На правах рукописи ОЛЬХОВАТОВ Егор Анатольевич
advertisement
1 На правах рукописи ОЛЬХОВАТОВ Егор Анатольевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛОДОВ КЛЕЩЕВИНЫ Специальность 05.18.06 – Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Краснодар – 2013 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Щербакова Елена Владимировна Официальные оппоненты: Мустафаев Сергей Кязимович доктор технических наук, профессор кафедры технологии жиров, косметики и экспертизы товаров ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»; Багалий Татьяна Михайловна кандидат технических наук, зам. директора ИЦМП «Аналитик» (г. Краснодар) Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал Всероссийского научно-исследовательского института жиров Россельхозакадемии Защита диссертации состоится «5» ноября 2013 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» Автореферат разослан «4» октября 2013г. Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент М. В. Филенкова 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1 Актуальность темы. Вопросы протеинового питания сельскохозяйственных животных актуальны как в нашей стране, так и за рубежом, и это диктует необходимость расширения ресурсов кормового белка для животноводства, в том числе за счет использования нетрадиционных источников белка. Белки семян клещевины, потенциально являясь полноценным кормовым продуктом, содержат ряд антипитательных и токсичных компонентов, что не позволяет использовать их в качестве кормовой добавки без предварительной подготовки. В то же время семена клещевины и получаемые из них после извлечения масла жмыхи и шроты отличаются высоким содержанием белка, богатого незаменимыми аминокислотами, что даёт основание считать их перспективным сырьём для кормового и технического использования при условии создания эффективных способов обезвреживания. Существующие традиционные способы устранения токсичности белковых компонентов вторичных продуктов, вырабатываемых при переработке семян клещевины по технологии форпрессования-экстракции с получением технического касторового масла в качестве основного продукта, для снижения токсичности белков предполагают высокотемпературную обработку практически полностью обезжиренного шрота, после которой он может быть использован при составлении кормовых смесей для сельскохозяйственных животных. Главным недостатком такой технологии является применяемая для детоксикации шротов высокотемпературная обработка, влекущая за собой существенные энергозатраты и неизбежную денатурацию белков, что снижает их питательную и кормовую ценность. Кроме этого, такая технология применяется лишь для продуктов с очень низкой остаточной масличностью – шротов. Вторичные продукты, получаемые после извлечения из семян прессового медицинского касторового масла – жмыхи, имеют существенно меньшее практическое использование из-за остаточной масличности, которая из-за особенностей касторового масла может затруднить эффективное снижение токсичности при высокотемпературной обработке, традиционно применяемой для обезжиренного клещевинного шрота. В условиях растущего дефицита кормового белка разработка универсального способа детоксикации белков семян клещевины, позволяющего вырабатывать обезвреженные жмыхи и шроты с высокой протеиновой ценно- 2 стью, приобретает особую актуальность. Детоксикация белков семян клещевины позволит также изыскать и другие способы использования получаемого вторичного сырья, например, в качестве материала для выработки клеевого состава. Плодовые оболочки, являющиеся существенным по объёму отходом, получаемым при производстве касторового масла, на данный момент не находят целесообразного применения. Актуальность проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа, подтверждается её соответствием основными положениями Федерального закона РФ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» (2000г.) и Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007– 2012г.г.», включением рассматриваемой проблемы в список критических технологий Российской Федерации (2008г.), а также отражает актуальные проблемы, отмеченные в Распоряжении Правительства РФ от 25.10.2010г. № 1873-р. «Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения» на период до 2020 года. 1.2 Целью работы является совершенствование технологии комплексной переработки плодов клещевины с детоксикацией белков семян для получения жмыхов и шротов кормового и технического назначения, а также пектиновых веществ из плодовых оболочек. 1.3 Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: – исследовать эффективность режимов термической обработки, применяемой при детоксикации клещевинных шротов, для обезвреживания клещевинных жмыхов; – изучить влияние биохимических процессов, происходящих в семенах клещевины при прорастании, на изменение токсичности белков; – разработать способ биотехнологической обработки для снижения токсичности белкового комплекса семян клещевины; – изучить влияние биотехнологической обработки на токсичность жмыха и качество масла при переработке семян двукратным прессованием; – провести апробацию разработанного способа в производственных условиях переработки семян клещевины по схеме 2-х кратного прессования и 3 разработать техническую документацию на жмых клещевинный кормовой; – изучить влияние предложенного способа биотехнологической обработки семян клещевины на токсичность получаемых из них шротов; – разработать способ получения безопасного клеевого состава из нетоксичных жмыхов и шротов, получаемых из семян клещевины после их переработки; – исследовать пектиновый комплекс покровных тканей плодов клещевины и обосновать возможность использования плодовой оболочки клещевины для получения пектина технического назначения; – определить экономическую эффективность предложенных технологических решений. 