Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
Ковалева Светлана Валерьевна
ХАРАКТЕРИСТИКА НОВЫХ СВОЙСТВ ПРОБИОТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ СЕРИИ ЭКОФРЭНД
03.01.06 - биотехнология
(в том числе бионанотехнологии)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Саратов - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова
Научный руководитель: доктор медицинских наук, профессор | Блинов Валерий Анатольевич |
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, доцент Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии микроорганизмов доктор биологических наук ФКУЗ Российский научно-исследовательский противочумный институт Микроб защиты прав потребителей и благополучия аборатории патогенных вибрионов | Гулий Ольга Ивановна Заднова Светлана Петровна |
| Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Ульяновская государственная | |
Защита состоится л29 марта 2012 г. в 10 00 часов на заседании
диссертационного совета Д 220.061.04 при ФГБОУ ВПО Саратовский
государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова (410005, г. Саратов, ул. Соколовая, 335, диссертационный зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова.
Автореферат диссертации разослан л____ 2012 г.
Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов,
Театральная пл., 1, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный аграрный
университет им. Н.И. Вавилова, ученому секретарю диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор биологических наук, профессор Л.В. Карпунина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время производится множество продуктов функционального питания, лекарственных средств, биологически активных добавок и других объектов, которые содержат микроорганизмы пробиотического действия (Лыкова, 2004; 2005; Данилевская, 2005; Похиленко, Перелыгин, 2007; Перепелкин, 2010). Такие препараты, например, созданные на основе бактерий рода Bacillus, используются для профилактики микотоксикозов, в качестве компонентов вакцин и минерально-витаминных добавок, при переработке и биологическом обеззараживании органических отходов, для получения биоорганических удобрений и пр. (Бугаенко, 1999; Неустроев и др., 2007; Нгуен, Разумовская, 2009).
Пробиотические препараты способны улучшать процессы пищеварения, обмен веществ, продуктивность животных, получать экологически безопасные продукты питания (Vassalo et al., 1997; Zani et al., 1998; Adami, Cavazzoni, 1999; Kyriakis et al., 1999).
В последнее время особую актуальность для сельского хозяйства и пищевой промышленности приобрели пробиотические препараты липолитического действия, так называемые моющие или чистящие пробиотики. Они используются для удаления жировых отходов на различных технологических стадиях производства продуктов питания, обеспечивают комфортные условия в местах содержания скота и птицы, препятствуют возникновению незаразных и заразных болезней, легко биоразлагаемы, безвредны для окружающей среды, не требуют специальных технологий утилизации, способствуют трансформации навоза, птичьего помета, остатков кормов, отработанной подстилки и пр., и, в конечном счете, повышают продуктивность.
Представителями подобной группы пробиотиков являются препараты серии Экофрэнд, которые сравнительно недавно поступили на российский рынок, и ряд их возможных биотических свойств, а также механизмов действия еще не привлек должного внимания (Калмыкова, Медведченко, Нилова, 2005). Исходя из этого, оценка ранее неизвестных, но практически значимых эффектов указанных пробиотических препаратов является весьма актуальной задачей.
Цель исследования Ц изучить физико-химические свойства препаратов серии Экофрэнд и оценить их влияние на биотрансформацию навоза крупного рогатого скота, посевные качества семян, показатели крови и молока животных и продукцию биодизельного топлива.
Задачи исследования:
1. В сравнительном аспекте изучить физико-химические характеристики препаратов серии Экофрэнд (очиститель коровьих сосков, очиститель коровьих ног, универсальный стабилизатор стойла, универсальный очиститель стойла).
2. Изучить влияние навоза крупного рогатого скота, биотрансформированного пробиотиками, на посевные качества зерновых культур.
3. Исследовать влияние препаратов серии Экофрэнд на организм лабораторных мышей по некоторым параметрам системы GLP;
4. Выявить изменения качественного состава молока коров под действием пробиотических препаратов.
5. Изучить влияние пробиотиков, коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов на продукцию и качество биодизельного топлива, полученного из отходов жировых производств.
Научная новизна. Впервые установлено, что обработка семян пшеницы, ячменя и кукурузы вытяжками из навоза, биотрансформированного пробиотиками серии Экофрэнд, или растворами редкоземельных металлов (лантана, празеодима, неодима) в концентрации 510-9 г/л, существенно, в среднем, на 31,5 % или
13,0 % соответственно повышает дружность их прорастания. Под влиянием указанных воздействий наблюдается тенденция к увеличению всхожести и энергии прорастания указанных зерновых культур.
Впервые показано, что пробиотические препараты серии Экофрэнд, изученные по некоторым параметрам Good Laboratory Practice (GLP), не изменяют основные параметры жизнедеятельности белых лабораторных мышей, т. е. являются биобезопасными. Установлено, что эти препараты, за исключением универсального очистителя стойла, не влияют на физико-химические свойства и ферментный спектр молока коров.
