Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор
1.1. Ботанико-морфологическая характеристика 10
1.2. Общие сведения о возделывании тунговых деревьев 21
1.3. Химический состав тунговых плодов и семян и получаемых при их переработке продуктов 25
1.3.1. Масло тунга 25
1.3.2. Химический состав семян 28
1.3.3. Белки тунга 29
1.4. Технология переработки тунговых плодов и семян 33
1.4.1 .Послеуборочная обработка плодов 33
1.4.2. Технология переработки плодов и семян тунга 37
1.5 Токсичные соединения тунговых семян и продуктов их переработки 39
2. Методическая часть 45
2.1. Характеристика объектов исследования 45
2.2 Методы исследования 46
2.3 Математико-статистический анализ экспериментальных данных 50
3.Результаты исследований 53
3.1. Химический состав семян и их тканей 53
3.2. Фракционный состав белков семян 54
3.3 Токсичность белковых фракций 55
3.4. Ферментативная модификация покровных тканей плодов тунга 56
3.4.1. Влияние ферментации плодов на качество масла 59
3.4.2. Влияние ферментации на белковый комплекс 60
3.5.Влияние проращивания семян тунга на их токсичность 61
3.6, Влияние ограниченного самосогревания на токсичность 71
3.7. Влияние тепловой подсушки семян тунга на их качество 72
3.8. Влияние химических реагентов на токсичные компоненты белков тунга 75
3.9. Изменение токсичности тунговых жмыхов при хранении 78
3.10. Разработка усовершенствованной технологии послеуборочной обработки семян тунга 81
4. Использование обезвреженного жмыха в кормовых продуктах 86
Выводы и рекомендации 94
Список использованной литературы 96
Приложение 111
- Химический состав тунговых плодов и семян и получаемых при их переработке продуктов
- Математико-статистический анализ экспериментальных данных
- Ферментативная модификация покровных тканей плодов тунга
- Разработка усовершенствованной технологии послеуборочной обработки семян тунга
Введение к работе
Ряд растений имеет в своем составе разнообразные токсичные вещества. Среди токсичных соединений накапливаемых в семенах и плодах наибольшее значение имеют токсичные белки [99, 127, 148 ]. Наиболее известны токсичные белки семян клещевины, важнейшим из которых является токсичный белок рицин [ 11, 99, 100 ]. Сведения о токсичных соединениях плодов и семян тунга подтверждены исследованиями многих авторов, хотя о химической природе токсичных соединений тунга и принадлежности их к классу белков мнения исследователей расходятся [ 79 ].
В составе семян тунга содержится уникальное по своим техническим характеристикам растительное масло, широко применяемое в различных отраслях техники из-за способности давать прочную химически стойкую пленку [ 93 ]. Родиной тунга является Китай, где тунг известен в диком виде. Культурные плантации тунга как масличного растения, возникли в США с 1905 г., а в 1932 г. была получена первая промышленная партия тунгового масла (27 тонн). В России плантации тунга появились в 1929 г. [ 27, 28]. Производство тунга в последующие годы бурно росло, примерно до середины прошлого столетия. Затем, в связи с появлением синтетических пленко-образователей, плантации тунга стали сокращаться. Попытка использовать в кормовых целях второй продукт, получаемый при извлечении тунгового масла из семян - тунговый жмых и шрот - не удалась из-за высокой токсичности. Основное его применение в настоящее время - в качестве азотсодержащего удобрения [ 79 ].
Высокое содержание, в семенах тунга, кроме растительного масла, до 20-24 % белков, в составе которых высокое содержание незаменимых аминокислот, определяет перспективность разработки технологии обезвреживания тунговых жмыхов и шротов.
В связи с этим актуальным является исследование природы токсично- * сти тунга и разработка способа детоксикации белков тунговых семян, полу- чаемых в качестве вторичных продуктов после извлечения из семян масла, — из жмыхов или шротов. Это позволило бы расширить сырьевую базу для получения кормовых белков для сельскохозяйственных животных.