1.4 Научная новизна. Установлена зависимость токсичности жмыхов клещевины, образующихся при получении масла медицинского назначения, от растворимости белковой фракции и остаточной масличности. Впервые установлена эффективность снижения токсичности белков семян путем биотехнологической обработки плодов клещевины с последующим получением из них качественного касторового масла, а также жмыхов и шротов кормового и технического назначения. Экспериментально подтверждена гипотеза о деградации токсичного белка при биотехнологической обработке плодов и семян клещевины, заключающейся в управлении биохимическими процессами начального этапа самосогревания плодов и семян. Впервые экспериментально обоснована возможность использования плодовых оболочек клещевины в качестве сырья для получения пектина технического назначения. Выявлено положительное влияние условий биотехнологической обработки плодов на качественные характеристики пектиновых веществ плодовой оболочки клещевины. Новизна работы подтверждена 4 патентами РФ на изобретения. 1.5 Практическая значимость. Разработан способ детоксикации белков семян клещевины, позволяющий получать масло медицинского назначения стандартного качества, белковые продукты различного назначения – кормового с высокими показателями относительной биологической ценности (ОБЦ) и технического, для получения безопасного клеевого состава при отсутствии дополнительных ресурсо- и энергозатрат, а также пектиновых продуктов технического назначения с модифицированными свойствами. 4 Разработана методика определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье, позволяющая повысить точность результатов анализов при снижении затрат времени и труда, исключив использование специфического оборудования. Разработаны технические условия на жмых, получаемый при применении предложенного способа снижения токсичности белков семян клещевины, а также на кормовую смесь для откорма крупного рогатого скота. 1.6 Реализация результатов исследования. Практическую реализацию результатов исследований проводили в условиях учебно-научных лабораторий кафедр технологии хранения и переработки растениеводческой продукции, биотехнологии, биохимии и биофизики факультета перерабатывающих технологий ФГБОУ ВПО «КубГАУ». Отдельные технологические решения апробированы в опытно-производственных условиях УНИК «Технолог» и ООО «Касторсервис» (г.Волгоград). Разработанный способ получения кормовых жмыхов из семян клещевины и использование этого продукта в качестве компонента кормовой смеси для откорма крупного рогатого скота прошли апробацию на предприятии ООО «Вита-Лайн» (станица Динская Краснодарского края). 1.7 Апробация работы. Научные разработки диссертации награждены дипломами Всероссийской выставки НТТМ (Москва, ВВЦ, 2008г.) и II всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2008г). Предложенные способы являются победителями программы «УМНИК» финансирования НИОКР (2012-2013г.г. и 2013-2014г.г.), а также бронзовыми призёрами XVI Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2013». Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II и IV всероссийских научно-практических конференциях молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса», г.Краснодар, 19-21 ноября 2008г, и 24-26 ноября 2010г.; международной научнопрактической конференции «Олимпиада 2014: технологические и экологические аспекты производства здорового питания», г. Краснодар, 1-3 июня 2009г.; IV международной конференции молодых учёных и специалистов «Актуальные вопросы селекции, технологии и переработки масличных культур», 5 г.Краснодар, 27-29 марта 2007г.; VII международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности», г.Минск, 2-3 октября 2008г.; I международной научно-практической конференции преподавателей, молодых учёных и аспирантов аграрных вузов РФ «Инновационные процессы в АПК», г.Москва, 25-27 марта 2009г.; международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве», г.Минск, 19-20 октября 2010 и 2011г.г.; III международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях», г.Москва, 28 июня – 1 июля 2011г.; Международной научно-практической конференции «Повышение интенсивности и конкурентоспособности отраслей животноводства», 14-15 сентября 2011 г., г.Жодино; Х международной научнопрактической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности», 5-6 октября 2011 г., г.Минск; XIX Международной научнопрактической конференции «Современные тенденции и технологические инновации в свиноводстве», 4–6 октября 2012 г, г.Горки. 1.7 Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 22 научных работы, в их числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки РФ, 1 монография, 14 материалов конференций; получено 4 патента РФ на изобретения. 1.8 Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора отечественной и зарубежной научно-технической литературы и патентной информации, методической и экспериментальной части, выводов, рекомендаций, списка литературных источников и приложений. Основная часть работы выполнена на 119 страницах текста компьютерной вёрстки, содержит 16 таблиц, 14 рисунков. Список литературных источников включает 195 наименований, из которых 43 на иностранных языках. 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1 Методы исследования. Отбор проб образцов – плодов, семян, прессовых жмыхов клещевины и анализ их физико-химических показателей, осуществляли в соответствии с методами, принятыми в масложировой промышленности. 