На основе этиловых и метиловых эфиров подсолнечного масла, а также отходов масложирового и маслоэкстракционного производства (фуз, соапсток, жмыхи подсолнечника, льна, рыжика, расторопши) получено биодизельное топливо и определены его основные физико-химические параметры. Впервые установлено, что пробиотические препараты серии Экофрэнд, особенно универсальный очиститель стойла, стимулируют образование биодизеля из растительного масла, фуза или соапстока. Предложен способ увеличения продукции биодизельного топлива из жиросодержащих продуктов и отходов жировых производств (патент РФ
№ 2440416).
Практическая значимость. Предложено использовать навоз, биотрансформированный пробиотиками серии Экофрэнд, а также растворы редкоземельных металлов в концентрации 510-9 г/л для повышения посевных качеств семян пшеницы, ячменя и кукурузы. Показана возможность получения биодизельного топлива не только из растительного масла, но и отходов (фуз, соапсток, жмыхи масличных культур) жировых производств, что позволяет в перспективе использовать различные жиросодержащие отходы при производстве топлива.
Результаты научных исследований включены в каталог разработок Саратовского центра научно-технической информации (информационный листок
№ 006-2010, 2010 г.), используются на предприятиях ЗАО Жировой комбинат
г. Саратова и ООО Энгельсторгсервис г. Энгельса, что подтверждено актами о внедрении научно-исследовательской опытно-конструкторской работы (2011 г.).
По материалам диссертационной работы опубликована монография Пробиотики в пищевой промышленности и сельском хозяйстве (в соавт. с Блиновым В.А., Буршиной С.Н.). Полученные научные данные используются в учебном процессе при чтении лекций, проведении лабораторных работ для студентов и слушателей ФПК, при написании дипломных работ в ФГБОУ ВПО Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В препаратах серии Экофрэнд отсутствуют ионы тяжелых металлов, нитраты и нитриты; для стабилизатора стойла и очистителя стойла характерна отчетливо выраженная щелочная среда, а для очистителя коровьих сосков и очистителя коровьих ног - нейтральная или слабокислая среда. В препаратах содержится незначительное содержание общего белка и высокая концентрация небелкового азота.
2. Обработка семян пшеницы, ячменя и кукурузы вытяжками из навоза, биотрансформированного пробиотиками серии Экофрэнд, или растворами редкоземельных металлов (лантана, неодима, празеодима) в концентрации 510-9 г/л улучшает их посевные свойства.
3. Препараты серии Экофрэнд не оказывают аллергенного и раздражающего действия на организм лабораторных мышей, не изменяют их этологию, массу внутренних органов и метаболический статус. Все препараты, за исключением универсального очистителя стойла, не изменяют физико-химический состав и ферментативную активность молока коров.
4. Разработана технология получения биодизельного топлива из отходов жирового (фуз, соапсток) и маслоэкстракционного (жмыхи масличных культур) производства. Такие отходы являются перспективными сырьевыми источниками для получения биодизельного топлива.
5. Энзимопробиотические препараты серии Экофрэнд, растворы редкоземельных металлов увеличивают продукцию биодизельного топлива из отходов жировых производств.
Работа выполнена на кафедре биотехнологии и химии ФГБОУ ВПО Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова в рамках научно-исследовательской темы: Научно-производственная оценка эффективности биотехнологической конверсии кормов, лекарственных средств, органических отходов в повышении продуктивности и качества продукции животноводства и растениеводства.
Апробация работы. Результаты научных исследований представлены на: Всероссийской научно-практической конференции Актуальные проблемы развития АПК (Саратов, 2006); ежегодных Всероссийских и Международных научно-практических конференциях Вавиловские чтения (Саратов, 2006; 2008; 2009); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ (Саратов, 2007; 2009; 2010; 2011); Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня основания биотехнологического факультета Саратовского ГАУ (Саратов, 2009); III Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (Москва, 2010); Всероссийском конкурсе Поддержка высокотехнологичных инновационных молодежных проектов (Москва, 2011); Международной научно-практической конференции Организационно-экономические аспекты модернизации агропродовольственного сектора (Саратов, 2011); первой Интернет-конференции Саратовского ГАУ Приоритетные направления модернизации аграрной экономики: тенденции, проблемы, перспективы (Саратов, 2011); IV Российском Форуме Российским инновациям - российский капитал и IX ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов (Оренбург, 2011); научно-практической конференции Роль молодежи в инновационном развитии АПК Саратовской области второй специализированной агропромышленной выставки САРАТОВ-АГРО. 2011 (Саратов, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, двух глав: обзора литературы и собственных исследований, включающей объект, материалы и методы исследований, результаты исследований и их обсуждение, а также заключения, выводов, практических предложений и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 157 страницах, иллюстрирована 25 таблицами, 24 рисунками, содержит 3 приложения. Список использованных литературных источников включает 203 наименования, в том числе 34 зарубежных.
СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объект, материалы и методы исследований
Объектом исследования служили пробиотические препараты серии Экофрэнд, полученные от ООО Эко Продукт 21 (г. Москва) (микробиологические продукты): очиститель коровьих сосков, очиститель коровьих ног, универсальный стабилизатор стойла, универсальный очиститель стойла. Согласно требованиям
ГФ XI по известным методикам были изучены физико-химические свойства указанных препаратов.
