и гемицеллюлозеодержащее сырье - торф, ростки солода, дрожжевая крошка.
Предмет исследования - их направленная химическая модификация с целью получения БАП гуминово-меланоидиновой и меланоидиновой природы.
Объектами исследования являлись также продукты последовательного кислотно-щелочного гидролиза торфа с различными добавками.
Методология и методы проведенного исследования. При выполнении экспериментальной части работы использованы как традиционные, так и оригинальные аналитические, химические, физико-химические и биохимические методы исследований.
В основу исследований компонентного состава торфа была положена методика Раковского - Вернер.
Для характеристики полученных продуктов использовали физико-химические и химические методы исследования : фотоколориметрию, спектрометрию, хроматографию, поляриметрию. Для оценки биологической активно-
сти были привлечены биохимические методы тестирования, основанные на определении всхожести, цитокининовой и гиббереллиновой активности и др.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые предложен новый способ совместной гидролитической деструкции торфа различной степени гумификации и растительных отходов, богатых свободными аминокислотами.
Впервые на модельных системах изучено меланоидинообразование с участием соединений различного химического строения, выявлены основные факторы, влияющие на процесс образования МЛ.
Установлено, что синтез МЛ наиболее интенсивно протекает в щелочной среде в интервале температур 90-120сС и с участием азотсодержащих соединений, имеющих в своем строении фенольную функциональную группу или несколько аминогрупп.
Впервые определен интервал концентраций азотсодержащих соединений, при котором меланоидинообразование возрастает многократно.
Впервые предложен способ последовательного кислотно-щелочного гидролиза гемицеллюлозсодержащего сырья — ростков солода для получения биологически активного препарата меланоидиновой природы.
Практическая значимость полученных результатов. Разработан способ и технология производства высокоэффективного регулятора роста растений гу-миново-меланоидиновой природы, позволяющий использовать в качестве сырья торф различного уровня гумификации и неутилизуемые отходы пищевой промышленности. Научно обоснованы оптимальные условия процесса, при которых выход препарата достигает 85-88 % от ОМ сырья, тогда как в известных технологических решениях он не превышает 70 %.
На опытной установке проведена проверка предложенных технологических режимов получения нового препарата гуминово-меланоидиновой природы, результаты которой использованы при разработке временного технологического регламента на его производство.
Разработан оригинальный способ и технология производства нового БАП меланоидиновой природы на основе ростков солода. Способ защищен патентом РБ Х 3425.
Совместно с Белорусским научно-исследовательским санитарно-гигиеническим институтом МЗ РБ выполнена токсиколого-гигиеническая оценка нового БАП, выявившая его безвредность для окружающей среды и здоровья человека.
Оформлены и утверждены постоянно действующие технические условия «Препарат биологически активный Мальтамин-ЛХ» (ТУ РБ 00280198.037-2000).
Совместно с научно-исследовательскими институтами Академии Аграрных наук РБ проведены полевые и производственные испытания новых препаратов в хозяйствах Беларуси при возделывании зерновых, овощных, технических культур и картофеля. Установлено, что применение аминогумата и мальтамина позволяет повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 10-30 % при одновременном улучшении качества получаемой продукции. На основании результатов комплексных исследований получено разрешение Гос-химкомиссии Министерства сельского хозяйства и продовольствия РБ на применение мальтамина в растениеводстве.
На ОАО «Лесохимик» (г. Борисов) организовано производство мальтами-на-ЛХ, который используется в лесном хозяйстве.
Предложена ресурсосберегающая технология переработки торфа, позволяющая из 1 т исходного сырья влажностью 50 % получить 4,8 т высокоэффективного регулятора роста растений с концентрацией действующих веществ до 12 %. Выход гуминовых препаратов по известным технологиям в 1,5-2 раза ниже.
Регуляторы роста, получаемые по предлагаемым технологиям, можно отнести к разряду импортозамещающей продукции. Стоимость одного килограмма аминогумата составляет 0,3 $, мальтамина - 0,2 $, тогда как импортируемых БАП 10-20 $. Поэтому их применение в сельском и лесном хозяйствах республики позволит существенно сэкономить валютные ресурсы.
Использование новых регуляторов роста в дозах 2-3 кг/га обеспечивает без изменения технологии возделывания сельскохозяйственных культур повышение их урожайности на 10-30 % при одновременном улучшении качества получаемой продукции. Это свидетельствует о том, что применение аминогумата и мальтамина является высокорентабельным и экономически целесообразным.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Научное обоснование совместной гидролитической деструкции торфа и гемицеллюлозеодержащего сырья для обогащения продуктов меланоидинами
Закономерности меланоидинообразования с участием углеводов и азотистых соединений различного химического строения
Способы и технологии производства новых БАП «Аминогумат» и «Мальтамин»
Оценка химического состава биологически активного комплекса аминогумата и мальтамина и особенностей его биологического действия на растения.
Личный вклад соискателя. Соискателем проведены исследования процесса меланоидинообразования в модельных системах, изучено влияние различных факторов на интенсивность протекания реакции Майяра. Определены оптимальные условия совместной гидролитической деструкции торфа и азотсо-
5 держащих добавок, разработаны способы получения регуляторов роста растений «Аминогумат» и «Мальтамин».
Изучен биологически активный комплекс аминогумата и мальтамина, выявлены особенности их стимулирующего воздействия на растения (цитокини-новая и гиббереллиновая активность), а также на качество получаемой сельскохозяйственной продукции (содержание сухого вещества, крахмала, витаминов, нитратов).
Организован выпуск опытно-промышленных партий новых препаратов, уточнены технологические параметры их производства.
Разработка технологии получения мальтамина-ЛХ, нормативно-технической документации и внедрение препарата в производство было осуществлено совместно с сотрудниками лаборатории химии и химических технологий твердого топлива; полевые и производственные испытания - совместно со специализированными научно-исследовательскими институтами Академии Аграрных наук РБ.
Апробация результатов диссертации. Результаты научных исследований по теме диссертации доложены на Международной научной конференции «Регуляторы роста растений» (Москва, 1997 г.), Международной научной конференции «Актуальные проблемы современного картофелеводства» (Минск, 1997 г.), Международной научной конференции «Экология и молодежь» (Гомель, 1998 г.), 4 Европейской конференции по биотехнологии (Германия, Потсдам, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Овощеводство на рубеже третьего тысячелетия» (Минск, 2000 г.), а также на других совещаниях и научных семинарах.
Опубликованность результатов. Результаты научных исследовании по теме диссертации защищены 1 патентом РБ, представлены в 1 заявке на изобретение, а также опубликованы в 5 научных статьях, б тезисах научных конференций, 2 статьи находятся в печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, списка использованных литературных источников и приложений.