6 Общий азот белковых фракций определяли по Къельдалю, растворимость белков по Осборну, количество небелкового азота – после осаждения белков ТХУ; относительную биологическую ценность (ОБЦ) и относительное снижение токсичности (ОСТ) белков анализировали биотестированием на тесторганизмх Tetrachymena pyryphormis и Stylonychia mytilus; токсичность белков семян и жмыхов – по агглютинации эритроцитов крови. При исследовании пектинового комплекса покровных тканей плодов клещевины использовали общепринятые методы: фракционный состав и массовую долю фракций пектиновых веществ определяли объёмным и кальцийпектатным методами; пектиновые вещества из предварительно приготовленных экстрактов выделяли методом спиртоосаждения, а их аналитические характеристики определяли кондуктометрическим методом. Кроме этого, для исследования фракционного состава и массовой доли фракций пектиновых вещества была разработана и применялась оригинальная методика. Статистическую оценку достоверности полученных экспериментальных данных вели по методикам с применением офисного редактора Microsoft Excel. Теоретические и экспериментальные исследования осуществляли в соответствии со структурной схемой, приведенной на рисунке 1. 2.2 Объекты исследования. Объектами исследования служили плоды и семена клещевины сорта Хрустальная 66 селекции ВНИИМК урожаев 2006– 2010гг, выращенной на территории Краснодарского края, промышленные смеси семян, полупродукты и готовая продукция, получаемые при переработке семян клещевины на малом предприятии ООО «Касторсервис» (г. Волгоград). 2.3 Изучение влияния режимов детоксикации клещевинных шротов на процесс обезвреживания клещевинных жмыхов. На первом этапе работы были изучены химический состав и показатели, характеризующие безопасность объектов исследования. Полученные данные представлены в таблице 1. Было установлено, что жмыхи, которые образуются при переработке плодов клещевины для получения медицинского касторового масла методом двукратного прессования семян, несмотря на некоторое снижение их токсичности в ходе влаготепловой обработки, предшествующей второму прессованию, отличаются ещё достаточно высокой токсичностью, которую традиционно связывают с веществами белковой природы. 7 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ Анализ и систематизация научно-технической литературы и патентной информации по теме исследования Анализ классических технологий переработки плодов клещевины Использование жмыхов и шротов Использование плодовых оболочек Обоснование цели и задач исследования ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ Обоснование технологии комплексной переработки плодов клещевины с детоксикацией белковых компонентов Исследование изменения белкового комплекса семян клещевины под влиянием биотехнологической обработки Исследование свойств плодовых оболочек, отделяемых перед переработкой семян клещевины Разработка способа детоксикации белкового комплекса семян клещевины с получением жмыхов и шротов кормового и технического назначения Разработка способа получения пектиновых веществ технического назначения из плодовых оболочек клещевины после биотехнологической обработки плодов Разработка усовершенствованной технологии комплексной переработки плодов клещевины Производственная проверка разработанных рекомендаций комплексной переработки плодов клещевины Оценка экономической эффективности от внедрения комплексной переработки плодов клещевины Рисунок 1 – Структурная схема исследований 8 Таблица 1 –Химический состав объектов исследования Значение показателя для образца Семена КлещеЖмыхи клещевины клещевины винный первого второго Хрустальная 66 шрот прессования прессования Наименование показателя Массовая доля, %: липидов влаги белков углеводов и БЭВ ОБЦ, % Токсичность, усл. % 51,88 4,56 19,54 24,01 64 2,0…3,0 7,5…9,0 34…44 44…56 48,3 18,64 7,82 24,92 48,62 66 7,48 6,42 28,62 57,48 72 100 70 68 62 Токсичность, усл. % Далее исследовалось влияние ранее разработаных режимов детоксикации клещевинных шротов на процесс обезвреживания промышленных жмыхов первого и второго прессования, для чего их подвергали тепловой обработке в лабораторных условиях при увлажнении 15…18 % и температуре 100…120 оС при продолжительности процесса 20…120 мин. Для сравнения было исследовано влияние температурных режимов детоксикации на образцы семян, жмыхов и шрота (рисунок 2). Из рисунка видна динамика снижения токсичности исследованных образцов: максимальная детоксикация наблюдается в образце с минимальной масличностью – шроте. 120 100 80 60 40 20 0 0 20 30 40 60 80 100 120 Длительность обработки, мин семена клещевины жмых 1 прес. жмых 2 прес. шрот лаб. Рисунок 2 – Влияние длительности влаготепловой обработки (температура 100оС) на снижение токсичности объектов с различной масличностью 9 В ходе исследований было также установлено, что современные технологии обезвреживания клещевинных шротов, применяющие для снижения температуры процесса влаготепловой обработки химические реагенты (мочевина и кремниевая кислота), показали себя неэффективными для детоксикации прессовых жмыхов в силу их высокой остаточной масличности, препятствующей контакту токсичного компонента с реакционной средой. Из полученных данных следует, что необходимо разработать принципиально иной способ детоксикации жмыхов, не связанный с влаготепловой обработкой и применением химических реагентов (мочевины и кремниевой кислоты), а также учитывающий биохимические особенности сортов клещевины современной селекции. На следующем этапе проводились исследования особенностей фракционного состава белкового комплекса семян клещевины, позволяющие получить представление о специфике их токсичного компонента. 2.4 Исследование токсичности белковых фракций семян клещевины. По данным ранее проведённых исследований известно, что в белках семян клещевины наиболее токсичной является водорастворимая фракция. В связи с этим нами исследовалась токсичность различных фракций белков в семенах перспективного сорта клещевины Хрустальная 66. Результаты эксперимента приведены в таблице 2. Таблица 2 – Токсичность различных белковых фракций семян клещевины Фракции белков Водорастворимая Солерастворимая Щелочерастворимая Токсичность фракций в образцах, усл. % Семена клещевины Промышленные сорта Хрустальная 66 смеси семян 98 86 2 12 0 2 Из приведённых данных следует, что в семенах клещевины перспективного сорта Хрустальная 66, в отличие от семян используемых промышленностью сортов (Белореченская, Щербиновская, Волжская и др.), практически все токсичные белки сосредоточены в водорастворимой фракции, инактивировав которую, можно снизить общую токсичность белков. Поиск возможных путей инактивации токсичного компонента белков семян клещевины являлся задачей следующего этапа проводимых исследований. 