Навоз крупного рогатого скота обрабатывали рабочими растворами препаратов (1 % раствор очистителя коровьих сосков; 3 %-е растворы очистителя коровьих ног, универсального стабилизатора или очистителя стойла) из расчета 10 % от массы навоза и помещали в анаэробные условия. Через 30 дней из биотрансформированного таким образом навоза готовили 10 %-ю водную вытяжку.
Растворы редкоземельных металлов были использованы нами в качестве возможных стимуляторов роста растений, а также в качестве стимуляторов продукции биодизельного топлива. Хлориды редкоземельных металлов (лантана, неодима, празеодима) марки ХЧ ступенчато растворяли в бидистиллированной воде, получая раствор с концентрацией соответствующего металла 510-9 г/л.
Семена зерновых культур (пшеницы, ячменя, кукурузы) проращивали в условиях, которые регламентированы ГОСТ 12038-84 (Казаков, Кретович, 1989; Личко и др., 2000; Посыпанова, 2007), а затем в динамике оценивали их основные посевные качества: всхожесть, энергию прорастания, дружность, скорость прорастания (Дворкин, Худенко, 1999).
Для оценки аллергенности препаратов серии Экофрэнд проводили кожную и конъюнктивальную пробы на белых лабораторных мышах. При оценке острой токсичности 1,5, 3,0, 6,0 % растворы и неразведенные препараты вводили мышам однократно per os из расчета 1,0 мл на 20,0 г массы тела мыши. Наблюдения за подопытными животными проводили в течение недели. Для оценки хронической токсичности пробиотических препаратов подопытным животным вводили 1 и 3% растворы препарата универсальный очиститель стойла или препарата очиститель коровьих сосков, ежедневно per os из расчета 1,0 мл на 20,0 г массы тела мыши в течение двух недель (Данилова, 2003).
Мышей взвешивали, затем их декапитировали, внутренние органы (печень, сердце, почки, селезенка, надпочечники, легкие, тимус) взвешивали на торсионных весах типа WTW или на электронных весах HL-400.
Число эритроцитов и лейкоцитов, содержание гемоглобина, цветовой показатель и СОЭ определяли в крови мышей (Гольдберг, 1989; Сысоев, 1996). Биохимический анализ включал определение содержания в плазме крови общего белка, а в сыворотке крови мочевины, глюкозы, общего холестерина, активности ферментов аспартатаминотрансферазы (АСТ) и аланинаминотрансферазы (АЛТ) (Камышников, 2000; Майорова, 2000; Журавлева, 2001).
Активность щелочной фосфатазы в молочной сыворотке определяли унифицированным методом по конечной точке. Определение активности каталазы в цельном молоке производили по методу Баха и Зубковой (Кушманова, 1983). Активность пероксидазы в цельном молоке определяли методом, основанном на способности пероксидазы катализировать окисление бензидина перекисью водорода в n-хинондиимид (Камышников, 2000).
Содержание лактозы молока определяли с помощью рефрактометра ИРФ-22 (Кушманова, 1983). Метод определения сухого вещества молока основан на высушивании его при 102Е104,5 С до постоянной массы и взвешивании остатка. Для определения золы проводили озоление сухого остатка молока в муфельной печи, а затем взвешивали зольный остаток (ГФ XI).
При оценке влияния пробиотиков на транспорт глюкозы через мембраны клеток у декапитированных мышей быстро изолировали диафрагмы и эпидидимальный жир. Их ополаскивали в охлажденном 0,9 % растворе хлорида натрия и высушивали фильтровальной бумагой. Затем ткани помещали в специальные бюксы, в которые предварительно наливали 0,9 % раствор хлорида натрия, содержащего 10 ммоль/л глюкозы. Бюксы помещали в термостат с температурой 37 С. Через 0,5, 1 и 2 ч ферментативным глюкозооксидазным методом определяли степень убыли глюкозы в растворе. Все результаты выражали в ммоль глюкозы, поглощенной за определенный промежуток времени, на один грамм исследуемой ткани (Уильямс, 1964; Кабак, 1968; Потемкина, 2007).
Для получения биодизельного топлива (биодизеля) использовали подсолнечное масло, отходы масложировой промышленности (ЗАО Жировой комбинат г. Саратова и ООО Энгельсторгсервис г. Энгельса) - фуз и соапсток, а также жмыхи масличных культур (цех-лаборатория переработки масличных культур, ФГБОУ ВПО Саратовский ГАУ). Биодизельное топливо было получено из триглицеридов масложирового сырья переэтерификацией с метанольным или этанольным раствором гидроксида калия (ГОСТ Р 51486-99; Федоренко и др., 2008).
Йодное число, число омыления, кислотное число, перекисное число и эфирное число определяли в исследуемом сырье и биодизеле, также определяли теплотворную способность топлива (Беззубов, 1956; Исаченко, 1981; Беспалова и др., 1996; ОТБрайен, 2007; Холманский, 2007).
Статистическую обработку полученных данных осуществляли на персональном компьютере Pentium IV с помощью стандартного пакета статистических программ Microsoft Excel. Достоверность различий определяли методом вариационной статистики с использованием критерия Стьюдента, различия считали достоверными при Р < 0,05 (Петухов, 1996).
