Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Комплексная технология переработки некондиционного зерна как исходная стадия биотехнологических производств

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Комплексная технология переработки некондиционного зерна как исходная стадия биотехнологических производств"



На п и

005019133

ГЕРМАН ЛЮДМИЛА СЕРГЕЕВНА

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕКОНДИЦИОННОГО ЗЕРНА КАК ИСХОДНАЯ СТАДИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 б длр 2012

Москва-2012

005019133

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет инженерной экологии» (МГУИЭ) на кафедре «Экологическая и промышленная биотехнология»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бирюков Валентин Васильевич

Официальные оппоненты: Авчиева Пенкер Бабаевна

доктор технических наук, профессор Генеральный директор ООО «Здоровье и красота»

Воробьева Галина Ивановна доктор биологических наук, профессор заведующая лабораторией сельскохозяйственной биотехнологии ОАО ГосНИИсинтезбелок

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств (МГУПП)

объединенного диссертационного совета ДМ 212.204.13 в Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., 9, конференц-зал (к.443).

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Защита диссертации состоится «22» мая 2012г. в

на заседании

Автореферат диссертации разослан «_.> апреля 2012г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ДМ 212.204.13

Шакир И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

85% территории РФ находится в зоне рискованного земледелия. Ежегодно в связи с погодными условиями в разных регионах нашей страны образуется от 8 до 15млн тонн некондиционного зерна с содержанием белка менее 10%. Часто это зерно не вывозят с полей и оно гниет, нарушая экологию, ухудшая и без того катастрофичную картину по увеличению парникового эффекта. Некондиционное зерно не используется в пищевой промышленности из-за низкого содержания белка, не обладает необходимыми хлебопекарскими свойствами, поэтому не подходит для производства муки. Как основа корма для сельскохозяйственных животных - не может быть использовано без внесения добавок, компенсирующих недостаток белка.

Некондиционное зерно используется при производстве спирта. Однако, в настоящее время большая часть спиртовых заводов закрыта, т.к. в технологическом цикле не предусмотрена переработка послеспиртовой барды.

Некондиционное зерно может быть использовано для получения крахмала и различных паток. На территории РФ развито производство крахмала из картофеля, есть предприятия, перерабатывающие кукурузу. Отрасль переработки некондиционною зерна в крахмал и патоки в настоящее время в РФ только начинает развиваться.

Комплексная технология переработки некондиционного зерна в стандартизованное сырье для культивирования различных микроорганизмов - продуцентов биологически активных веществ, разрешила бы многие проблемы дальнейшего развития биотехнологии в нашей стране, попутно решая экологические проблемы, связанные с некондиционным зерном.

Цель н задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка технологии переработки крахмалсодержащего зернового сырья в компоненты питательной среды для культивирования различных микроорганизмов и биосинтеза биологически активных веществ.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологию переработки крахмалсодержащего растительного сырья в компоненты питательной среды для культивирования микроорганизмов.

2. Изучить основные зависимости, влияющие на выход крахмала и белка по предлагаемой схеме переработки зерновых культур.

3. Исследовать процесс ферментативного гидролиза крахмала и белка для получения компонентов питательной среды в качестве источника углерода и органического азота.

4. Разработать технологию переработки супернатанта зерновой суспензии после дробления зерна и фракционирования зерновой пульпы с последующим его применением для культивирования микроорганизмов.

5. Разработать способ получения пищевых волокон и сырья для модификации целлюлозы из зерновых оболочек (шелухи).

6. Разработать технологии процессов ферментации биологически активных веществ на питательных средах, полученных в процессе переработки некондиционного зерна и провести их апробацию.

Научная новизна работы Определены основные закономерности процесса влажного дробления крахмалсодержащего растительного сырья - некондиционной пшеницы и тритикале (зависимости процессов разделения суспензии зерновых на фракции от вида зерновой культуры, рН суспензии, типа роторно-пульсационного аппарата и фактора разделения).

- Предложено использовать в качестве углеводной части ферментационных сред ферментолизат крахмала и определены значения технологических параметров, обеспечивающих оптимизацию процессов ферментолиза для крахмала пшеницы и тритикале.

- Разработана технология получения зернового супернатанта и показано, что этот продукт может быть использован в качестве эффективного ростового фактора в процессах культивирования микроорганизмов.

- Предложено использовать также в качестве ростового фактора ферментолизат зернового белка и изучено влияние технологических параметров на процесс ферментолиза белка.

- Разработана технология переработки зерновых оболочек с получением пищевых волокон и сырья для модификации целлюлозы.

- Разработаны и испытаны альтернативные технологии биосинтеза асгаксантина и Ь-лизина, использующие в качестве углеводной и азотистой части ферментационных сред продукты переработки зерна.

Практическая ценность работы

На основании проведенных исследований разработан опытно-промышленный регламент переработки крахмалсодержащего растительного сырья, опытно-промышленный регламент получения кристаллического Ь-лизина монохлоргидрата, лабораторный регламент получения белково-витаминной добавки, содержащей астаксантин.

Разработанная технология использована в Чувашии (г.Шумерля) на опытно-промышленной установке по переработке зерна и производству Ь-лизина.

4

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на VII и VIII Всероссийски выставках научно-технического творчества молодежи НТТМ 2007 и 2008 (работа отмечена золотой медалью); XI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21»; Международной химической ассамблее «ICA-2008», 2-й Биотехнологической выставке-ярмарке «РосБиоТех-2008» (работа удостоена медали); V Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» Москва, 2009, (работа удостоена медали Конгресса).

Публикации

По материалам диссертации опубликовало 7 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, а также получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает: введение, обзор литературы, описание объектов, материалов и методов исследования, 7 глав, в которых изложены результаты экспериментов и их обсуждение, выводы, список цитируемой литературы, содержащий 132 наименования.

Материал изложен на 236 страницах, содержит 85 рисунков, 53 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Обоснована актуальность темы, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая ценность, приведены сведения о личном вкладе соискателя.

Глава 1.Состоянне сырьевой базы микробиологических производств

Рассмотрены традиционные источники углеводов и органического азота, используемые в ферментационных средах, существующие аспекты применения и способы переработки некондиционного крахмалсодержащего зернового сырья. Рассмотрено применение продуктов переработки зернового сырья для биосинтеза биологически активных веществ. Сформулированы основные направления исследований настоящей работы.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Объекты исследования: партии некондиционной пшеницы из Чувашии, партии пшеницы 5-го класса из Мордовии, партии тритикале из Воронежской области.

Штаммы-продуценты: штамм Phaffia rhodozyma ВКПМ Y-2228 - продуцент астаксантина, штамм-продуцеит L-лизина Corynebacterium gluíamicum «BIGOR-55».

5

Дробление зерна проводили на роторно- пульсационных аппаратах РПА с разной величиной зазора между режущими частями производства «ЭНА» (Россия), S-эмульгатор (РПА с ультразвуковой системой, Казань).