Перспективность исследований в этой области возрастает в связи с прогнозируемым возрастанием потребности в тунговом масле для автомобиле- и самолетостроения из-за растущего дефицита и стоимости синтетиче- ских материалов аналогичного назначения, производимых на основе нефти.
В этих условиях тунговое масло, являющееся в отличие от нефти восполняемым видом исходного сырья для получения пленок, лаков и красок, имеет безусловное преимущество и следует ожидать расширения плантаций тунгового дерева и возрастания производства тунговых семян в странах и областях, где по климатическим условиям плантации тунга возможны.
В настоящее время такими являются Черноморское побережье Абхазии и Краснодарского края. Все изложенное подтверждает обоснованность и актуальность иссле- дований токсичного комплекса тунговых плодов и семян с целью разработки способа получения из семян и продуктов их переработки обезвреженного нетоксичного высокобелкового кормового продукта.
Химический состав тунговых плодов и семян и получаемых при их переработке продуктов
Тунговое дерево дает семена, важнейшим и наиболее ценным компонентом которых является тунговое жирное масло. Тунговое масло непищевое; его техническое применение обусловлено присутствиемj в его составе уникальной а-элеостеариновой кислоты, составляющей от 72 до 82 % от общей суммы жирных кислот в составе триацилглицеролов [ 48 ]. Масло полностью созревших семян тунга Форда и.Кордата состоит из преимущественно однокислотных (простых) триацилглицеролов, небольшого количества1 свободных жирных кислот и ряда структурных л ипидов, состав которых зависит от качества семян и.способа извлечения масла [ 49 ]; В со ставе триацилглицеролов тунгового масла преобладает а-элеостеариновая; кислота, содержащая 18 атомов углерода и три двойные связи, расположен ные в сопряженных положениях через два атома углерода, образуя связи 9 (цис), 11 (транс) и 13 (транс): Элеостеариновая кислота в других растениях кроме тунга встречается в нескольких изомерных формах, которые являются геометрическими изомерами. а-Форма имеет строение 9-цис, И-транс-и 13-транс; а Р-форма 9-транс, 11-транс, 13-цис. Под действием света и, особенно, ультрафиолетовых лучей а-форма элеостеариновой кислоты превращается в р-форму. Количество превращенной р-форму жирной кислоты зависит от времени и степени освещенности слоя масла.
Обратный переход в а-форму может быть осуществлен путем нагревания [ 34, 48, 89 ]. а-Элеостеариновая кислота — белое, твердое плоско-кристаллическое вещество с температурой плавления 40-44 С, затвердения - 31 -37 G, йодное число 145-160. Р-Элеостеариновая кислота — более тугоплавкое белое плоскокристаллическое вещество с температурой плавления 61-62. Обе кислоты легко окисляются на воздухе, причем а-форма окисляется легче. Свежеполученное масло плодов в основном состоит из триацилглице-ролов жирных кислот, других веществ содержится около 4 %, из которых не-омыляемых липидов 0,5-1,0 %. Количество структурных липидов и нем ы-ляемых липидов зависит от качества исходных семян и технологии получения масла. Жирно-кислотный состав тунгового масла из семян тунга Форда (% от содержания суммы жирных кислот) в составе триацилглицеролов приведен ниже [110.]: Масло из семян тунга Кордата несколько отличается по жирно-кислотному составу от масла тунга Форда — в масле из семян тунга Кордата содержание олеиновой кислоты Cig:i выше и составляет т 15 до 20 % суммы жирных кислотна содержание элеостеариновой кислоты соответственно ниже. Меньшее содержание жирной кислоты с сопряженными двойными связями увеличивает время, необходимое для полимеризации и образования маслом разветвленных прочных молекул полимеров. Если масло тунга Форда дает твердую массу через несколько минут, то масло тунга Кордата требует для затвердения примерно 5 часов. Физико-химические характеристики тунгового масла приведены в таблице 4. Значительно меньше исследований посвящено белковому комплексу тунговых семян. Анализируя изменение фракционного состава белков семян тунга Форда при созревании плодов, Д;И. Хурцилава [101 ] приводит следующие данные (таблица 7). Таблица 7 - Изменение азотосодержащих веществ семян тунга. К сожалению, при определении фракционного состава белков тунга, автор применил нетипичные растворители, завысив концентрацию щелочи при извлечении щелочерастворимых белков.