10 2.5 Исследование влияния биохимических процессов, происходящих в семенах клещевины при прорастании, на изменение их токсичности. Известно, что водорастворимые низкомолекулярные белки семян при прорастании разрушаются на начальных этапах процесса под воздействием протеолитических эндоферментов, поэтому изучалось влияние биохимических процессов прорастания на изменение токсичности белков семян клещевины. Для этого был проделан ряд опытов, показывающих степень влияния длительности и условий прорастания семян клещевины на снижение токсичности их белковых фракций. Полученные экспериментальные данные приведены в таблице 3. Из данных таблицы следует, что на 2-е сутки процесса прорастания семян клещевины токсичность их белков снижается до 20% (от исходных 100%), что является весомым аргументом в пользу применения биохимических процессов прорастании с целью устранения токсичного компонента. Таблица 3 – Снижение токсичности белков семян клещевины при прорастании Длительность прорастания, сут. 0 1 2 3 Общий азот, N*6,25 19,54 20,02 20,80 19,60 Токсичность белков, % от исходного 100 45 20 0 Дальнейшие исследования показали, что на первых стадиях прорастания при активации собственных протеолитических ферментов гидролизуется в основном водорастворимая фракция белков семян клещевины. Таким образом, полученные в ходе работы экспериментальные данные показали, что биохимические процессы, происходящие в семенах клещевины на начальных этапах прорастания, почти полностью устраняют токсичность их белкового комплекса. Поэтому было выдвинуто предположение, что создание для свежесобранных плодов таких параметров среды, при которых инициируются аналогичные биохимические процессы, при условии их контролируемости будет способствовать снижению токсичности белков клещевины. На следующем этапе исследований разрабатывали режимы биотехнологической обработки семян клещевины для снижения токсичности её белкового комплекса. 11 2.6 Разработка способа снижения токсичности белкового комплекса семян клещевины биотехнологической обработкой. В основу разрабатываемого способа положено применение биохимических процессов, аналогичных тем, что протекают на начальных этапах прорастания семян. На стадии разработки режимов биотехнологической обработки плодов клещевины, свежеубранные плоды и части плодов с семенами (третинки) при влажности 15±2% выдерживали в условиях, исключающих потерю влаги и тепла. Приведённые кондиции соответствуют литературным данным о среднестатистических показателях влажности плодов клещевины в момент их уборки и поступлении на переработку. Наличие плодовой оболочки на основной массе семян позволяет создавать и поддерживать влажность, достаточную для протекания процесса. Качество масла семян клещевины контролировали по величине кислотного и перекисного чисел, массовой доли вторичных продуктов окисления, на изменение которых оказывает влияние совокупность таких факторов, как длительность биотехнологической обработки и изменяющиеся при этом температура и влажность среды (таблица 4). В качестве контроля использовали семена плодов, не подвергавшихся биотехнологической обработке. Таблица 4 – Зависимость показателей качества масла от условий биотехнологической обработки плодов Условия обработки Значение показателя Длительность биотехнологической обработки, сут. Массовая доля влаги , % Температура плодов, оС Кислотное число, мг КОН/г Перекисное число, ммоль активного кислорода /кг 0 1 2 3 15,0 17,3 19,1 21,9 20 21 22 23 0,85 0,93 1,09 2,20 3,20 3,62 4,26 5,48 Массовая доля вторичных продуктов окисления, % 0,03 0,08 0,15 0,25 Полученные в ходе эксперимента данные показывают, что оптимальной для сохранения качества извлекаемого масла является продолжи- 12 тельность биотехнологической обработки не более двух суток. Процесс детоксикации контролировали по снижению токсичности белка обезжиренных основных тканей семян (таблица 5). Таблица 5 – Зависимость качественных характеристик плодов клещевины от условий биотехнологической обработки Наименование образца Характеристика ОБЦ, % Токсичность, % Исходные семена (без обработки) 64 100 Семена из плодов, обработанные в течение, суток 1 82 37 2 90 10 3 81 12 Как следует из данных таблицы 5, при рекомендуемых условиях биотехнологической обработки, на вторые сутки происходит снижение токсичности белков семян клещевины до минимального уровня. При превышении оптимальной длительности биотехнологической обработки наблюдается снижение относительной биологической ценности при некотором возрастании токсичности семян вследствие накопления в них свободных жирных кислот – продуктов гидролитического расщепления масла. Продолжительность процесса менее 2-х суток не даёт желаемого результата снижения токсичности. В процессе проводимой биотехнологической обработки плодов клещевины количественному изменению подвергается и аминокислотный состав белков семян клещевины вследствие процессов гидролиза низкомолекулярных токсичных белков, происходящих в белковом комплексе (рисунок 3). Поэтому на следующем этапе исследований изучали эти процессы. На диаграмме (рисунок 3), показано, что количественные изменения аминокислотного состава белков семян клещевины после 2-х суток биотехнологической обработки незначительны; изменение соотношения заменимых и незаменимых аминокислот в составе белка не наблюдается. Таким образом, путём обобщения результатов проведённых экспериментов были установлены условия биотехнологической обработки плодов клещевины, основанной на использовании биохимических процессов, происходящих на начальных этапах процесса прорастания семян. 