Разделение зерновой суспензии на фракции осуществляли на центрифуге «Thermo Jouan C4i» (Франция). Отделение зерновых оболочек проводили на соковыжималке «Bork» (Германия) и ситах с размером ячеек от 5мм до 0,05мм производства «Евролаб» (Санкт-Петербург). Механическое воздействие на крахмально-белковую суспензию производили верхнеприводной мешалкой «Kika-Werke RW16 basic».

Ферментативный гидролиз крахмала и белка проводили в колбах на качалке «New Brunswick Scientific» (США), в стеклянных стаканах объемом 400мл на магнитной мешалке с регулируемым подогревом «VELP scientific VTF» (Германия), в лабораторном биореакторе «АКА» (Пущино) объемом Зл, в аппарате вместимостью 30л «Сарториус» (Латвия).

Переработку зерновых оболочек проводили в стеклянных стаканах объемом 400мл на магнитной мешалке с регулируемым подогревом «VELP scientific VTF» (Германия), в лабораторном биореакторе «АКА» (Пущино), в аппарате вместимостью 30л «Сарториус» (филиал фирмы «Сарториус», Латвия).

Сушку пищевых волокон проводили на лабораторной распылительной сушильной установке PC-20, (РФ), сушилке в фонтанирующем слое СФС-10 (РФ), вакуум-сушилке (Биохиммашпроект, РФ).

Исследование процесса культивирования продуцента L-лизина на питательных средах, полученных при переработке крахмалсодержащего зернового сырья, осуществляли в колбах объемом 250мл на качалке «New Brunswick Scientific» (США), в аппаратах «Bioflo» 110, вместимостью 1л «New Brunswick Scientific» (США), в аппарате вместимостью Юл «Toioden» (Япония).

Исследование процесса культивирования продуцента астаксантина на питательных средах, полученных при переработке крахмалсодержащего зернового сырья проводили в колбах объемом 250мл на качалке «New Brunswick Scientific» (США), в лабораторном фотобиореакторе вместимостью Зл с внутренним осветительным устройством и гибким перемешивающим устройством типа «беличье колесо».

Контрольно-аналитические методы.

Анализ размера частиц в суспензии и скорость их оседания проводили при соответствующем разведении проб на оптическом седиментаторе « Horiba» (Япония).

Гранулометрический состав зерновых оболочек определяли ситами с размером ячеек от 5мм до 0,05мм производства «Евролаб» (Санкт-Петербург).

6

Вязкость неньютоновских жидкостей - крахмально-белковой суспензии и клейстеризованного крахмала в процессе ферментативного гидролиза определяли на вискозиметре Реотест-2 (РФ).

Величину рН определяли с помощью рН-метра Эксперт 001 «Биос» (РФ). Концентрацию белка в крахмально-белковой суспензии и при ферментолизе белка определяли пересчетом величины общего азота, определенного по методу Къельдаля, общее количество свободных аминокислот определяли по методу Лоури.

Концентрацию аминокислот в фермеитолизате белка и в культуральной жидкости в процессе биосинтеза Ь-лизика определяли методом тонкослойной хроматографии в системе изопропанол / аммиак / вода с последующим проявлением 0,5% раствором нингидрина в ацетоне и компьютерным количественным определением после сканирования хроматограммы.

Оптическую плотность культуральной жидкости определяли на фотоэлектроколориметре КФК-2.

Для определения количества биомассы продуцентов использовали метод построения калибровочной кривой, полученной измерением оптической плотности при последовательном разведении отделенной центрифугированием и промытой водой биомассы продуцентов.

Концентрацию крахмала определяли после полного гидролиза крахмала 20%-ной серной кислотой по модифицированному методу Бертрана-Шоорля. Концентрацию глюкозы в ферментолизатах крахмала определяли по модифицированному методу Бертрана-Шоорля без предварительного гидролиза.

Спектр и количественный состав ферментолизатов крахмала определяли тонкослойной хроматографией в системе этил-ацетат / изопропанол / вода с последующим проявлением 0,5% раствором нингидрина в ацетоне и компьютерном количественном определении после сканирования хроматограммы.

Концентрацию пятиатомных Сахаров и пентозанов (после гидролиза 20% серной кислотой) определяли методом тонкослойной хроматографии в системе этил-ацетат / изопропанол / вода с последующим проявлением орциновым проявителем.

Планирование экспериментов и статистическая обработка данных.

При определении оптимального состава питательных сред, оптимальных условий окисления зерновых оболочек использовали ортогонально-решетчатые планы (латинских прямоугольников) проведения экспериментов, планы Бокса-Вилсона и крутого восхождения.

Дисперсию воспроизводимости по выходному показателю (концентрации продукта, влагоудерживающей способности, выходу глюкозы и мальтозы) определяли усредненно для всех опытов по схеме планирования экспериментов.

Глава 3. Разработка базовой схемы технологии переработки некондиционного зерна в компоненты питательных сред для культивирования микроорганизмов. Стадии фракционирования компонентов

В работе предложена модифицированная технология переработки некондиционного зерна. Технология включает следующие стадии:

- предобработка зерна - мойка и увлажнение зерна;

- влажный размол зерна - гидро-механо-акустическим способом на роторно-пульсационном аппарате;

- фракционирование зерновой пульпы - первичное отделение зерновых оболочек, промывка зерновых оболочек водой, вторичное отделение зерновых оболочек, первичное центрифугирование объединенной крахмально-белковой суспензии (объединяется крахмально-белковая суспензия после первого отделения зерновых оболочек и промывка зерновых оболочек), корректировка рН оставшейся крахмально-белковой суспензии и механическое воздействие на нее, вторичное центрифугирование крахмально-белковой суспензии;

- получение углеводной части питательных сред - ферментативный гидролиз крахмала, выделенного на двух стадиях центрифугирования;

- получение зернового белка и его гидролизата - разбавление белковой фракции водой, центрифугирование полученной суспензии, ферментативный гидролиз белка, сушка белка, ферментолизата белка;

- получение зернового супернатанта - фракционирование зерновой пульпы, упаривание жидкой фракции, оставшейся после всех операций..

3.1. Гидро-механо-акустический способ измельчения зерна В спиртовой промышленности при применении гидро-механо-акустического способа дробления зерна используется принцип максимального измельчения зерна.

Этот способ неприемлем для фракционирования зерновой пульпы. Для переработки зерна, включающей дальнейшее фракционирование зерновой пульпы на крахмал, белок и супернатант, необходимо найти оптимальный размер частиц зерна после дробления, обеспечивающий отделение зерновых оболочек с минимальным количеством остаточного крахмала и белка.

При размере частиц после размола (влажных зерновых оболочек) 5мм и более в них остается до 15% крахмала от общего количества в зерне и доизвлечение крахмала

8

затруднено, т.к. полностью влажные зерновые оболочки обладают пластичностью и гибкостью и не изменяют свой размер при дополнительной гидро-механо-акустической обработке.

При размере частиц зерновых оболочек после размола менее 0,2мм (что обеспечивается использованием РПА, снабженной ультразвуковой системой, эмульгатора) разделение суспензии после дробления на фракции в центробежном поле невозможно из-за близкого по весу размера частиц суспензии. Другие типы разделения (фильтрация, осаждение и т.д.) не применимы из-за вязкости зерновой пульпы. В работе изучено влияние размера зазора между режущими частями роторно-пульсационных аппаратов и количества циклов циркуляции измельчаемой суспензии на гранулометрический состав зерновых оболочек (рис.1,2).