Это привело к завышенному содержанию . щелочерастворимых белков;в семенах; тунга и ошибочному заключению, что в семенах тунга в отличие от семян других масличных растений . основным, по; массе компонентом: запасных белков семян і являются ще-лочерастворимые глютелины. По данным Д,И; Хурцилавы, белки тунга составляют до 90-95 % азотсодержащих веществ ядра семян, доля небелкового азота закономерно снижается [103], Согласно данным Е.Н; Тарана, накопление белковых веществ в семенах тунга Форда при созревании продолжается до опадения плодов и составляет до 18 % сухой массы ядра (таблица 8). Как следует из таблицы, отложение белков в семенах продолжается на-протяжении всего периода созревания плодов. Д .И. Хурцилава методом -хроматографии на бумаге обнаружил в щелочерастворимом белке, который он считал основным запасным белком семян, 16 аминокислот и амидов [ ..104 ]. Аналогичные данные по аминокислотному составу для общего белка семян и коммерческого шрота из семян тунга (без указания на вид тунга) приведены ниже [ 79 ]:
Как следует из приведенных данных, аминокислотный состав тунговых шротов выгодно отличается от аминокислотного состава шротов из других масличных семян, используемых в качестве кормов — в шротах из семян тунга более высокое содержание незаменимых аминокислот. Состав тунгового жмыха по данным Ф.А. Вишнепольской (ВНИИЖ) представлен в таблице 10 [ 83, 84 ]. Анализируя данные химического состава тунговых жмыхов и шротов, следует отметить, что из-за высокой способности к полимеризации тунгового масла, суммарные липиды в тунговых жмыхах и шротах должны включать помимо веществ растворимых в диэтиловом эфире и определяемых стандартным методом в аппарате Сокслета, также продукты полимеризации тунгового масла, возникающие под влиянием высоких температур неизбежных при отжиме или экстракции масла из семян, труднорастворимые в диэтиловом эфире, и извлекаемые данным растворителем только после предварительной обработки щелочью, за вычетом количества их, содержащихся в семенах, из которых получены жмыхи или шроты. Обращает внимание высокое содержание белков в жмыхе тунга (в таблице 10), установленное исследованиями, проводимыми во ВНИИЖе, по сравнению с данными других авторов. Такое высокое содержание белка может быть получено только при переработке семян тунга, практически свободных от покровных тканей, что в практике работы реального предприятия труднодостижимо. Состав шрота из семян тунга Форда по данным Холмса и Мак-Кинни) (таблица 11)
Математико-статистический анализ экспериментальных данных
Эксперименты проводили согласно методу полного факторного планирования [ 74 ]. Для получения достоверных результатов экспериментальные данные были подвергнуты корреляционно-регрессивному и дисперсионному анализу на ЭВМ по методике [ 17]. Для выявления связи между исследуемыми параметрами и определения закономерности процессов, использовали статистический метод обработки результатов экспериментальных данных, основанный на определении статистических средних показателей степени варьирования. Для получения результатов с заданной точностью определяли необходимое число повторностей опыта, для чего один из опытов повторяли 10 раз, по результатам рассчитывали коэффициент вариации по формуле: где ро — показатель точности опыта (ро = 2-5 %). Полученные экспериментальные данные представляли в виде где Х- среднеарифметическая величина; х- ошибка среднеарифметической.