13 Аланин Аргинин 35 30 Лизин 25 20 Серин Тирозин 15 10 5 0 Треонин Фенилаланин Пролин Гистидин Валин Лейцин + изолейцин Метионин 1 Рисунок 3 – Изменение аминокислотного состава белков семян клещевины в процессе биотехнологической обработки, мг/дм3: 1 – исходный образец; 2 – после 2-х суток биотехнологической обработки 2 Разработан способ детоксикации белков семян клещевины, заключающийся в применении биотехнологической обработки плодов. На данный способ получения белкового кормового продукта из семян клещевины получен патент РФ. Разработанный способ биотехнологической обработки позволит получать жмыхи и шроты с пониженной токсичностью и высокой питательной ценностью при сохранении надлежащего качества основного целевого продукта переработки семян клещевины – касторового масла медицинского назначения. На следующем этапе была проведена производственная апробация влияния предложенного способа биотехнологической обработки на качество жмыхов, полученных при переработке семян клещевины двукратным прессованием. 2.7 Апробация разработанного способа в производственных условиях переработки семян клещевины с получением медицинского касторового масла. Производственные испытания разработанного способа проводились на базе ООО «Касторсервис» (г. Волгоград) и ООО «Вита-Лайн» (ст. Динская), где из семян клещевины, прошедших биотехнологическую обработку, в ходе получения медицинского касторового масла была выработана пробная партия нетоксичного клещевинного жмыха, сравнительная характеристика каче- 14 ственных показателей которого со жмыхом, выработанным без применения биотехнологической обработки представлена в таблице 6. Таблица 6 – Показатели химического состава жмыхов, полученных по разработанной технологии в сравнении со жмыхом, полученным без биотехнологической обработки Значение показателя для жмыхов, полученных Показатели Массовая доля, % : липидов влаги белков углеводов и БЭВ Токсичность, % ОБЦ, % по разработанному способу I пресс. II пресс. 17,98 18,64 9,68 24,62 10,00 90,00 7,0 7,48 7,61 28,46 0 128,00 без биотехнологической обработки I пресс. II пресс. 18,64 20,44 7,82 24,92 68,00 66,00 7,48 8,48 6,42 28,62 62,00 72,00 Приведенные данные производственных испытаний подтверждают получение из семян клещевины, прошедших биотехнологическую обработку, нетоксичного жмыха при его остаточной масличности, не превышающей допустимые пределы. Высокая влажность семян в период их подготовки к переработке определила инициацию биохимического гидролиза в белковом комплексе, что позволило получить жмых первого холодного прессования с пониженной токсичностью, а жмых второго прессования, подвергаемый влаготепловой обработке, был получен нетоксичный, что обусловлено окончательной инактивацией токсичных белков при термической денатурации. При этом контролировали качество извлекаемого из семян масла в сравнении с показателями ГОСТ и с контрольным образцом, полученным из семян, не подвергавшихся биотехнологической обработке (таблица 7). Из данных таблицы 7 следует, что прирост кислотного числа масла, полученного из семян клещевины после биотехнологической обработки плодов, происходит в диапазоне допустимых значений. Остальные показатели существенно не изменились и также находятся в пределах требований ГОСТ. 15 Таблица 7 – Сравнительная характеристика касторового масла, полученного из семян клещевины при производственных испытаниях Значение показателя без биотехно- после биотехлогической нологической обработки обработки плодов плодов Наименование показателя Требования ГОСТ 18102-95 Кислотное число, мг КОН/г Массовая доля влаги и летучих веществ, % Йодное число, мг I2/100г Число омыления, мг КОН/г Прозрачность Цвет Плотность при 20◦С, г/см3 не более 1,5 не более 0,15 0,85 1,09 0,12 0,14 82…88 83 87 176…186 Прозрачное Не темнее светло-жёлтого 0,948…0,968 177 Прозрачное Светложёлтое 0,950 180 Прозрачное Светло-жёлтое 0,953 Таким образом, производственные испытания, проведённые на базе ООО «Касторсервис» и ООО «Вита-Лайн» показали, что применение разработанного способа биотехнологической обработки плодов клещевины позволяет получить масло, удовлетворяющее требованиям ГОСТ на масло касторовое медицинское и жмых с показателем ОБЦ в 1,4…1,8 раза превышающим этот показатель для жмыха, вырабатываемого по существующим технологиям. В таблице 8 приведены технологические режимы разработанной технологии в сравнении с известной. Таблица 8 – Технологические режимы разработанной и известной технологий Наименование технологической стадии и технологического режима 1 1 Подготовка плодов к переработке: удаление плодовой оболочки 2. Кондиционирование: увлажнение плодов до влажности, % продолжительность кондициониро- Значение технологического режима по технологии известной разработанной 2 3 + Отсутствует - Отсутствует + 14…16 16 Продолжение таблицы 8 1 вания, ч температура, оС удаление плодовой оболочки до содержания в материале, % 3. Влаготепловая обработка семян: влажность семян, % температура, оС 4. Форпрессование: температура жмыховой ракушки, оС толщина жмыховой ракушки, мм 5. Измельчение жмыха: размер крупки, мм 6. Влаготепловая обработка жмыховой крупки: влажность, % температура, оС 7.Окончательное прессование: температура жмыховой ракушки, оС толщина жмыховой ракушки, см масличность жмыховой ракушки, % ОБЦ, % токсичность, % 8.Обезжиривание жмыха: температура экстракции, оС продолжительность, мин 9. Тостирование шрота: температура, оС влажность, % продолжительность, мин масличность шрота, % 11.