Показано, что для получения суспензии зерна с преобладающим размером частиц зерновых оболочек 1 мм величина зазора между режущими частями РПА должна быть 1,00,5мм. Трех циклов циркуляции измельчаемой суспензии достаточно для получения 8085% зерновых оболочек размером 1мм. Увеличение кратности циркуляции на РПА с определенной величиной зазора не приводит к существенному изменению гранулометрического состава частиц зерновых оболочек.

□ Часіиіи более 1им,% оЧасчцыбопееО.їми,* ■Чйеіщ«6міее0.а*н.% ■ Частщы более 0.1ии.% ■ Частщы болееО.ОЕмч,*

Рис.1. Изменение гранулометрического состава частиц зерновых оболочек при дроблении на РПА с различной величиной зазора за три цикла дробления при температуре водно-зерновой смеси 50 С На общий выход крахмала и белка і

Рис.2 Гранулометрический состав частиц зерновых оболочек после обработки водно-зерновой смеси на РПА с зазором 0,5мм при 50°С и различной кратности циркуляции

ияет температура водно-зерновой смеси и

1,00 0,50 0.20 Размер зазора мм

Количество циклов циркуляции.

0,2<у.з.

суспензии (пульпы) после дробления. Проведены эксперименты при различной температуре воды, смешиваемой с зерном перед дроблением (табл. 1). Показано, что при температуре воды 5°С и 50°С накопление в супернатанте глюкозы меньше, чем при комнатной температуре воды, смешиваемой с зерном, за счет снижения активности амилолитических и протеолитических ферментов зерна. Осуществлять нагрев легче, чем

охлаждать до температуры 5°С, поэтому для снижения активности ферментов зерна выбран способ внесения в зерно перед размолом воды, нагретой до 50°С.

Таблица 1

Влияние температуры воды на концентрацию в супернатанте глюкозы и аминокислот.

№ Температура воды, смешиваемой с зерном, °С Концентрация глюкозы в супернатанте, % Концентрация Аминокислот в супернатанте, г/л Вид зерна

5,0 0,35 2,7 пшеница

20, 0,64 6,5 пшеница

50,0 0,26 3,6 пшеница

5,0 0,45 3,7 тритикале

20,0 0,86 7,6 тритикале

50,0 0,32 4,3 тритикале

Время обработки пульпы зерна до получения супернатанта - 2 часа.

Показано, что на размер частиц зерновых оболочек после дробления влияет тип использованного роторно-пульсационного оборудования (размер зазора и наличие ультразвука), кратность циркуляции, но практически не влияет тип зернового сырья.

3.2. Отделение зерновых оболочек от пульпы размолотого зерна и промывка зерновых оболочек

На отделение зерновых оболочек от пульпы после дробления влияет размер частиц зерновых оболочек (табл. 2).

Таблица 2

Влияние размера зерновых оболочек на степень отделения и на потери крахмала и белка

№ Тип зерна Размер Процент % потерь % потерь белка

частиц, отделенных крахмала от общего

мм частиц, % общего количества крахмала в зерне, % количества белка в зерне, %

1 пшеница 5,0 99,6 15,2 7,8

2 пшеница 1,0 98,8 3,0 1,12

3 пшеница 0,02 0 Нет разделения Нет разделения

4 тритикале 5,0 99,5 14,5 7,2

5 тритикале 1,0 98,6 2,9 1,04

6 тритикале 0,02 0 Нет разделения Нет разделения

Показано, что при влажном размоле зерна до размера 1мм основной массы (8085%) частиц зерновых оболочек осуществляется разделение суспензии на фракции, а потери крахмала с зерновыми оболочками не превышают 3% от общего количества крахмала в зерне. Определено влияние скорости подачи суспензии на разделение и

скорости вращения сит на показатели отделения: % остаточных частиц и количество сухих веществ в зерновых оболочках (табл. 3).

Таблица 3.

Влияние скорости подачи зерновой суспензии и скорости вращения сит на показатели

отделения зерновых оболочек

№ Скорость Проток % остаточных % % сухих

опыта вращения сит, через сігта, частиц на остаточных веществ в

тыс. об/мин л/час сите 0,5мм частиц зерн.

на сите 1мм оболочках

,%

1 5,0 4,0 0,01 4,5 25,0

2 5,0 6,0 0,05 6,2 31,2

3 5,0 8,0 0,10 8,5 35,0

4 10,0 4,0 0,80 1,2 28,0

5 10,0 6,0 1,50 2,4 26,0

6 10,0 8,0 2,45 3,5 25,0

7 5,0 4,0 0,005 2,5 23,0

8 5,0 6,0 0,01 4,2 28,5

9 5,0 8,0 0,05 5,4 32,0

10 10,0 4,0 од 0,2 28,3

11 10,0 6,0 0,3 0,6 25,0

12 10,0 8,0 0,5 0,8 21,5

Подобран оптимальный режим отделения зерновых оболочек от пульпы зерна

после дробления (вариант №3 в табл. 3), промывки зерновых оболочек после первичного отделения: при температуре 15°С с гидромодулем 2:1.

3.3. Разделение крахмально-белковой суспензии

После удаления амилопектина при переработке пшеницы и после первого центрифугирования суспензии крахмала тритикале остается фугат, содержащий 40-52% крахмала и основное количество белка и пентозанов. Отделение от фугата оставшегося крахмала (амилозы) затруднено из-за образования ячеистой структуры, обладающей свойством удерживать частицы крахмала. Без дополнительной обработки фугат пшеницы и тритикале на фракции не разделяется.

От скорости оседания частиц крахмала из суспензии зависит величина фактора разделения, при котором крахмал осаждается в нижнюю фракцию, а остальные компоненты суспензии остаются в фугате. Проведены эксперименты по определению предельного фактора разделения О при центрифугировании суспензий крахмала пшеницы и тритикале. Результаты экспериментов для суспензий с различной скоростью оседания крахмальных частиц представлены на рис.3.

Скорость оседания крахмала, ммЛіас і Фактор разделения

Рис.3 Связь предельного фактора разделения б и скорости оседания крахмала из крахмально-белковой суспензии.

Проведены эксперименты по изучению влияния рН на скорость оседания крахмала из крахмально-белковой суспензии (рис.4). При кислом и нейтральном рН суспензии крахмал оседает при комнатной температуре крайне медленно, в щелочной области рН отделение крахмала от суспензии происходит с большей скоростью, т.к. частицы белка частично коагулируют и приобретают больший размер, что приводит к разрушению ячеистой структуры, удерживающей крахмал.

Изучено влияние скорости перемешивания крахмально-белковой суспензии (центробежного критерия Рейнольдса) на скорость оседания крахмала (рис.5). Показано, что механическое воздействие на крахмально-белковую суспензию с рН 4,5, при котором без обработки скорость оседания минимальна, увеличивает скорость оседания крахмала более чем в два раза. Механическое воздействие также приводит к разрушению ячеистой структуры, удерживающей крахмал, но оно происходит за счет уменьшения размера частиц белка.