Результаты исследований и их обсуждение
Характеристика пробиотических препаратов серии Экофрэнд
и их влияние на биотрансформацию навоза
Установлено, что в производственных растворах пробиотических препаратов серии Экофрэнд отсутствуют ионы тяжелых металлов, нитраты и нитриты. Причем, для растворов универсального стабилизатора стойла и универсального
очистителя стойла характерной оказалась отчетливо выраженная щелочная среда, а для очистителя коровьих сосков и очистителя коровьих ног - нейтральная или слабокислая среда. В препарате универсальный очиститель стойла выявлена самая значительная титруемая кислотность, которая сочетается с высокой вязкостью и буферной емкостью. Это отражает наличие большого количества кислых эквивалентов в сложных органических и неорганических солях препарата, о чем свидетельствует также существенное количество сухого вещества и золы. Как установлено далее, пробиотические препараты содержат минимальное количество общего белка. В то же время содержание общего азота в исследуемых препаратах было всегда более значительным. Эти данные отражают высокую концентрацию небелковых азотистых соединений, наибольшее содержание которых характерно для универсального очистителя стойла.
Своеобразные химические свойства исследованных препаратов, их применение для обработки животноводческих помещений, стойла, подстилок позволили нам предположить, что такие пробиотические препараты могут быть использованы для биотрансформации свежего навоза, а значит и для его более быстрого использования в качестве удобрения. Установлено, что после биотрансформации навоза пробиотиками серии Экофрэнд в нем наблюдается тенденция к увеличению количества сырой золы, кальция и сырого протеина и снижению содержания клетчатки.
Затем было изучено влияние навоза, биотрансформированного пробиотиками, на посевные качества семян мягкой яровой пшеницы сорта Саратовская 70, кормового ячменя и кукурузы Волгоградская 1. Установлено, что обработка этих семян водными вытяжками из навоза, биотрансформированного пробиотиками серии Экофрэнд, в ряде случаев значительно повысила дружность их прорастания. Так, указанная предпосевная обработка семян пшеницы увеличила дружность прорастания, в среднем на 56,7 % по сравнению с семенами, замоченными в дистиллированной воде, и на 37,6 % - по сравнению с семенами, обработанными вытяжкой на основе навоза, не трансформированного пробиотиками (рис. 1).
Рис. 1. Изменение дружности прорастания семян пшеницы (I), ячменя (II),
кукурузы (III)
Примечание: 1 - дистиллированная вода; 2 - вытяжка из нетрансформированного навоза; 3, 4 - вытяжка из биотрансформированного навоза: очистителем коровьих сосков (3) или очистителем коровьих ног (4); 5, 6 - вытяжка из биотрансформированного навоза: универсальным стабилизатором стойла (5) или универсальным очистителем стойла (6).
Вытяжки из навоза, биотрансформированного препаратами серии Экофрэнд, инициировали тенденцию к усилению всхожести и энергии прорастания всех исследуемых культур, при одновременном сокращении сроков прорастания посевных семян. Так, вытяжка из навоза, обработанного очистителем коровьих ног, универсальным стабилизатором стойла и универсальным очистителем стойла, в среднем на 4,1 %, сократила сроки прорастания семян пшеницы.
В последующих опытах нами было показано позитивное влияние на посевные характеристики зерновых культур растворов редкоземельных металлов в концентрации 510-9 г/л. Так, под влиянием раствора неодима энергия прорастания особенно значительно (в 2 раза) возросла у семян ячменя, увеличилась всхожесть и дружность прорастания этих семян при сокращении сроков их прорастания. Менее заметное положительное влияние на прорастание семян пшеницы, ячменя и кукурузы оказали растворы лантана и празеодима.
Полученные результаты позволяют рекомендовать биотранс-формированный пробиотиками серии Экофрэнд навоз и растворы редкоземельных металлов, особенно неодима, для повышения посевных качеств семян. Подобная предпосевная обработка позволит повысить производственную всхожесть семян, способность их противостоять неблагоприятным условиям среды, стимулировать рост и развитие растений.
Влияние пробиотиков серии Экофрэнд на некоторые показатели
крови и молока животных
Значительный объем исследований был посвящен оценке влияния пробиотиков серии Экофрэнд на организм белых лабораторных мышей. Показано, что препараты не обладают аллергенным и раздражающим действием на кожные покровы и слизистые оболочки мышей, острой и хронической токсичностью, а введение per os в течение двух недель животным 1 или 3 % растворов препаратов практически не изменяют массу тела и массу внутренних органов этих животных.
В последующих сериях экспериментов установлено, что пероральное введение 1 или 3 % растворов очистителя коровьих сосков или универсального очистителя стойла вызывает у лабораторных мышей некоторое снижение числа эритроцитов и концентрации гемоглобина в крови. У них наблюдается тенденция к увеличению СОЭ, особенно при более высокой концентрации растворов препаратов и неоднотипная реакция на изменение числа лейкоцитов.