Обезвреживание шрота: влажность шрота, % температура, оС продолжительность, мин токсичность, % 2 - 3 40…48 30 - 2…5 9…10 80…85 10…11 40…45 105 8 45 10 12 12 3…4 65…70 5…6 70…80 105-110 4 7…8 72 62 110-120 5 7…7,5 128 0 Отсутствует 60…70 45…70 Отсутствует 105…110 16…18 40 1,0…2,0 Отсутствует 18…20 110…120 45…60 0 Переработка среднемасличных семян, к которым относится клещевина, может осуществляться как по схеме двухкратного прессования, так и по схеме форпрессование-экстракция, в результате чего в качестве побочного продукта получают шрот. Поэтому на следующем этапе исследований 17 проверяли применимость разработанного способа детоксикации белков семян клещевины для получения нетоксичных шротов. 2.8 Изучение влияния способа биотехнологической обработки семян клещевины на токсичность получаемых из них шротов. Универсальность разработанного способа биотехнологической обработки семян клещевины позволяет существенно расширить диапазон его применения и получать нетоксичные шроты, применяя для переработки предварительно подготовленных биотехнологическим способом семян клещевины распространённую технологическую схему с применением экстракции. Исследовался шрот, полученный в лабораторных условиях из семян клещевины после их биотехнологической обработки, а также шрот, полученный из необработанных семян. Сравнение проводилось с показателями качества для шрота, обезвреженного высокотемпературной обработкой и для шрота с обработкой кремниевой кислотой при более низких параметрах температурной обработки. В таблице 9 приведены значения ОБЦ шрота, полученного с применением разработанного способа в сравнении с ОБЦ шротов, обезвреженных по существующим технологиям. Таблица 9 – Сравнительная характеристика разработанного способа получения нетоксичного шрота с существующими традиционными Наименование показателя Биотехнологическая обработка плодов: начальная влажность, % длительность, сут. температура процесса, оС Влаготепловая обработка: влажность, % температура, оС длительность, мин. Обработка шрота кремниевой кислотой: массовая доля к массе шрота, % ОБЦ, % Значение показателя для шротов, обезвреженных по способам ТИ 10 Пат. РФ Пат. РФ РСФСР №2354133 №2429713 18-68-90 (разработ.) – – – – – – 13…17 2 22 18…20 120 40 18…20 83…87 20…25 – – – – 49,4 5…10 80,0 – 128,0 18 Как видно из данных таблицы 9, продукт, вырабатываемый по разработанной технологии при мягких технологических параметрах, отличается более высоким показателем ОБЦ, что соответствует его более высокой кормовой ценности. В таблице 10 приведена сравнительная оценка показателей качества клещевинных шротов кормового и технического назначения, получаемых по разработанной и существующим технологиям. Таблица 10 – Физико-химические показатели качества шрота клещевинного кормового (значения для первого сорта) Наименование показателя ГОСТ 17290-71 Массовая доля влаги и лене более тучих веществ, % 7,5…9,0 Массовая доля сырого жира в пересчете на абсолютно суне более хое вещество, % 2,0 Массовая доля сырого протеина в пересчете на абсоне менее лютно сухое вещество, % 45,0 Массовая доля сырой клетчатки в обезжиренном продукте в пересчете на абсоне более лютно сухое вещество, % 30,0 Массовая доля золы, не растворимой в 10%-ной соляной кислоте в пересчете на не более абсолютно сухое вещество, % 1,0 Реакция на рицин Отсутствие Токсичность Отсутствие Общая энергетическая питательность, к.е. 0,903 Значение показателя для шротов, обезвреженных по способам Пат. РФ Пат. РФ №2354133 №2429713 (разработанный) 7,5…9,0 7,5…9,0 2,0 2,0 44,0 47,0 29,0 26,0 4,5 Отсутствие Отсутствие 1,0 Отсутствие Отсутствие 0,940 0,970 Показано, что для белкового кормового продукта, которым является шрот клещевины, вырабатываемый по разработанной технологии, характерно более высокое содержание сырого протеина и, как следствие, более высокая 19 энергетическая питательность, значимо отличающаяся от таковой у шротов, получаемых по известным способам. Разработанный способ детоксикации белков семян клещевины позволяет вырабатывать из них не только обезвреженные жмыхи и шроты, используемые в качестве белковой кормовой добавки, но и иные продукты на их основе, что позволит расширить ассортимент продукции, вырабатываемой из плодов клещевины. На следующем этапе исследований разрабатывался продукт технического назначения – безопасный клеевой состав. 2.9 Разработка способа получения безопасного клеевого состава из нетоксичного белкового продукта переработки семян клещевины. Так как белки клещевины представлены в основном растворимыми фракциями, то после детоксикации белкового комплекса семян их можно отделить от нерастворимого остатка и использовать на различные нужды. Проводилась работа по созданию способа получения нетоксичного клеевого состава после обезвреживания токсичных компонентов белков семян клещевины биотехнологическим способом. Разработанный способ заключается в следующем: белковый кормовой продукт обрабатывают водным раствором каустической соды и известковой водой при температуре 50°С и непрерывном перемешивании, а полученный белковый экстракт фильтруют и центрифугируют. Из полученного экстракта осаждают белки в изоэлектрической точке, образовавшийся осадок дважды промывают горячей водой, после чего, отделяют от промывных вод, высушивают и измельчают, в результате получая нетоксичный клеевой состав. На способ получения нетоксичного клеевого состава из белков семян клещевины получен патент РФ. Для дальнейшего расширения ассортимента продукции, получаемой из семян клещевины при её комплексной переработке, на следующем этапе нами исследовался пектиновый комплекс плодовых оболочек клещевины, который до настоящего времени не изучался. 