При изменении рН в щелочную сторону и увеличении размера частиц белка в процессе разделения в центробежном поле белок может отделяться вместе с крахмалом.

5.5 6,5 7,5 6.5 9.5 10.5 рН суспензии, ед.рН ■^'Скорость оседания крахмага.ммАмс I .

2

|з.о

1798 8989 12584 17978

Цгнт робежный критерий Рейнольдса, I • Скорость выпадения крахмала, мм/час I

Рис.4 Влияние величины рН суспензии на скорость оседания крахмала при комнатной температуре (для пшеницы и тритикале).

Рис.5 Влияние скорости перемешивания суспензии (центробежного критерия Рейнольдса) на скорость оседания крахмала при температуре 20° С и рН 4,5 в течение Юмин перемешивания (для пшеницы и тритикале).

Предложено совмещение двух способов: изменения значения рН суспензии до оптимального и добавление механического воздействия, приводящее к разрушению

структур, мешающих отделению амилозы. Показано при анализе суспензии на седиментаторе, что одновременное изменение рН суспензии в щелочную сторону и механическое воздействие на суспензию с щелочным рН приводит к уменьшению размера белковых частиц суспензии с 20мкм до 5-7мкм. Именно уменьшение размера белковых частиц приводит к полному разрушешпо структур, удерживающих амилозу, после чего амилоза легко отделяется от крахмально-белковой суспензии. Снижение оптимального значения рН суспензии с 8,5-9,5 до 7,5 при дополнительной механической обработке приводит к снижению в концентрате крахмала количества балластных солей.

Глава 4. Ферментативный гидролиз крахмала пшеницы и тритикале Ферментативный гидролиз крахмала пшеницы и тритикале, предлагаемый в работе, рассчитан на использование в питательной среде для культивирования микроорганизмов, утилизирующих моно- и ди- сахара и не обладающих собственными амилолитическими ферментами.

Показано, что после первой стадии ферментативного гидролиза крахмала пшеницы и тритикале при начальной концентрации крахмала в суспензии 20% и 40% качественный состав ферментолизатов отличается тем, что гидролизат крахмала пшеницы по сравнению с гидролизатом крахмала тритикале содержит, кроме мальтозы, большое количество декстринов (табл. 4).

Таблица 4

Сравнительная характеристика первой стадии ферментативного гидролиза крахмала пшеницы и тритикале при концентрации крахмала в суспензии 20 и 40%.

Вид Содержание Концен Время Кол-во Кол-во Кол-во

крахмала крахмала в трация экспозиции глюкозы, мальто декстринов,

суспензии, фермен с % зы, %

% та, ферментом, %

МЕ/г мин

крахма

ла

пшеница 20,0 0,8 60,0 15,0 45,0 40,0

40,0 2,0 120,0 15,0 35,0 50,

тритикале 20,0 0,2 15,0 5,0 85,0 10,0

40,0 0,8 30,0 5,0 75,0 20,0

В работе показано, что количество амилолитических ферментных препаратов, необходимых для полного гидролиза крахмала, зависит от источника крахмала (пшеница, тритикале) и начальной концентрации крахмала в суспензии. В отличие от способов ферментолиза, применяемых в спиртовой промышленности, при ферментолизе крахмала до глюкозы или мальтозы с начальной концентрацией крахмала в суспензии 38-40%, концентрация фермеш-а в суспензии должна быть выше, чем применяемая при

производстве спирта концентрация а-амилазы 0,1-0,2МЕ/г крахмала. При начальной концентрации крахмала 18-20%, удается снизить необходимую концентрацию фермента почти до той же величины (табл. 4), что и используется при получении спирта.

Подобраны оптимальные условия для получения ферментолизата крахмала пшеницы, содержащего глюкозу, а также ферментолизата крахмала тритикале, содержащего мальтозу. Процессы ферментативного гидролиза проводили при начальной концентрации крахмала 20 и 40%. При начальной концентрации крахмала 20% после дополнительной очистки ферментолизата проводится дополнительное концентрирование, а при начальной концентрации крахмала 40% ферментолизат используют без упаривания.

Преимущество использования крахмала зерна тритикале для получения углеводной части питательной среды состоит в том, что для получения мапьтозного сиропа достаточно одной стадии ферментолиза и снижения необходимого количества фермента с 2МЕ/г крахмала до 0,2МЕ/г крахмала.

Глава 5. Получение компонентов азотистого питания

5.1 Получение зернового супернатанта

Разработана технология получения зернового супернатанта, включающая отделение в центробежном поле от зерновой пульпы после влажного дробления крахмала, белка и вакуумное упаривание жидкой фракции до концентрации сухих веществ 48-52%.

Исследован состав полученного после упаривания супернатанта. Показано, что по составу аминокислот, содержанию аминного и общего азота зерновой супернатант не уступает лучшим образцам кукурузного экстракта (Ефремовский крахмало-паточный комбинат) (табл. 5).

Таблица 5

Процентное содержание аминокислот в кукурузном экстракте, зерновом супернатанте и ферментолизате глютена.

№ Наименование аминокислоты % от общего содержания аминокислот

Кукурузный экстракт Упаренный супернатант пшеницы и тритикале Ферментолизат пшеничного белка (глютена)

1 Глицин 5,4 5,6 4,13

2 Алании 7,3 7,1 13,37

3 Валин 5,8 5,6 8,04

4 Лейцин 10,5 16,8 10,9

5 Изолейцин 2,0 2,2 3,5

6 Серин 5,3 5,1 5,9

7 Треонин 4,2 6,8 1,79

8 Аспарагиновая кислота 8,0 8,0 2,02

9 Глутаминовая кислота 19,3 18,8 12,09

10 Лизин 5,0 4,5 1,3

11 Аргинин 4,4 4,6 9,0

12 Цистин 0,1 0,1 1,5

13 Метионин 2,0 5,4 5,6

14 Фенилаланин 3,8 3,6 4,0

15 Пролин 9,8 9,6 9,23

16 Тирозин 2,5 2,5 2,7

17 Гистидин 4,2 4,1 4,1

18 Триптофан 0,4 0,5 0,8

19 Сумма 100 100 100

5.2 Ферментативный гидролиз зернового белка

Проведены кинетические эксперименты по изучению влияния режимных параметров (начальной концентрации субстрата, концентрации фермента, времени экспозиции, типа фермента) на скорость ферментативного гидролиза зернового белка. Показано существенное ингибирование процесса продуктом реакции гидролиза белка (рис.8). Показано, что удаление продукта гидролиза - свободных аминокислот - из зоны реакции центрифугированием, а затем внесение такого же как удаленное, количество водопроводной воды или дополнительного раствора фермента восстанавливает скорость гидролиза белка. Показано, что при низких концентрациях белка 30-45г/л в суспензии, подвергаемой ферментативному гидролизу, влияние ингибирования конечным продуктом незначительно. Показано, что для получения компонента питательной среды, содержащего азотистое питание, по параметрам близкого к кукурузному экстракту,

Концентрация белка в суспензии, г/л

— Скорость ферментолизэ без добавки аминокислот

— Скорость фермент олиза с внесением аминокислот

Рис.8 Зависимость скорости ферментолиза белка за первый нас экспозиции от начальной концентрации белка в суспензии с внесением дополнительного количества свободных аминокислот и без него

следует проводить ферментолиз зернового белка при начальной концентрации белка 30-45г/л, а затем упаривать полученный ферментолизат до содержания СВ 45-50%. Состав ферментолизата пшеничного белка приведен в табл. 5. Разработана технология ферментативного гидролиза зернового белка, учитывающая ингибирование процесса ферментолиза конечным продуктом, что позволяет повысить степень гидролиза белка с 53% (при одностадийном гидролизе) до 95% от начального содержания белка.