Оценку сущности различий между средними оценивали с помощью критерия Стьюдента по формуле: Как и у других масличных растений белки у тунга локализованы в ядре семян, семенная оболочка состоит преимущественно из целлюлозы и других полисахаридов. Массовая доля белка в оболочке на порядок ниже по сравнению с ядром. Химический состав семян тунга и их тканей приведен в таблице 15. Приведенные в таблице 15 данные позволяют заключить, что белки в ядре семян тунга составляют от 1/4 до 1/5 массы сухого вещества, уступая по массовой доле только липидам. Таким образом, семена тунга по массовой доле запасных белков сравнимы с семенами клещевины (17,0-29,1%), подсолнечника (14,0-19,5%), но уступают семенам сои (27-46%). Семена тунга превосходят по массовой доле белка семена пшеницы (10-15%), риса (5-11%) и других злаковых растений [32]. Таблица 15 -Химический состав семян тунга и их тканей, % на св.
Ферментативная модификация покровных тканей плодов тунга
Анатомическое строение покровных тканей плодов тунга существенно затрудняет при промышленной переработке отделение прочной плодовой оболочки от семян и требует применения специальных видов технологического оборудования. Во многом это обусловлено тем, что традиционная технология послеуборочной обработки плодов тунга предусматривает обязательное снижение высокой влажности свежесобранных плодов до уровня ниже критической влажности для последующего устойчивого хранения плодов. В тоже время снижение влажности плодов приводит к существенному возрастанию механической прочности их покровных тканей, осложняя последующую операцию отделения плодовой оболочки от семян.
Проведенные нами предварительные исследования показали (рисунки 7 и 8), что, если создать для хранящихся в насыпи плодов тунга условия, исключающие снижение влажности и температуры, например, уменьшив теп-лопотери путем укрытия плодов травой, листвой или другими теплоизолирующими материалами, то в насыпи плодов начинается самосогревание и уже через 5 суток плодовая оболочка тунга размягчается и может быть отделена от семян; без больших механических усилий, даже вручную (таблица 17).
Как следует из проведенных опытов, уже на 5 день регулируемого самосогревания или ферментации механическая прочность оболочки снижается настолько, что однократный пропуск через дисковую дробилку ДЦМ-2 с максимально отжатыми дисками позволяет получить практически свободные от плодовой оболочки целые семена. Таблица 17 - Влияние продолжительности контролируемого самосогревания плодов тунга Форда на механическую прочность плодовой оболочки
Сохранение свежеубранными плодами высокой влажности в условиях повышенных температур, оптимальных для работы их ферментов, а также ферментов микрофлоры, присутствующей на поверхности плодов, сопровождалось изменением качества семян [112].
Наиболее заметным изменениям, как и при самосогревании семян других масличных растений подвергался липидный комплекс семян тунга. Под действием липолитических ферментов липазы и липоксигеназы происходил гидролиз липидов и окисление свободных жирных кислот. Аналогичным по характеру изменениям подвергался и белковый комплекс семян. Активиро вание протеолитических ферментов привело к росту небелкового азота и снижению доли воды и солерастворимых белков. Как показали исследования, ферментация влажных плодов сопровождалась гидролизом ТАГ и окислением жирных кислот - возрастанием кислотного и перекисного чисел тунгового масла (таблица 18).
Основываясь на данных таблицы 18 самосогревание должно быть прекращено при достижении величины перекисного числа не более 10 ммоль V-2 О/кг масла. Таким образом, наиболее безопасным, допустимым для сохранения качества масла следует считать продолжительность ферментации не более 4 суток. Необходимо контролировать температуру плодов, не допуская повышения температуры до 30 С, которая свидетельствует о переходе процесса роста температуры в самоускоряющуюся стадию самосогревания. Рост кислотного числа также должен быть ограничен 5 сутками.
Уже начальные стадии самосогревания плодов привели к протеолизу запасных белков. По мере самосогревания возрастала доля небелкового азота и уменьшался азот альбуминов. Наибольшее снижение азота водо- и солерастворимых фракций произошло на 5 день самосогревания, составившее от до 28% от исходного, возрастание доли небелкового азота составило от 10 до 16%.
На всех стадиях процесса самосогревания или ферментации альбуминовый азот расходовался быстрее, чем глобулиновый. В то же время щелоче-растворимый азот или глютелиновая фракция белкового комплекса практически не изменялся, и только к 8 дню самосогревания начался заметный гидролиз щелочерастворимых белков.