2.10 Изучение влияния биотехнологической обработки на пектиновый комплекс плодовой оболочки клещевины. Подготовке плодов клещевины к переработке предусматривает отделения плодовой оболочки, составляющую около 21% от массы плодов. Основой химического состава плодовой оболочки являются углеводы, в том числе и пектиновые вещества. Было установлено 20 Фракционный состав ПВ, % высокое содержание пектиновых веществ в потенциальном сырье для их извлечения – плодовой оболочке клещевины – до 20%. В ходе исследований было отмечено снижение механической прочности покровных тканей плодов клещевины в процессе их биотехнологической обработки, в связи с чем, было выдвинуто предположение о возможном перераспределении соотношения основных групп пектиновых веществ (ПВ) – переходе протопектина (ПП) в растворимый пектин (РП) из-за частичного разрушения пектиновых веществ до низкомолекулярных соединений. В процессе исследований был разработан и применялся способ определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье, преимущества которого перед существующими, принятым в технологии пектинового производства, заключаются в том, что он является более простым в исполнении – для его реализации не требуется применения специфического оборудования, длительность его меньше при более высокой точности результатов. На описанный способ был получен патент РФ. Полученные с применением разработанного способа данные представлены на рисунке 4. 12 10 11,2 11,1 9,3 9,3 8,6 8 9,1 8,9 8,2 6,7 6 4 3 2 0 КОНТРОЛЬ 1 12 23 43 54 Продолжительность биотехнологической обработки, сут. – ПП; – РП. Рисунок 4 – Изменение фракционного состава ПВ плодовой оболочки при биотехнологической обработке плодов клещевины Данные рисунка 4 указывают на заметное изменение фракционного состава пектиновых веществ в пользу растворимой формы, что подтверждает высказанное предположение. При этом на 2-е сутки биотехнологической об- 21 работки отмечается некоторое снижение суммы фракций (с 20,5% до 17,7%), но содержание пектина в оболочках клещевины остаётся сравнимым с этим показателем в иных подобных источниках пектиновых веществ. Преобладание доли фракции растворимого пектина над фракцией протопектина позволяет считать покровные ткани плодов клещевины, модифицированные биотехнологическим способом, перспективными для получения пектиновых экстрактов. Поэтому далее был разработан способ получения пектина из плодовых оболочек клещевины, на который получен патент РФ. Разработанный способ может стать основой для получения пектина в промышленных условиях, в связи с чем, необходимо определить возможные направления его использования, изучив свойства пектина, что является предметом дальнейших исследований. ВЫВОДЫ 1. Показано, что токсичность жмыхов клещевины, получаемых традиционной технологией 2-х кратного прессования, составляет 62…68, усл. %, а применение высокотемпературной влаготепловой обработки, используемой для снижения токсичности клещевинных шротов, неэффективна для жмыхов, отличающихся более высокой остаточной масличностью в сравнении со шротами. 2. Установлено, что при прорастании семян клещевины на вторые сутки процесса происходит снижение токсичности их белков, представленных в современных сортах на 98% водорастворимой фракцией, от 100 до 20%. 3. Разработан способ детоксикации белков семян клещевины биотехнологической обработкой, защищённый патентом РФ, заключающийся в выдерживании плодов клещевины при влажности 15±2% и температуре не более 30 С в течение 2-х суток. Показано, что применение биотехнологической обработки позволяет повысить ОБЦ и снизить токсичность белков при неизменном качестве масла. 4. Производственные испытания предложенного способа показали, что жмыхи, получаемые из семян, обработанных биотехнологическим способом, являются нетоксичными, при этом качественные показатели вырабатываемого 22 масла соответствуют всем требованиям ГОСТ на медицинское касторовое масло. 5. Установлено, что разработанный способ биотехнологической обработки плодов клещевины позволяет получать из них нетоксичные шроты при повышенном в 1,6…2,6 раза показателе ОБЦ по сравнению с известными технологиями обезвреживания клещевинных шротов. 6. Разработан способ получения нетоксичного клеевого состава из белкового кормового продукта, защищённый патентом РФ, заключающийся в щелочном экстрагировании белков из материала с последующим их осаждением в изоэлектрической точке, фильтровании, высушивании и измельчении. 7. Разработан и защищён патентом РФ способ определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье, отличающийся по сравнению с существующими простотой в исполнении и более высокой точностью получаемых результатов. Установлены количественные характеристики пектиновых веществ, которые подтверждают возможность использования плодовой оболочки клещевины для получения пектина технического назначения. 8. На основании экспериментальных данных и производственных испытаний рассчитан экономический эффект от внедрения разработанной технологии, который заключается в снижении себестоимости 1 т касторового масла на 600 рублей. Из 1т плодов клещевины можно получить 430 кг белкового продукта кормового или 162 кг белкового продукта технического назначения, а также около 18,6 кг пектиновых веществ. Основные положения диссертации опубликованы в работах: 1. Ольховатов Е.А. Альтернативный способ снижения токсичности семян клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова // Известия вузов. Пищевая технология. – 2009. – №5-6. – С. 16-17. 2. Ольховатов Е.А. Получение нетоксичного клеевого состава из белков семян клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов // Известия вузов. Пищевая технология. – 2011. – №1. – С. 115-116. 3. Ольховатов Е.А. Технология получения белкового кормового продукта из семян клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов // Известия вузов. Пищевая технология. – 2011. – №1. – С. 116-117. 4. Ольховатов Е. А. Совершенствование технологии комплексной переработки плодов клещевины: монография [Текст] / Е. А. Ольховатов. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – 107 с. 5. Ольховатов Е.