В процессе переработки 1кг зерна получается 0,10-0,12кг зернового супернатанта. Такое количество азотистого компонента не может удовлетворить потребности некоторых

культур микроорганизмов в ростовых факторах (например: продуцента лизина). Сухой пшеничный белок (клейковина) имеет высокую товарную стоимость, однако, при переработке некондиционного зерна с низким общим содержанием белка, содержание глютелинов незначительно (менее 18% от общего количества белка в зерне). В таком случае, а также при переработке тритикале, возможно проведение ферментативного гидролиза белка сразу после отделения крахмала, а затем упаривание полученной азотистой части до содержания СВ 50%.

Глава 6. Переработка зерновых оболочек в пищевые волокна н сырье для модификации целлюлозы.

Зерновые оболочки, полученные по экспериментальной технологии, отличаются от отрубей, полученных при традиционной переработке зерна, значительно более низким содержанием крахмала (3-5% от общих СВ) и белка (2-3% от общих СВ), т.е. состоят практически из клетчатки.

В работе предложена технология обработки зерновых оболочек перекисью водорода. Это приводит к окислению остатков крахмала и белка до диоксида углерода. Кроме того, после первоначального отщепления ацетильных групп от лигнина образуется уксусная кислота. Совместное действие уксусной кислоты, активного кислорода приводит к разложению и окислению до диоксида углерода лигнина, входящего в состав клетчатки. Аналогично разрушается гемицеллюлоза. Таким образом, после обработки зерновых оболочек перекисью водорода остается только целлюлоза.

Результаты экспериментов в колбах по изучению влияния концентрации перекиси водорода, начальной концентрации сухих веществ зерновых оболочек, температуры процесса, времени экспозиции с реагентом на ВУС и конечную массу волокон показали, что при начальной концентрации СВ зерновых оболочек 20%, температуре 112-121°С, концентрации Н2О2 6% происходит частичное окисление лигнина до низкомолекулярного лигнина, ВУС- 5мл/гСВ (низкая), конечная масса темная; при СВ зерновых оболочек 5%, температуре 121°С концентрации Н2Ог 12% большая часть (90%) массы зерновых оболочек окисляется до диоксида углерода; при начальной концентрации СВ 5%, температуре 80°С, концентрации Н2О2 9% - ВУС -7мл/гСВ (соответствует ТУ), конечная масса (35% от начальной) волокон светлая.

Показано, что гидродинамические характеристики процесса (в колбах, стеклянном стакане с магнитным перемешиванием, в аппарате Зл, в ферментере 30л), оцениваемые по сульфитному числу, влияют на величину предельной концентрации перекиси водорода, при которой происходит окисление лигнина и гемицеллюлоз с максимальным выходом целлюлозы, и время экспозиции с реагентом (рис.12,13).

16

гае

т ■= о ®

\

\

>—1 і— ч, \

р \

N

23456789 10 11 Концентрация перекиси водорода.%

-Концентрация К202,% '

— Время выдержки, чаї

Рис.13 Изменение предельной концентрации перекиси водорода и времени экспозиции с реагентом в зависимости от сульфитного числа 8 колбах, ферментере от скорости Зл и ферментере 30л.

Рис.12 Изменение количества волокон после окончания обработки в колбах и ферментерах АКА Зл и Сарториус 30л при различных концентрациях перекиси водорода

Осуществлена сушка пищевых волокон

Представлен материальный баланс процесса получения пищевых волокон из зерновых оболочек, полученных после влажного дробления зерна пшеницы и тритикале.

Полученная из зерновых оболочек целлюлоза может быть использована не только в качестве пищевых волокон, но и как сырье для модификации целлюлозы (для синтеза КМЦ, НЦит.д).

Глава 7. Разработка и апробация технологии биосинтеза биологически активных веществ на питательных средах, компоненты которых получены переработкой зернового сырья

Астаксантин

В главе рассмотрено культивирование продуцента астаксантина дрожжей Рка/Аа гИос1огута на питательной среде, содержащей в качестве источника углеводов ферментолизат крахмала пшеницы, гидролизованный до глюкозы, а в качестве источника органического азота зерновой супернатант. Проведены эксперименты по оптимизации концентрации ферментолизата крахмала и зернового супернатанта в питательной среде по схеме ортогональных латинских прямоугольников. Исследовано влияние освещения на биосинтез астаксантина. Культивирование продуцента астаксантина осуществляли в колбах на качалке при постоянном наружном освещении и в фотобиореакторе вместимостью Зл, снабженном внутренним источником освещения при постоянном и периодическом режиме освещения. Определены оптимальные режимы освещения.

Показано, что при культивировании продуцента астаксантина на питательных средах, полученных переработкой крахмалосодержащего зернового сырья, синтез астаксантина на экспериментальной питательной среде начинается на 12-14 час культивирования, т.е. на 20-24 часа раньше, чем на стандартной питательной среде.

Сокращается до 3 суток общее время культивирования в колбах и ферментере при периодическом способе культивирования, т.е. продуктивность процесса на экспериментальной среде выше, чем на стандартной питательной среде, включающей кристаллическую глюкозу и пептон. L-лизин

Культивирование штамма-продуцента L-лизина Corynebacterium glutamicum «BIGOR-55», на питательных средах, содержащих в качестве источника углеводов ферментолизат крахмала пшеницы, гидролизованный до глюкозы, ферментолизат крахмала тритикале, гидролизованный до мальтозы, а в качестве источника органического азота - зерновой супернатант, показало, что для каждого источника углеводов существует оптимальная начальная концентрация РВ.

Предпочтительным по достигнутой в культуральной жидкости концентрации продукта и величине коэффициента конверсии РВ в продукт является использование ферментолизата крахмала тритикале до мальтозы.

В работе показано, что при использовании в качестве источника углерода ферментолизата крахмала, для уменьшения лаг-фазы необходимо использовать две стадии выращивания посевного материала: в колбах на среде, содержащей 1,5%РВ, 3% зернового супернатанта, 1% NaCl в течение 18-20 часов, в ферментере на среде, занимающей промежуточное положение между посевной и ферментационной средой и имеющей следующий состав: 4,0% РВ, 4,0% зернового супернатанта, 1 % (NH4)2SC>4, 0,15% КН2РО4, 0,07% MgSCU. Время культивирования второго пассажа посевного материала, при котором достигается максимальная активность продуцента в основной ферментации, определяется временем изменения pH культуральной жидкости до 6,8 и выходом показателя концентрации растворенного кислорода из минимума.