После введения пробиотиков в крови у мышей наблюдалось существенное увеличение концентрации мочевины. Это, косвенно, может свидетельствовать об усилении мочевинообразовательной функции печени и о более эффективном обезвреживании токсичного для организма аммиака. Помимо этого, под влиянием пробиотических препаратов у мышей отмечалась тенденция к увеличению в крови содержания глюкозы и холестерина. В то же время содержание общего белка и активность ферментов трансаминирования у них статистически достоверно не изменялись.
Углубление этих исследований позволило выяснить одну из причин повышения в крови мышей содержания глюкозы. Нами впервые показано, что пероральное введение мышам 1 % раствора очистителя коровьих сосков вызывало тенденцию к снижению потребления глюкозы как мышечной, так и жировой тканью, в среднем на 47,0 % и в 1,5 раза соответственно (рис. 2). По-видимому, обнаруженное нами повышение уровня глюкозы в крови под влиянием пробиотического препарата явилось следствием ослабления синтеза инсулина в -клетках поджелудочной железы или обусловлено снижением толерантности периферических тканей к глюкозе.
А Б
Рис. 2. Динамика снижения потребления глюкозы тканями (в %) после
введения очистителя коровьих сосков: А - диафрагма;
Б - эпидидимальный жир
Примечание: - поглощение глюкозы тканями мышей контрольной группы, принятое за 100 %; 1, 2, 3 - поглощение глюкозы тканями мышей опытной группы через 0,5; 1 и 2 ч соответственно.
Практически важным было выяснить действие пробиотических препаратов на физико-химические свойства и ферментативную активность молока коров. Данные, полученные впервые нами, позволяют считать, что препарат универсальный очиститель стойла при попадании в молоко оказывает негативное влияние на его физико-химические свойства и качественный состав. Такое молоко уже через два часа после введения этого препарата свертывалось.
В то же время очиститель коровьих сосков, очиститель коровьих ног и универсальный стабилизатор стойла в дозах, даже в два раза превышающих те, что рекомендует производитель, не изменяли физико-химические свойства молока коров. Например, под влиянием 1,5 %-го раствора очистителя коровьих сосков, препарата, попадание которого в молоко наиболее вероятно, даже через 24 ч незначительно, по сравнению с исходным значением, уменьшилась его плотность, всего на 0,3 %. Титруемая кислотность к этому сроку, напротив, несколько возрастала, по сравнению с контрольной партией молока. В опытах с очистителем коровьих ног и универсальным стабилизатором стойла были получены аналогичные результаты.
Как выяснено нами далее, активность аспартатаминотрансферазы, аланин-аминотрансферазы, щелочной фосфатазы, каталазы и пероксидазы молока коров под влиянием пробиотических препаратов статистически достоверно не изменилась. Следовательно, препараты серии Экофрэнд, кроме универсального очистителя стойла, существенно не изменяли качественный состав молока и могут считаться безопасными при их случайном попадании в молоко.
Стимуляция продукции биодизельного топлива
Важной особенностью пробиотических препаратов серии Экофрэнд являются их липолитические ферменты, которые способны разлагать сложные жировые комплексы, в первую очередь триглицериды, на составные части. Исходя из этого, указанные пробиотические препараты, а также редкоземельные металлы в концентрации 510-9 г/л, впервые использовались нами для повышения продукции биодизельного топлива, как из растительного масла, так и из отходов жировых производств (фуза, соапстока).
Было установлено, что плотность биодизеля, полученного из подсолнечного масла, составляла 822 кг/м3. Кислотное число биодизеля на основе масла несколько превысило значение этого параметра по стандарту Европейского Союза ЕN 14214 и составило 2,9 ед. Согласно тому же стандарту в биодизеле йодное число не должно превышать 120 ед. Данный показатель у полученного нами биодизеля из масла оказался значительно ниже допустимого предела. Перекисей и гидроперекисей в биодизеле из подсолнечного масла было незначительное количество, о чем свидетельствует значение перекисного числа, 0,16 ед. Число омыления и эфирное число биодизеля составили 58,3 и 55,3 ед. соответственно.
Однако растительное масло традиционно является субстратом для биодизеля. Исходя из этого, в последующих опытах в качестве сырья для биотоплива нами были использованы отходы маслоэкстракционного производства. Установлено, что в биодизельном топливе, полученном из жмыхов подсолнечника, рыжика, льна и расторопши, йодное число соответствовало Европейскому стандарту. Этот показатель находился в пределах 39,7-40,9 ед. Иными словами, в принципе жмыхи указанных масличных культур могут быть использованы для получения биодизельного топлива.
Крупнотоннажными отходами масложировых производств являются фуз и соапсток, их наиболее рациональная утилизация является важной задачей. Нами установлено, что фуз и соапсток оказались вполне пригодным сырьем для производства биодизеля. Показано, что по ряду физико-химических характеристик: плотности, жировым константам (кислотное и йодное числа), а также вследствие своей относительной дешевизны (рентабельность производства повышается, в среднем на 52,5 %) и доступности отходы могут активно использоваться в производстве биотоплива. Причем, биодизель из фуза по ряду важнейших параметров, полностью соответствовал требованиям стандарта Европейского Союза на биодизель (табл. 1).