Изучение гидролиза запасных белков семян при регулируемом ограниченном самосогревании или ферментации показало, что протеолиз различных групп белков имеет много общего с протеолизом белков в прорастающих семенах. Как следует из работ А.Д.Шутова [ 86 ] в прорастающих семенах масличных растений, протеолизу предшествует так называемый «лаг-период», продолжительность которого для большинства семян около трех суток, и только после этого начинается гидролиз модифицированных в течение «лаг-периода» запасных белков. В основе «лаг-периода» отщепление от молекулы белка низкомолекулярного полипептида, в результате которого изменяется пространственная структура белка и он становится доступным для гидролиза собственными протеиназами. Мы предположили, что изменение структуры белков тунга при проращивании снизит их токсичность, и белки могут быть использованы в кормовых целях.
Исследования по проращиванию вели с семенами тунга Форда. По сравнению с другими масличными семенами, семена тунга являются медленно прорастающими - продолжительность прорастания составляет от 30 до 35 суток. Перед проращиванием семена увлажняли расчетным количеством воды и затем помещали в растильни в термостате ТС-80-М-2.
Прорастающие семена периодически отбирали в количестве 10 штук, подсушивали, измельчали, обезжиривали гексаном на холоду и затем определяли в обезжиренном остатке общий белок и токсичность по тест-организму Tetrachyraena pyryphormis (таблица 19).
Как следует из полученных данных, в процессе прорастания массовая доля суммарных белков (суммарного азота) в семенах имеет максимум в середине периода прорастания. Снижение массовой доли белка в семенах коррелирует с уровнем их токсичности и к концу прорастания токсичность семян снижается, хотя и не становится нулевой.
Возрастание массовой доли белка в середине периода прорастания и соответствующее увеличение токсичности, по-видимому, является результатом дополнительного синтеза белка в прорастающих семенах. Аналогичные результаты были получены А.М.Соболевым [ 86, 87, 88 ] на прорастающих семенах клещевины. В отличие от наших данных, им установлена практически полная детоксикация белков семян клещевины, наступившая к концу прорастания.
Разработка усовершенствованной технологии послеуборочной обработки семян тунга
Корма - это специально приготовленные, физиологически приемлемые для сельскохозяйственных животных продукты, содержащие в доступной форме необходимые животному питательные вещества. К кормам относятся продукты растительного, животного и минерального происхождения, содержащие органические и минеральные вещества. Ассортимент кормов, применяемых в современном животноводстве, очень разнообразен и характеризуется разнообразным составом и свойствами. К сожалению, среди большого разнообразия кормов нет таких, которые содержали бы,все необходимые питательные и биологически активные вещества, необходимые для нормального роста и развития животных. Так, растительные корма содержат белков значительно меньше, чем требуется животным при интенсивном их развитии, корма животного происхождения богаче белками, но производится их гораздо меньше. Рациональным решением является технология, основанная на составлении разных смесей кормов — технология комбикормового производства, производящая комбинированные корма или комбикорма.
Жмыхи и шроты, образующиеся при переработке масличного сырья, являются одними из основных белково-содержащих видов сырья в комбикормовой промышленности. Они широко используются в рецептурах комбикормов многих видов сельскохозяйственных животных - крупного рогатого скота (КРС), птицы, рыбы и т.д.
При составлении рецептуры комбикормов важным является расчет общей питательной ценности по содержанию кормовых единиц (или обменной энергии), массовой доли протеина, энерго-протеиновое отношение (ЭПО), содержание липидов и клетчатки. Минеральный состав комбикормов подсчитывают по количеству натрия, калия, кальция, фосфора; аминокислотный состав — по количеству незаменимых аминокислот лизина, метионина, цис-тина, триптофана [ 79 ].