Показано, что культивирование штамма-продуцента L-лизина на экспериментальной питательной среде имеет ряд преимуществ, по сравнению со стандартной средой. Концентрация РВ, при которой происходит ингибирование роста микроорганизмов, возрастает, что позволяет начинать процесс культивирования с более высоких начальных концентраций РВ

Показано, что экспериментальная среда, содержащая в качестве источника углеводов ферментолизат крахмала, а в качестве источника органического азота содержащей зерновой супернатант и ферментолизат зернового белка, продуцентов лейцина, валина, пробиотика, гликопептидного антибиотика, пищевого белка и фермента лакказы, удовлетворяет потребности микроорганизмов в углеводном и азотистом питании.

Использование в качестве ростового фактора зернового супернатанта и ферментолизата зернового белка делает процесс получения биологически активных веществ независимым от других источников органического азота.

Перспективные направления развития технологий переработки зерна для получения ферментационных сред.

Предложенная технология переработки некондиционного зерна должна найти широкое применение в биотехнологии. На питательных средах, содержащих углеводы, культивируют продуценты органических кислот, таких как молочная, лимонная, яблочная и др. Углеводы являются основой для культивирования пробиотиков, пребиотиков, многих видов дрожжей, продуцентов витаминов и ферментов, минорных полисахаридов, лекарственных препаратов. Данную технологию можно использовать для получения крахмала и различных видов патоки. Особенно перспективным в этом случае является переработка зерна тритикале. Используя способ переработки зерновых оболочек можно получать низкомолекулярный лигнин, пульпу для производства некоторых сортов бумажного производства, ценное сырье для органического синтеза.

Основные результаты и выводы

1) Исследован процесс переработки крахмалсодержащего сырья для определения

основных закономерностей, влияющих на выход крахмала и белка по предложенной схеме переработки зерновых культур.

2) Изучен процесс ферментативного гидролиза крахмала и белка для получения компонентов питательной среды, удовлетворяющих широкий круг микроорганизмов в качестве источника углерода и органического азота.

3) Показана возможность использования зернового супернатанта после дополнительной переработки для культивирования микроорганизмов в качестве заменителя кукурузного экстракта.

4) Разработан способ переработки зерновых оболочек (шелухи) в пищевые волокна и в сырье для модификации целлюлозы.

5) На основании полученных результатов разработана технология переработки крахмалсодержащего растительного сырья в компоненты питательной среды для культивирования микроорганизмов. Изучено культивирование на питательных средах из зернового сырья, полученных по предлагаемой технологии, продуцентов биологически активных веществ - L-лизина, астаксантина, L-лейцина, L-валина, пробиотика (Bacillus subtilis 2266), продуцента гликопептидного антибиотика (Streptomyces sp. 205), базидиальных грибов - продуцентов пищевого белка и фермента лакказы.

Показано, что использование ферментолизатов крахмала некондиционной пшеницы и тритикале в качестве источника углеводов, а зернового супернатанта и ферментолизата зернового белка как источника органического азота полностью удовлетворяет потребности продуцентов, обеспечивая высокий выход целевых продуктов. Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Герман JI.C. Ферментолизат глютена как ростовой фактор процесса ферментации. /Федотова Н.В., Бирюков В.В., Герман JI.C., Поляков А.Н.// Биотехнология, 2009, №4. С. 64-68.

2. Герман Л.С. Кинетика ферментолиза глютеновой фракции пшеницы /Федотова Н.В., Герман Л.С., Бирюков В.В.// Биотехнология, 2009, №6. С 62-67.

3. Герман Л.С. Математическое моделирование процессов ферментативного гидролиза глютена с применением методов математического планирования экспериментов. /Федотова Н.В., Бирюков В.В., Герман Л.С.// Сельскохозяйственная биотехнология,2009, №12. С 61-65.

4. Герман Л.С. Оптимизация процесса ферментолиза зернового белка для культивирования микроорганизмов. / Федотова Н.В., Бирюков В.В., Герман Л.С., Поляков А.Н.// Химагрегаты, 2008, №1 (5). С 33-34.

5. Патент РФ на полезную модель № 71118 «Универсальная автоматизированная установка для культивирования фотозависимых микроорганизмов»// Жаворонков В.А., Шкарин Н.Ю., Герман Л.С., бюл.№6,27.02.2008г.

6. Патент РФ № 2410419 « Способ переработки крахмалсодержащего растительного сырья для приготовления компонентов ферментационных сред, используемых в микробиологической промышленности при культивировании микроорганизмов»// Герман Л.С., Метальникова Н.В., Сенаторова В.Н., Бирюков В.В., Щеблыкин И.Н., Федотова Н.В., Пасхин A.B.,//Заявка №2009124609, приоритет с 29.06.2009, Бюл.№3, регистрация 27.01.2011г.

7. Герман Л.С Влияние характеристик работы роторно-пульсационного аппарата на качество компонентов питательной среды из зерна для экологически чистой технологии биосинтеза./ Шадрин С.Б., Герман Л.С., Поляков А.Н., Сенаторова В.Н., Ковалева Е.В.// Сборник научных трудов МГУИЭ,2006, выпуск 3. С 275-280.

8. Герман Л.С Технология и опытная установка для ферментативного гидролиза целлюлозосодержащих зерновых отходов/ Федотова Н.В., Бирюков В.В., Герман Л.С., Поляков А.Н., Корпуснова С.Н.// Материалы Научно-практической конференции НТТМ «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», 2007. С 257-259.

9. Герман Л.С Культивирование дрожжей Phaffia rhodozyma в качестве продуцента астаксантина на среде, полученной из отходов пищевого производства или зерна. /Жаворонков В.А., Герман Л.С., Захаров З.В//Материалы Международной конференции «New Information Technology in Medicine, Pharmacology, Biology and Ecology», Гурзуф,

Подписано в печать: 12.04.12

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 7038 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская д.ЗЗ (495) 979-96-99; www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Герман, Людмила Сергеевна, Москва

61 12-5/2462

Министерство образования РоссиГ Московский государственный инженерной эколог

Герман Людмила Сергеевна

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕКОНДИЦИОННОГО ЗЕРНА КАК ИСХОДНАЯ СТАДИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность: 03.01.06 - «Биотехнология» (в том числе

бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор. В.В. Бирюков

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ............................................................................... 4

Глава 1. Состояние сырьевой базы микробиологических производств ... 10

1.1 Источники углеводов и ростовых веществ ............................ 10

1.2 Существующие способы переработки зернового сырья ............ 16

Глава 2. Объекты и методы исследований ...................................... 41

2.1 Объекты исследований ..................................................... 41

2.2 Материалы и методы исследования .................................... 56

Глава 3. Разработка базовой схемы технологии переработки некондиционного зерна в компоненты питательных сред для культивирования микроорганизмов. Стадии фракционирования компонентов............................................................................................60

3.1 Гидро-механо-акустический способ измельчения зерна ............ 61

3.1.1 Влияние величины гидромодуля на степень извлечения крахмала ...................................................................... 63