А. Некоторые результаты исследований возможности 23 облегчения декортикации и детоксикации плодов тунга и клещевины биотехнологическим способом [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова, М.Д. Назарько, Н.Ю. Шакая // Инновационные технологии в пищевой промышленности. Материалы VII международной научно-практической конференции, Минск, 2008. – С. 364-369. 6. Ольховатов Е.А. Клещевина: новый способ детоксикации белков семян, пектиновые вещества плодовой оболочки [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова // Научное обеспечение агропромышленного комплекса. Материалы II всероссийской научно-практической конференции молодых учёных, Краснодар, 2008. – С. 254-255. 7. Ольховатов Е.А. Рассмотрение вопроса о комплексной переработке плодов клещевины: экологический аспект. [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова // Инновационные процессы в АПК. Сборник статей I международной научно-практической конференции преподавателей, молодых учёных и аспирантов аграрных вузов РФ, Москва, 2009. – С. 295-298. 8. Ольховатов Е.А. Разработка способа повышения эффективности переработки шрота клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова // Олимпиада 2014: технологические и экологические аспекты производства здорового питания. Материалы международной научно-практической конференции, Краснодар, 2009г. – С. 117-118. 9. Ольховатов Е.А. Изучение количественных и качественных характеристик пектиновых веществ в отходах переработки плодов сои, клещевины и эспарцета [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова, А.А. Салфетников // Функциональные продукты питания: ресурсосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья, гигиенические аспекты и безопасность. Материалы международной научно-практической конференции, Краснодар, 2009. – С. 143-147. 10. Ольховатов Е.А. Ресурсосберегающая технология получения белкового кормового продукта из семян клещевины [Текст] / Е.В. Щербакова, Е.А. Ольховатов // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве. Материалы международной научно-практической конференции, Минск, 2010. – С.63-65 11. Ольховатов Е.А. Влияние биодеградации покровных тканей плодов клещевины на изменение их физико-химических характеристик при биотехнологической обработке плодов [Текст] / Е.А. Ольховатов // Сборник материалов 6-й международной конференции молодых учёных и специалистов «Инновационные направления исследований в селекции и технологии возделывания масличных культур», Краснодар, 2011. – С. 211-215. 12. Ольховатов Е.А. Разработка технологии получения нетоксичного клеевого состава из белков семян клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов // Сборник материалов 6-й международной конференции молодых учёных и специалистов «Инновационные направления исследований в селекции и технологии возделывания масличных культур», Краснодар, 2011. – С. 216-219. 13. Ольховатов Е.А. Инновационная технология комплексной переработки плодов клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова // Сборник докладов III международной научно-практической конференции «Научно- 24 техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях», М.: МГСУ, 2011. – С. 368-370. 14. Ольховатов Е.А. Применение биотехнологического метода для получения высокобелкового кормового продукта из отходов производства касторового масла [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова // Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «Повышение интенсивности и конкурентоспособности отраслей животноводства». – Ч. 2. – Жодино, 2011 – С. 279-281. 15. Ольховатов Е.А. Технология получения пектинопродуктов из плодовых оболочек клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова // Материалы Х Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности». – Минск, 2011. – С. 157-161. 16. Ольховатов Е.А. Особенности подготовки к использованию в кормовых целях отходов переработки семян клещевины в связи с химическим составом их основных тканей [Текст] / Е.В. Щербакова, Е.А. Ольховатов // Материалы Международной научно-практической конференции «Научнотехнический прогресс в сельскохозяйственном производстве». – Т.2. – Минск, 2011. – С. 196-201. 17. Ольховатов Е.А. Использование отходов переработки плодов клещевины в кормовых целях: история и перспективы [Текст] / Е.А. Ольховатов, В.Ю. Айрумян // Материалы Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве» – Т. 2. – Минск, 2012. – С. 111-115. 18. Ольховатов Е.А. Получение кормового белкового продукта для свиней при комплексной переработке плодов клещевины [Текст] / Е.А. Ольховатов, Е.В. Щербакова, В.Ю. Айрумян //Материалы XIX Международной научнопрактической конференции «Современные тенденции и технологические инновации в свиноводстве». – Горки, 2012. - С. 244-248. 19. Способ получения пектина из плодовых оболочек клещевины [Текст] : Патент №2415608, заявка № 2009136278/13(051234) Рос. Федерация : МПК А 23 L 1/0524 (2007.01), заявл. 30.09.2009. / Щербакова Е.В., Ольховатов Е.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КубГАУ». 20. Способ получения белкового кормового продукта из семян клещевины [Текст] : Патент №2429713, заявка № 2010108541/17, Рос. Федерация : МПК А 23К 1/00 (2006.01), заявл. 09.03.2010. / Ольховатов Е.А., Щербакова Е.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КубГАУ». 21. Способ определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье [Текст] : Патент № 2434532З, заявка № 2010119897, Рос. Федерация : МПК А23L 1/0524 (2006.01), В 01 Д 21/00 (2006.01), заявл. 18.05.2010, / Ольховатов Е.А., Родионова Л.Я., Щербакова Е.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КубГАУ». 22. Способ получения нетоксичного клеевого состава из белков семян клещевины [Текст] : Патент №2448998, заявка №2010130526/05(043294) Рос. Федерация : МПК С09J 189/00 (2006.01), заявл. 20.07.2010. / Щербакова Е.В., Ольховатов Е.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КубГАУ».