Затем нами была предпринята попытка определения теплотворной способности биодизеля из растительного масла и отходов жировых производств,
т. е. того количества теплоты, которое выделяет топливо при своем полном сгорании. В наших опытах теплотворная способность выражалась в виде разности начальной и конечной температур нагреваемого образца (табл. 2).
Что касается эффективности процесса, то после сгорания биодизеля из соапстока всегда оставался небольшой осадок в виде пенообразной массы, а пламя было неярким. Сгорание же биодизеля из подсолнечного масла или фуза отличалось хорошей интенсивностью пламени, оно было без копоти и осадок не оставался.
Таблица 1 - Физико-химические показатели биодизельного топлива
№ п/п | Показатели | Европейский стандарт на биодизель EN 14214:2004 (E) | Биодизель из подсолнечного масла | Биодизель из фуза | Биодизель из соапстока |
1 | Плотность, кг/м3 | 860-900, в среднем 880 | 822,0010,70 | 877,006,40 | 864,600,13 |
2 | Кислотное число, ед. | не более 0,5 | 2,880,09 | 0,580,04 | 62,980,50 |
3 | Йодное число, ед. | не более 120 | 13,887,06 | 51,201,37 | 242,002,02 |
4 | Число омыления, ед. | не нормируется | 58,290,07 | 21,003,20 | 270,027,40 |
5 | Перекисное число, ед. | не нормируется | 0,160,02 | 0,780,02 | 0,490,01 |
6 | Эфирное число, ед. | не нормируется | 55,302,70 | 20,401,40 | 207,040,37 |
Таблица 2 - Степень нагрева воды биодизельным топливом, С
№ п/п | Вид биодизеля | Начальная температура | Конечная температура | Разница температур |
1 | подсолнечное масло | 24,30,3 | 60,60,8 | 36,3 |
2 | Фуз | 24,30,3 | 66,10,3 | 41,8 |
3 | Соапсток | 24,30,3 | 56,20,4 | 31,9 |
Следующей задачей являлось увеличение продукции и улучшение качества биодизельного топлива, как из растительного масла, так и из отходов жировых производств. Поэтому нами было изучено влияние на продукцию биодизеля возможных стимуляторов его выхода. Показано, что внесение в исходное сырье соляной кислоты или сульфата натрия не влияет на продукцию биодизеля. В то же время введение щавелевой кислоты в технологию приготовления биодизеля, например из соапстока, повышает его выход в среднем на 10,0 %. При этом продолжительность горения биотоплива увеличивается на 50,0 %, одновременно усиливается интенсивность горения и стабильность пламени. Обработка жирового сырья растворами редкоземельных элементов увеличивает длительность горения получаемого топлива в среднем на 21,5 %, а теплотворная способность такого биодизеля возрастает на 8,0 %.
Наиболее существенное влияние на увеличение продукции биодизеля оказали пробиотические препараты серии Экофрэнд. Установлено, что внесение в растительное масло, фуз или соапсток раствора любого энзимопробиотического препарата серии Экофрэнд повышает выход биодизеля на 2-17 %, а теплотворная способность такого биотрансформированного биодизеля увеличивается, в среднем на 35 %. Инновационность полученных результатов подтверждена патентом РФ на изобретение.
В завершающих экспериментах этой направленности впервые показано, что современный катализатор камеры сгорания автомобилей MPG-CAPS, который используется для повышения качества бензина и минерального дизельного топлива, увеличивал продолжительность горения биодизельного топлива, полученного из растительного масла, на 33,3 %, а его теплотворную способность - на 56,8 %.
Важной экологической проблемой является разработка мер по эффективной утилизации побочных продуктов, образующихся при производстве биодизеля. Одним из таких продуктов является неочищенный (технический) глицерин, который представляет собой смесь глицерина, спирта, воды, следов катализаторов, свободных жирных кислот, не вступивших в реакцию моно-, ди- и триглицеридов, эфиров и др. (Дирина, 2008). Нами впервые предпринята попытка использования 0,1-0,5 % раствора технического глицерина как возможного стимулятора посевных свойств семян овса, пшеницы, салата, укропа. Установлено, что всхожесть семян овса под воздействием технического глицерина повысилась на 3,4 %, дружность - на 19,6 %, а сроки их прорастания уменьшились на 33,9 %. Что касается укропа, то энергия прорастания его семян под влиянием раствора технического глицерина увеличилась на 2,3 %. Обработка семян салата раствором глицерина привела к увеличению энергии и дружности прорастания семян, на 10,1 и 20,0 % соответственно. Посевные свойства пшеницы под влиянием глицерина как отхода биодизельного топлива практически не изменились.
Таким образом, разработаны и представлены неизвестные области применения и оценены инновационные свойства пробиотических препаратов серии Экофрэнд. Полученные результаты свидетельствуют о безопасности и экологичности их использовнаия в местах содержания животных. Показана возможность применения пробиотических препаратов серии Экофрэнд для повышения качества предпосевной обработки семян ряда зерновых культур, а также для повышения продукции биодизельного топлива из жиросодержащего сырья.