3.1.2 Влияние кратности циркуляции на степень измельчения зерновых оболочек ......................................................... 66

3.1.3 Влияние температуры водно-зерновой смеси на выход свободного крахмала ....................................................... 69

3.1.4 Влияние твердости зерна на процесс дробления гидро-механо-акустическим способом .......................................... 72

3.2 Отделение зерновых оболочек от пульпы размолотого зерна и промывка зерновых оболочек .................................................. 76

3.2.1 Влияние размера частиц зерновых оболочек на скорость и эффективность процесса разделения .................................... 76

3.2.2 Влияние вязкости суспензии после дробления на скорость

и эффективность разделения ............................................. 79

3.3 Разделение крахмально-белковой суспензии на фракции .......... 81

Глава 4. Ферментативный гидролиз крахмала пшеницы и тритикале .... 102

4.1 Требования, предъявляемые к гидролизу крахмала ....................................102

4.2 Ферментативный гидролиз крахмала ........................................................................104

Глава 5. Получение компонентов азотистого питания 126

5.1 Получение зернового супернатанта ......................................................................126

5.2 Ферментативный гидролиз зернового белка ................................................129

Глава 6. Переработка зерновых оболочек в пищевые волокна и сырье

для модификации целлюлозы ............................................................................................................138

Глава 7. Разработка и апробация технологии биосинтеза биологически активных веществ на питательных средах, компоненты которых

получены переработкой зернового сырья 174

Основные результаты и выводы 216

Библиографический список 223

Приложения 236

Введение

Биотехнология - наука 21 и последующих веков. Уже сейчас она обеспечивает потребности многих отраслей промышленности: медицинской, пищевой, нефтедобывающей, горнодобывающей и т.д. Поэтому биотехнология относится к стратегическим отраслям, наряду с военно-промышленным комплексом, космической отраслью. Она также является наукоемкой, использующей самые последние научные разработки, нанотехнологии. Биотехнология требует развитого машиностроения, средств контроля и автоматизации производств, высококвалифицированных кадров.

Развитие биотехнологии и производств на ее основе ведет к повышению общего уровня развития страны, общества, различных отраслей производства.

До 1985г наша страна занимала 5 место в мире по продуктам, выпускаемым биотехнологическими производствами. Мы - первая в мире страна, начавшая промышленное производство антибиотиков. Видимо, поэтому так грустно воспринимается нынешнее 85 место по продукции биотехнологии. Хотя наше поколение еще помнит многотоннажные производства кормового белка из газа и парафинов, лизина, всех основных субстанций антибиотиков и т.д.

В настоящее время наша страна практически полностью зависит от импорта основных продуктов биотехнологии, применяемых в сельском хозяйстве -кормовые аминокислоты, кормовой белок, витамины, лекарственные препараты для с/х животных, пробиотики. А ведь без этих добавок в рацион промышленно производимых с/х животных (птица, мясо, рыба и т.д.) можно эффективно получать только навоз.

Такая же картина в пищевой промышленности, где при современных технологиях производства требуется значительное количество продуктов биотехнологии: ферментов, различных загустителей, красителей,

стабилизаторов, консервантов ит.д. Сейчас это все ввозится в страну, часто китайского (синоним низкокачественного) происхождения.

Нефтедобывающая промышленность, использующая в значительных количествах ксантан (для полного извлечения нефти из пластов залегания) тоже на 85% обеспечена импортом.

О какой независимости, самостоятельности, в таких условиях, может идти речь!

Наша страна за последние 20-25лет стала сырьевым придатком развитых в экономическом отношении стран.

Развитие биотехнологической промышленности подтолкнет умирающее машиностроение, приборостроение и т.д., создаст новые рабочие места для высококвалифицированных специалистов.

Однако, просто повторить производства, существовавшие ранее, в настоящее время недостаточно. Необходимо создавать новые производства, использующие современные технологии, современное оборудование, новые штаммы-продуценты и т.д. Сейчас нужна не только продукция, но и прибыль.

Необходимо обеспечить биотехнологические производства доступным, дешевым, возобновляемым, стандартизованным сырьем, не используя сырье пищевого назначения.

Наша страна географически расположена так, что 85% нашей территории находится в зоне рискованного земледелия. Ежегодно, в связи с погодными условиями в разных регионах нашей страны, у нас образуется от 8 до 15 млн тонн некондиционного зерна. Часто это зерно не вывозят с полей и оно гниет, нарушая экологию, ухудшая и без того катастрофичную картину по увеличению парникового эффекта (метан, выделяющийся при гниении зерна как «парниковый» газ еще хуже диоксида углерода).

Некондиционное зерно не используется из-за низкого содержания белка в пищевой промышленности. Как основа корма для

сельскохозяйственных животных - не может быть использована без внесения добавок, компенсирующих недостаток белка.

Комплексная технология переработки некондиционного зерна в стандартизованное сырье для культивирования различных микроорганизмов, продуцентов биологически активных веществ, разрешила бы многие проблемы дальнейшего развития биотехнологии в нашей стране, попутно решая экологические проблемы, связанные с некондиционным зерном.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка технологии переработки крахмалсодержащего зернового сырья в компоненты питательной среды для культивирования различных микроорганизмов и биосинтеза биологически активных веществ.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологию переработки крахмалсодержащего растительного сырья в компоненты питательной среды для культивирования микроорганизмов.

2. Изучить основные кинетические зависимости, влияющие на выход крахмала и белка по предлагаемой схеме переработки зерновых культур.

3. Исследовать процесс ферментативного гидролиза крахмала и белка для получения компонентов питательной среды в качестве источника углерода и органического азота (ростовых факторов).

4. Разработать технологию переработки супернатанта зерновой суспензии после дробления зерна и ее применение для культивирования микроорганизмов.

5. Разработать способ осветления зерновых оболочек (шелухи) для получения пищевых волокон и сырья для модификации целлюлозы.

6. Разработать технологии процессов ферментации биологически активных веществ и провести их экспериментальную апробацию.

Научная новизна работы

-Определены основные кинетические зависимости процесса влажного дробления крахмалсодержащего растительного сырья -некондиционной пшеницы и тритикале. Показаны основные зависимости процессов разделения суспензии зерновых на фракции в зависимости от вида зерновой культуры, рН суспензии, количества диссипируемой энергии и фактора разделения.

-Показано, что при различных видах зерновых культур ферментативный гидролиз крахмала целесообразно проводить с разным количеством стадий и разной концентрацией ферментов для получения стандартной глюкозной или мальтозной части питательной среды.

-Показано, что упаренная до 50% СВ жидкая фракция, полученная после отделения остальных компонентов (супернатант) : зерновых оболочек, крахмала, белка и пентозанов, по составу и свойствам близка к кукурузному экстракту и названа растительным экстрактом.

-Определены основные характеристики процесса ферментативного гидролиза зернового белка для получения «ростовой» части питательной среды.

-Предложен способ утилизации зерновых оболочек с получением ценного пищевого продукта, либо сырья для модификации целлюлозы.