Анализ литературных источников показал, что тунговый жмых и шрот отличаются высоким содержанием белковых веществ. Проведенные экспериментальные исследования позволили разработать технологию, при использовании которой можно получить нетоксичный тунговый жмых. Учитывая, что предварительно ОБІД белков тунга и их токсичность нами оценивались только по тест-организму Tetrachymena pyryphormis, на завершающем этапе работы были проводены сравнительные оценки аминокислотного состава белков и минерального состава жмыхов из наиболее распространенных видов масличного сырья, а также были проведены производственные испытания по кормлению разработанными кормовыми продуктами цыплят-бройлеров.
Результаты сравнительной оценки аминокислотного состава жмыхов некоторых видов масличного сырья представлены на рисунках 11 и 12. Как следует из представленных данных, тунговый жмых наиболее близок по аминокислотному составу клещевинному жмыху (рисунок 11). Однако в тунговом жмыхе, в отличие от клещевинного, установлено более высокое содержание таких незаменимых аминокислот как лизин, лейцин, фенил ал а-нин, треонин и валин. Остальные аминокислоты содержаться примерно в равных количествах.
Учитывая, что такие виды жмыха как подсолнечный и соевый широко применяются в комбикормовой промышленности, проводили сравнение массовой доли незаменимых аминокислот и с этими видами жмыха (рисунок 12). Установлено, что по аминокислотному составу тунговый жмых не уступает подсолнечному жмыху по содержанию таких аминокислот как аргинин, лейцин, треонин, валин, фенилаланин, а соевому жмыху - по содержанию аргинина, лейцина, метионина, фенилаланина, треонина и валина.
Проведенный анализ позволил предположить возможность использования обезвреженного тунгового жмыха в таких же кормовых рационах, как и жмых клещевины при скармливании крупному рогатому скоту, рыбе и определенным видам птицы.
Как известно, все жмыхи масличных растений богаты азотом и фосфором и поэтому являются хорошим удобрением. Отмечено, что азот жмыхов действует на растения несколько слабее азота селитры, но зато его действие продолжительнее, жмых в почве легко разлагается и затем хорошо усваивается растениями.
Известны работы, свидетельствующие, что наибольшее распространение получили в качестве удобрений жмыхи, ограниченно используемые на кормовые цели, такие как клещевинный жмых. Отмечается, что по усвояемости растениями азот клещевинного жмыха почти равен селитре. Прибавка в урожаях от клещевинного жмыха равняется 75..85% прибавки от селитры. Норма внесения - 0,7 до 1 т на 1 га. Аналогичные данные получены и для тунгового жмыха.
Содержание минеральных элементов или золы в масличных семенах значительно, оно в 1,8...2,2 раза выше, чем в семенах других культур. Содержание минеральных элементов в отдельных тканях плодов и семян неравноценно. Так, в ядре большинства семян масличных семян зольных элементов больше, чем в семенной и плодовой оболочке. В процессе переработки в масло переходит не более 2...3% от общей суммы металлов, содержащихся в семенах, достаточно высокое количество минеральных веществ остается в жмыхе (таблица 25).
Как следует из таблицы 25, для всех видов рассматриваемых масличных культур в золе жмыха в наибольшем количестве содержится фосфор, на втором месте - калий, оксиды которого вместе с Р2О5 составляют до 70...75% золы. Остальных элементов в золе жмыхов меньше.
Для сравниваемых жмыхов, полученных из различных масличных культур, тунговый жмых по составу золы близок к клещевинному жмыху, незначительно превышая его показатели по всем компонентам минерального состава. При сравнении с соевым, тунговый жмых содержит значительно больше соединений фосфора и магния. По содержанию окислов магния тунговый жмых превышает и подсолнечный жмых.
Учитывая, что в составе тунгового жмыха остается определенное количество масла, было проведено определение наиболее токсичных продуктов окисления в масле, выделенном из жмыха. Полученные спектрограммы приведены в ПРИЛОЖЕНИИ. Для всех образцов жмыха из плодов разных лет урожая содержание продуктов окисления не превышало установленных предельно допустимых концентраций, что позволило рекомендовать использование жмыха тунга для замены части подсолнечного жмыха в рецептурах комбикормов.