ВЫВОДЫ
1. Согласно требованиям ГФ XI, в сравнительном аспекте изучены производственные растворы пробиотических препаратов серии Экофрэнд. Установлено, что в этих растворах отсутствуют ионы тяжелых металлов, нитраты и нитриты; для стабилизатора стойла и очистителя стойла серии Экофрэнд характерна отчетливо выраженная щелочная среда, а для очистителя коровьих сосков и очистителя коровьих ног - нейтральная или слабокислая среда. Во всех препаратах обнаружено незначительное содержание общего белка и высокая концентрация небелкового азота.
2. Впервые установлено, что обработка семян пшеницы, ячменя и кукурузы вытяжками из навоза, биотрансформированного пробиотиками серии Экофрэнд, повышает их посевные свойства: дружность, всхожесть и энергию прорастания, при одновременном сокращении сроков прорастания.
3. Впервые показано, что препараты серии Экофрэнд не оказывают аллергенного и раздражающего действия на кожные покровы и слизистые оболочки мышей, практически не изменяют метаболический статус, вызывают тенденцию к снижению потребления глюкозы мышечной и жировой тканями. Эти препараты, кроме универсального очистителя стойла, не влияют на физико-химические свойства и ферментный спектр молока коров.
4. Установлено, что растворы редкоземельных металлов (лантана, празеодима, неодима) в концентрации 510-9 г/л повышают всхожесть, энергию и дружность прорастания пшеницы, ячменя и кукурузы и сокращают сроки их прорастания.
5. Впервые установлено, что пробиотические препараты серии Экофрэнд, особенно универсальный очиститель стойла, стимулируют образование биодизельного топлива, увеличивая его продукцию из растительного масла на 17 %, а из отходов жировых производств (соапстока, фуза) - на 2-3 %.
6. Эффективными стимуляторами продукции биодизельного топлива и улучшения некоторых его физических характеристик являются растворы редкоземельных металлов, а повышения качества биодизеля - биокатализатор камеры сгорания автомобилей MPG-CAPS.
7. Выявлено, что неочищенный глицерин как отход при получении биодизеля из масла или фуза может быть использован для предпосевной обработки семян зерновых культур (овса, пшеницы) и пищевой зелени (салата, укропа).
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1. Водную вытяжку из навоза, биотрансформирванного пробиотиками серии Экофрэнд, растворы редкоземельных металлов (лантана, празеодима или неодима) в концентрации 510-9 г/л, а также 0,1-0,5 % растворы технического глицерина как отхода производства биодизеля, следует использовать для предпосевной обработки семян зерновых.
2. Отходы жирового (фуз, соапсток) и маслоэкстракционного производства (жмыхи) рекомендуется использовать в качестве дополнительного сырья для биодизельного топлива.
3. Растворы препаратов серии Экофрэнд рекомендуется применять для стимуляции трансформации растительных масел и отходов жировых производств (фуз, соапсток) в биодизельное топливо (патент РФ на изобретение Способ получения биодизельного топлива № 2440416). Полученные результаты подкреплены актами о внедрении научно-исследовательской работы на двух масложировых предприятиях г. Саратова и г. Энгельса.
4. Материалы диссертационной работы могут быть использованы в процессе обучения специалистов высших учебных заведений при чтении лекций и проведении практических занятий по биотехнологии, а также при подготовке учебников и учебно-методических пособий.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Шапулина Е.А., Ковалева С.В. Оценка аллергенности и токсичности средств Экофрэнд // Актуальные проблемы развития АПК: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ, 2006. С. 120 - 121.
2. Шапулина Е.А., Ковалева С.В. Некоторые аспекты влияния средств Экофрэнд на организм лабораторных мышей // Вавиловские чтения-2006: материалы конф., посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ, 2006. С. 119 - 120.
3. Шапулина Е.А., Исимбеков А.С., Ковалева С.В. Биотические проявления Экофрэнда // Актуальные проблемы ветеринарной патологии, физиологии, биотехнологии, селекции животных: сб. материалов Всероссийской конф. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ, 2007. С. 126 - 129.
4. Шапулина Е.А., Ковалева С.В. Изменение гематологических показателей мышей под влиянием пробиотика Экофрэнд // Материалы конф. по итогам научно-исследовательской и производственной работы студентов за 2006 год. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ, 2007. С. 146 - 147.
5. Блинов В.А., Шапулина Е.А., Ковалева С.В. Влияние пробиотического препарата Экофрэнд на организм лабораторных животных // Вавиловские чтения-2008: материалы междунар. науч.-практ. конф. Саратов: Наука, 2008. С. 257.
6. Ковалева С.В. Влияние пробиотических препаратов Экофрэнд на организм лабораторных мышей // Сб. науч. тр., посвященных 80-летию биотехнологического факультета. Саратов, 2009. С. 40 - 43.