-Показано, что эффективность культивирования дрожжей Рка/Аа гкосИогша на питательных средах, содержащих в качестве углеводной части ферментолизат крахмала пшеницы или тритикале,

а в качестве ростовой части растительный экстракт выше, чем на питательных средах с глюкозой и пептонами. Синтез астаксантина на экспериментальной питательной среде начинается значительно раньше (на 12-14часов культивирования вместо 24-26часов) и в периодическом процессе общее время культивирования для получения того же количества астаксантина на сутки меньше.

-Для биосинтеза L-лизина показано, что использование в качестве источника углеводов ферментолизата крахмала, содержащего преимущественно (80-85%) мальтозу, позволяет повысить коэффициент конверсии Сахаров в продукт на 20-25%.

-Показано, что при использовании в качестве источника углеводов ферментолизата крахмала, при биосинтезе L-лизина увеличивается ингибирующая концентрация РВ в питательной среде.

Практическая ценность работы

На основании проведенных исследований разработан опытно-промышленный регламент переработки крахмалсодержащего растительного сырья, опытно-промышленный регламент получения кристаллического L-лизина монохлоргидрата, лабораторный регламент получения белково-витаминной добавки, содержащей астаксантин.

По разработанной технологии в Чувашии г.Шумерля построен опытно-промышленный цех по переработке зерна и производству L-лизина.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на VII и VIII Всероссийских выставках научно-технического творчества молодежи НТТМ 2007 и 2008 (работа отмечена золотой медалью); Международной научной конференции,

посвященной 70-летию факультета прикладной химии и экологии РХТУ-2008 «Современные тенденции развития химии и полимерных материалов»; XI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21»; Международной химической ассамблее «1СА-2008», 2-й Биотехнологической выставке-ярмарке «РосБиоТех-2008» (работа удостоена медали); Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (работа удостоена медали конгресса).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи, получен Патент РФ № 2410419 «Способ переработки крахмалсодержащего растительного сырья для приготовления компонентов ферментационных сред, используемых в микробиологической промышленности при культивировании микроорганизмов», рег.27.01.2011г., подано 2 заявки на патент РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает: введение, обзор литературы, описание объектов, материалов и методов исследования, 7 глав, в которых изложены результаты экспериментов и их обсуждение, выводы, список цитируемой литературы, содержащий 312 наименований, приложений.

Материал изложен на 220 страницах, содержит 85 рисунков, 53 таблиц.

Экспериментальная часть работы выполнена автором самостоятельно, либо сотрудниками, аспирантами и студентами под руководством автора.

В обсуждении результатов экспериментов принимали активное участие д.т.н., проф. Бирюков В.В., к.т.н. Вустин М.М., к.т.н. Горшина Е.С., д.т.н. Миронов В.А.

Основное содержание

Глава 1. СОСТОЯНИЕ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ МИРОБИОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ 1.1. Источники углеводов и ростовых веществ

Различным микроорганизмам для роста и синтеза биологически активных веществ требуются различные органические и неорганические вещества в зависимости от видовой принадлежности того или иного микроорганизма. [Шлегель Г., 1987., Беккер М.Е.,1978., Бирюков В.В.,2004.] Однако, многие виды микроорганизмов, синтезирующие биологически активные вещества, необходимые в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и т.д., нуждаются в источнике углеводов и органического азота (ростовых факторах). [ Мосичев М.С., 1982, Виноградова И.Н.,1962, Лиепинып Г.К., 1986] Развитие биотехнологии во многом зависит от наличия дешевого доступного возобновляемого сырья, содержащего углеводы и вещества, необходимые для роста микроорганизмов (ростовые факторы). Такое сырье не должно использоваться пищевой промышленностью.

Начиная с 60-х годов прошлого века наиболее распространенным сырьем, являющимся источником углеводов, была свекловичная меласса, а источником ростовых факторов являлся кукурузный экстракт. [Межиня Г.Р., 1978,Бекер М.Е.,1974, Лиепинып Г.К., 1978]

В настоящее время производство сахара из сахарной свеклы оказалось территориально в других государствах (Украина, Белоруссия и т.д.).

Меласса как сырье для биотехнологии имела и недостатки: - из-за высокой вязкости невозможно было без дополнительной обработки (например, кларификации) получить дополнительные питательные среды с высокой концентрацией РВ;

-высокое содержание балластных веществ (кислота, пектины, и

т.д.);

-высокое содержание пятиатомных Сахаров (в основном ксилозы).

Эти недостатки на современном уровне развития биотехнологии делают мелассу менее привлекательным сырьем, чем более чистые патоки и сахарные сиропы. Однако, патока и сахарные сиропы, получаемые по традиционной технологии, являются пищевыми продуктами, не всегда по составу отвечают потребностям штаммов-продуцентов (стандартная кукурузная патока содержит 45% мальтозы, остальное - олигосахара) и имеют значительную стоимость - 1кг патоки стоит 25-35руб (а 1кг лизина фирмы АДМ - 28-30руб в 2005г, бОруб/кг - 2011г.). Очевидно, что при такой стоимости сырья (патоки, сиропы) при любой эффективности микробиологического синтеза производство невыгодно.

По модернизированной схеме производства кукурузного крахмала кукурузный экстракт сушат с наполнителем (отрубями) и выпускают в виде кормового продукта.

Большинство сахарных заводов перешло на рафинирование сахара-сырца и в качестве отхода получается вторичная меласса, содержащая меньшее количество углеводов и большее количество балластных веществ, чем первичная меласса. Дополнительная обработка вторичной мелассы - кларификация, осветление, ультрафильтрация значительно удорожают ее стоимость.

Россия традиционно являлась и является крупным производителем зерновых культур. На рис.1 приведены данные по валовому сбору зерновых и прогноз Министерства сельского хозяйства на сбор зерна в последующие годы. [Отчет ин-та аграрного маркетинга,2010] Падение валового сбора зерновых в 20 Юг связано с сильнейшей засухой, приведшей к уничтожению почти 1/3 урожая зерновых культур.

Рис. 1 Валовый сбор зерновых культур, в том числе прогнозируемый.

В 2011 г из 92млн тонн валового сбора зерна - доля пшеницы составила бОмлп тонн. Экспортные поставки - 20млн тонн. Закуплено внутри страны 14млн тонн пшеницы на продовольственные нужды и 12млн тонн на производственные нужды, включая фуражное зерно. Легко складываем и получаем, что 14млн тонн пшеницы остались гнить на полях.

Примерно такое количество некондиционной пшеницы образуется каждый год. За исключением катастрофического 20 Юг,когда пришлось закупать 2млн тонн пшеницы (не так много, из-за запрета на экспорт зерна).

Есть в зерновом балансе культуры, которых производится меньше потребляемого количества. Ежегодное потребление ячменя (среднестатистическая цифра) - 20-25млн, а производится 15-18млн тонн, остальное- импорт. Рожь производится с избытком в 1,0-1,5 млн тонн (3,5млн тонн при потребности 1,5-2,0млн тонн). Просо и гречиха - с недостатком.

Стоимость зерна на внутреннем рынке колеблется в зависимости от потребителя (на продовольственные цели, производство пива, спирта, на фураж) и регулярно на, 10-15% ниже мировых цен на зе