7. Результаты НИР кафедры биотехнологии, органической и биологической химии (1997-2007 г.г.) / В.А. Блинов, В.И. Латышев, Н.Б. Огаренко, С.Н. Буршина, Е.Н. Зеленцова, О.В. Пилипченко, Е.А. Шапулина, И.А. Сазонова, Ю.В. Платонова, О.А. Суркова, Е.Г. Потемкина, П.В. Смутнев, М.А. Коновалова, С.В. Ковалева // Актуальные проблемы зоотехнии, биотехнологии, аквакультуры и биоэкологии: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию со дня основания биотехнологического факультета. Саратов, 2009. С. 26 - 39.
8. Платонова Ю.В., Ковалева С.В. Влияние Экофрэнда на физико-химические и ферментативные свойства молока коров // Актуальные проблемы зоотехнии, биотехнологии, аквакультуры и биоэкологии: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию со дня основания биотехнологического факультета. Саратов, 2009. С. 45 - 47.
9. Блинов В.А., Ковалева С.В. Характеристика биодизеля на основе этиловых эфиров жирных кислот // Актуальные проблемы ветеринарной патологии, физиологии, биотехнологии, селекции животных: сб. материалов Всероссийской науч.-практ. конф., посвященной 90-летию факультета (института) ветеринарной медицины. Саратов: Наука, 2009. С. 147 - 148.
10. Блинов В.А., Ковалева С.В. Характеристика пробиотического препарата Экофрэнд и его применение в агропромышленном комплексе // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. 2009. № 6. С. 9 - 13.
11. Ковалева С.В., Блинов В.А. Стимуляция синтеза биодизеля пробиотическим препаратом // Вавиловские чтения-2009: материалы междунар. науч.-практ. конф. Саратов, 2009. С. 32.
12. Ковалева С.В., Иванов А.Б. Влияние редкоземельных металлов на продукцию биодизеля // Вавиловские чтения-2009: материалы междунар. науч.-практ. конф. Саратов, 2009. С. 33.
13. Блинов В.А., Ковалева С.В., Лызин Н.А. Получение биодизеля из отходов пищевой промышленности // Вопросы нормативно-правового регулирования в ветеринарии. 2009. № 4. С. 91 - 92.
14. Лызин Н.А., Ковалева С.В. Физико-химическая характеристика фуза и его использование в качестве сырья для производства биодизеля // Материалы конф. по итогам научно-исследовательской и производственной работы студентов за 2009 год. Саратов, 2009. С. 138 - 139.
15. Ковалева С.В. Влияние лантана на посевные качества пшеницы // Актуальные проблемы ветеринарной патологии, физиологии, биотехнологии, селекции животных: сб. материалов науч.-практ. конф. Саратов: Наука, 2010. С. 140 - 141.
16. Блинов В.А., Ковалева С.В. Стимуляция продукции биодизеля пробиотическим препаратом Экофрэнд // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. 2010. № 10. С. 10 - 12.
17. Ковалева С.В., Гришин Е.Н. Технология получения биодизельного топлива из жмыхов и его особенности // Материалы конф. по итогам научно-исследовательской и производственной работы студентов за 2010 г., посвященной 80-летию доктора ветеринарных наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ Демкина Г.П. Саратов, 2011. С. 31 - 32.
18. Блинов В.А., Ковалева С.В. Некоторые аспекты получения биодизельного топлива из подсолнечного масла и жировых отходов // Материалы интернет-конф. Приоритетные направления модернизации аграрной экономики: тенденции, проблемы, перспективы. 2011. [Электронный ресурс]. URL: www.sgau.ru/ (дата обращения: 10.11.2011).
19. Смутнев П.В., Ковалева С.В. Влияние пробиотических препаратов Ветом-1.1 и Экофрэнд на метаболизм сельскохозяйственных и лабораторных животных // Актуальные проблемы ветеринарной патологии, физиологии, биотехнологии и селекции животных. Саратов, 2011. С. 65 - 66.
20. Ковалева С.В., Желтенко О.В. Влияние глицерин-содержащего отхода биодизеля на посевные качества семян овса // Организационно-экономические аспекты модернизации агропродовольственного сектора: материалы междунар. науч.-практ. конф. / под ред. В.В. Бутырина. Саратов: КУБиК, 2011. С. 54 - 55.
21. Блинов В.А., Ковалева С.В. Биотехнологическая стимуляция продукции биодизельного топлива из отходов жировых производств // Каталог IV Российского Форума Российским инновациям - российский капитал. Оренбург, 2011
С. 162 - 163.
22. Смутнев П.В., Ковалева С.В. К вопросу о возможностях применения пробиотиков в животноводстве // Материалы науч.-практ. конф. второй специализированной агропромышленной выставки САРАТОВ-АГРО. 2011 / под ред. И.Л. Воротникова. Саратов: ФГБОУ ВПО Саратовский ГАУ, 2011. С. 64 - 65.
23. Блинов В.А., Ковалева С.В., Буршина С.Н. Пробиотики в пищевой промышленности и сельском хозяйстве: монография. Саратов: Наука, 2011. 171 с.
24. Блинов В.А., Ковалева С.В. Пат. 2440416 Рос. Федерация, МПК C 2P 1/00; C10L 1/08. Способ получения биодизельного топлива. № 2010139915/10 заявл. 28.09.10: опубл. 20.01.12. Бюл. № 2. 8 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии