Биоконверсия зеленой массы и клубней топинамбура с. Скороспелка разными видами дрожжей с целью получения кормового белка (стр. 1 )

На правах рукописи

Биоконверсия зеленой массы и клубней топинамбура

с. Скороспелка разными видами дрожжей с целью получения кормового белка

Специальность 03.02.14 – биологические ресурсы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Владикавказ – 2012

Работа выполнена на кафедре биотехнологии

в ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ и РСО-Алания,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты: заслуженный работник высшей школы РФ,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Фарниев АлександрТимофеевич

заслуженный деятель науки РФ,

доктор биологических наук, профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский

государственный университет им. »

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 г. в 1000 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.023.04 при ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет» РСО-Алания, 7, Горский ГАУ, зал заседаний диссертационного совета. Тел./; E-mail: *****@***ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет», с авторефератом на официальном сайте www. *****

Текст объявления о защите диссертации и автореферат диссертации отправлены в Минобрнауки РФ по адресу: ***** 28 апреля 2012 г.

Автореферат диссертации разослан 28 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук, доцент

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Биоконверсия возобновляемого растительного сырья в топливо, кормовые и пищевые продукты, полупродукты для химической и микробиологической промышленности рассматривается в настоящее время как одна из ключевых отраслей биотехнологии.

Анализ показывает, что ситуация в этой области меняется к лучшему весьма быстрыми темпами. В изучение проблем биоконверсии растительной биомассы вовлекаются все новые виды растений (Sudguist J., 1987).

Важное значение в биоконверсии растительных субстратов имеет ферментативный гидролиз гемицеллюлоз, находящихся в клеточной стенке растений или в нерастворимых продуктах, полученных на их базе, где гемицеллюлозы тесно связаны с другими компонентами. Считают, что ферментативный гидролиз полисахаридов, в том числе гемицеллюлоз, в противоположность кислотному гидролизу, тормозится экранирующим действием лигнина, что делает необходимым использование предварительной обработки растительного сырья, используя химические или физические методы ( и др., 1998).

Современные технологии глубокой переработки предоставляют большие возможности для получения целого спектра биопродуктов, включая различные виды биотоплива, так как в качестве основного сырья для таких видов топлива стремятся использовать целлюлозу. Дальнейшее развитие биотехнологий будет связанно именно с целлюлозным биотопливом. Перспективным сырьем для него сегодня служат энергетический тростник, жмых сахарного тростника, сорго, а также непосредственно и сама древесина или волокнистые, несъедобные части растений (Н. Павловская 2011).

Биотехнология – уникальная наука, которая использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека.

Биотехнологические процессы, в частности брожение, применяются людьми с древних времен. На различных видах брожения основано производство спирта, пива, вина, хлеба, кисломолочных продуктов ( и др.,1998).

Важную роль в биоконверсии растительной биомассы играют дрожжи. Гидролизат на основе растительного сырья является прекрасным субстратом для жизнедеятельности дрожжей и возможна дальнейшая его переработка в зависимости от желаемого результата. При использовании дрожжей – продуцентов кормового белка, можно получить биомассу, богатую белком.

Гидролизные дрожжи вследствие высокого содержания в них полноценных, хорошо усвояемых белков, биологически активных веществ − витаминов, ферментов, гормонов и микроэлементов применяются в качестве корма для домашних животных и птиц. Добавка кормовых дрожжей к растительным кормам, богатым углеводами, значительно улучшает их качество и повышает биологическую ценность. Кормовые дрожжи по питательности и усвояемости не уступают кормам животного происхождения. В дрожжах содержится 46-55% белка, который, в свою очередь, содержит все жизненно необходимые аминокислоты. В золе кормовых дрожжей содержатся также ценные для животных и птиц макро - и микроэлементы (И. Мирошниченко и др, 1998).

Содержащиеся в дрожжах ферменты, гормоны и другие продукты микробиологического синтеза играют важную роль в улучшении обмена веществ в организме животных и птиц. При использовании штаммов спиртовых дрожжей на растительных гидролизатах возможно получение технического биоэтанола, для дальнейшего использования его в качестве биотоплива.

Цель диссертационной работы заключалась в биоконверсии зеленой массы и клубней топинамбура с. Скороспелка разными видами дрожжей.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Изучить химический состав надземной биомассы и клубней топинамбура с. Скороспелка.

2. Разработать режим получения гидролизатов из биомассы топинамбура сорта Скороспелка.

3. Отбор штаммов дрожжей, наиболее перспективных для использования в биоконверсии биомассы топинамбура.

4. Определить выход биомассы дрожжей при их культивировании на гидролизатах из зеленой массы и клубней топинамбура.

5. Изучить качество биомассы дрожжей, получаемой при их культивировании на гидролизатах из топинамбура.

6.Провести расчет экономической целесообразности получения биомассы дрожжей на гидролизатах из зеленой массы и клубней топинамбура сорта Скороспелка.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в первые, в условиях РСО-Алания, разработана технология биоконверсии зеленой массы и клубней топинамбура с. Скороспелка, с целью получения микробного белка, с использованием культур дрожжей как местной селекции, так и полученных из музея ВКПМ ФГНУ ГосНИИгенетика.

Практическая значимость работы заключается в обосновании целесообразности переработки биомассы топинамбура с. Скороспелка, выращиваемого в условиях РСО−Алания, с целью получения на гидролизатах из надземной и подземной биомассы данного растения микробного белка и биоэтанола. Предложены различные варианты получения гидролизатов из зеленой массы и клубней топинамбура сорта Скороспелка. Выявлены наиболее перспективные для использования в биоконверсии топинамбура сорта Скроспелка штаммы дрожжей, как селекции НИИ биотехнологии Горского ГАУ, так и из музея ВКПМ ФГНУ ГосНИИгенетика.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на ежегодных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет» (2008−2012гг); на Международной научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», г. Владикавказ.

Объем и структура работы: Диссертационная работа состоит введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, обсуждения результатов, списка литературы. Работа изложена на 151 страницах компьютерного текста, содержит 38 таблиц. Библиография включает 230 источников, из них иностранных источников – 54.

Публикации результатов исследований. По материалам диссертационной работы опубликованы 5 научных статей, в том числе в изданиях, рекомендованных в ВАК РФ – 3.

2.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Обзор литературы

В обзоре литературы дана краткая характеристика топинамбура как вида, а также сведения его практическом использовании. Представлена характеристика дрожжей, описаны различные области их применения. Рассмотрены питательные среды и способы культивирования дрожжей.

Приведена история развития спиртового производства в России, дана характеристика различного сырья используемого в производстве спирта, как на территории РФ, так и за ее пределами.

Материал и методика исследований

Материалом для выполнения диссертационной работы послужили: зеленая масса и клубни топинамбура сорта Скороспелка, выращиваемого на экспериментальном поле НИИ биотехнологии ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет»; для определения способности разных видов и штаммов дрожжей накапливать микробную биомассу на гидролизатах из зеленой массы и клубней топинамбура с. Скороспелка использовались: культуры дрожжей селекции сотрудников НИИ биотехнологии ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет»: Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y – 3151, Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y – 3414, Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y – 3415, Sacharomyces unisporis ВКПМ Y – 3416 и Rhodotorula glutinis ВКПМ Y – 3469; культуры дрожжей: Trichosporon cutaneum ВКПМ Y – 437, Candida guilliermondii ВКПМ Y – 438, Candida parapsilosis ВКПМ Y – 439 и Candida tropicalis ВКПМ Y – 440 селекции Института микробиологии АН Казахстана, полученные из музея Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов

В работе также использована культура дрожжей Sacharomyces cerevisiae, штамм K–7, широко используемый при производстве этанола на спиртовых заводах.

Как для получения биомассы разных видов и штаммов дрожжей, так и для получения биоэтанола, были использованы и клубни и зеленая масса топинамбура с. Скороспелка.

Зеленая масса топинамбура с. Скороспелка собиралась в разные фенофазы развития растения: стеблевания, бутонизации и полного цветения, измельчалась и высушивалась до постоянного веса в тени в хорошо проветриваемом помещении, а затем размалывалась на мельнице.

В клубнях, зеленой массе топинамбура с. Скороспелка, а также в биомассе дрожжей определяли содержание:

·  растворимых углеводов – по Бертрану;

·  первоначальной влаги - по ГОСТ 1396.3;

·  гигроскопическую влагу – по ГОСТ 1396.3;

·  «сырого» протеина – по методу Къельдалю, ГОСТ 139;

·  «сырого» жира – в аппарате Сокслета по ГОСТ 13496.15;

·  «сырой» клетчатки – по Геннебергу и Штоману (модификация ЦИНАО), ГОСТ 1396.2-91;

·  «сырую» золу – методом сухого озоления (температура 400 – 450°С) по ГОСТ .

·  В зеленой массе топинамбура также определяли:

·  содержание лигнина – по И (1972);

·  содержание гемицеллюлоз – по И (1972);

Прирост биомассы при культивировании разных видов и штаммов дрожжей определяли весовым методом с использованием центрифуги.

Число дрожжевых клеток в культуральной жидкости в процессе культивирования дрожжей, а также в биомассе, отделенной из культуральной жидкости центрифугированием, определяли в камере Горяева.

Клубни топинамбура сорта Скороспелка собирали поздней осенью, в период максимального накопления углеводов. Для заготовки сырья впрок клубни подвергались мойке, высушивались, измельчались на электрической мясорубке укладывали в 3-х литровые стеклянные баллоны, укупоривались металлическими крышками и автоклавировались при 0,5 атм в течение 60 минут.

Гидролиз зеленой массы и клубней топинамбура осуществляли с использованием H3PO4 и H2SO4 в автоклаве при давлении 1,5 атм с выдержкой 40 минут.

Полученный экспериментальный материал обработан статистически по методу вариационной статистики по Стьюденту (, 1970) и с использованием стандартных программ статистического анализа ПВМ РС Statistika.

2.2.Результаты собственных исследований

2.2.1. Характеристика биомассы разных видов дрожжей, культивируемых на гидролизатах из зеленой массы и клубней топинамбура с. Скорспелка. При рассмотрении вопросов биоконверсии любого растительного сырья первоочередное значение имеет химический состав того или иного растения, которое будет являться объектом изучения и исследования.

В связи с тем, что в задачи наших исследований входило получение микробного белка, а также этилового спирта из зеленой массы и клубней топинамбура сорта Скороспелка, нами изучен химический состав биомассы данного растения в разные фазы развития.

В таблице 1 приведены данные, полученные нами при изучении химического состава зеленой массы топинамбура сорта Скороспелка урожая 2010 и 2011 годов в фазах стеблевания, бутонизации и полного цветения.

Таблица 1. Химический состав зеленой массы топинамбура сорта Скороспелка, % от сухого вещества

Показатели	Фенофаза развития растения
Стеблевание	Бутонизация	Полное цветение
Год исследования
2010	2011	2010	2011	2010	201
Первоначальная влага	76,24±0,19	77,86±0,16	81,54±0,30	81,43±0,20	80,31±0,24	81,11±0,31
Сухое вещество	23,76±0,41	22,13±0,16	18,26±0,31	18,62±0,19	19,69±0,24	18,90±0,31
«Сырой» протеин	25,45±0,19	30,71±0,10	25,78±016	26,14±0,21	17,16±0,10	17,12±0,11
«Сырая» клетчатка	28,49±0,38	21,94±0,27	37,75±0,39	37,67±0,58	27,94±0,37	28,87±0,39
«Сырой» жир	4,81±0,20	5,78±0,09	5,37±0,21	6,72±0,18	4,50±0,15	6,36±0,19
«Сырая» зола	16,01±0,17	19,94±0,14	10,07±0,10	14,64±0,21	16,06±0,29	16,51±0,23
БЭВ	25,24±0,35	21,63±0,40	21,03±5,81	14,83±0,55	34,34±0,57	31,14±0,49
Гемицеллюлозы	2,05±0,001	2,24±0,07	5,834±0,077	5,67±0,17	5,475±0,032	5,634±0,10
Лигнин	43,64±0,17	41,19±0,18	46,94±0,13	45,43±0,18	48,02±0,08	44,83±0,17
Редуцирующие сахара	4,76±0,02	4,99±0,03	9,76±0,02	6,38±0,09	4,74±0,03	4,22±0,06

Из анализа данных, приведенных в таблице 1 следует, что содержание сухого вещества в зеленой массе топинамбура в разные фазы развития растения колеблется от 18,26% до 23,76%. При этом необходимо отметить, что разница по содержанию сухих веществ в зеленой массе топинамбура в 2010 и 2011 годах несущественна. Установлено, что наибольшее количество протеина содержалось в зеленой массе топинамбура сорта Скороспелка в фазе стеблевания - 25,45% в 2010 году и 30,71% в 2011 году. В фазе бутонизации в зеленой массе топинамбура содержалось 25,78 и 26,14% протеина, а в фазе полного цветения – 17,16 и 17,12%, т. е. фаза полного цветения топинамбура характеризуется наименьшим содержанием протеина в сухом веществе.

Основным растительным сырьем для гидролиза являются клетчатка и лигнин. Рассматривая содержание клетчатки в сухом веществе топинамбура выявлено, что наибольшим его содержанием в 2010 и 2011 годах характеризуется фаза бутонизации – 37,75 и 37,67%, соответственно, против 28,49 и 21,94% в фазе стеблевания и 27,94 и 28,87% в фазе полного цветения. Содержание лигнина в сухом веществе топинамбура колеблется от 41,19 до 48,02%.

Безазотистыми экстрактивными веществами наиболее богатым сухое вещество топинамбура оказалось в фазе полного цветения – 34,34% в 2010 году и 31,14% в 2011 году. Однако редуцирующих сахаров в сухом веществе топинамбура сорта Скороспелка более всего содержалось в фазе бутонизации – 9,76% в 2010 году и 6,38% в 2011 году.

Сухое вещество топинамбура также богато зольными элементами, которые играют важную роль в метаболических процессах микроорганизмов и являются обязательными компонентами в составе питательных сред для культивирования микроорганизмов.

Таблица 2. Химический состав клубней топинамбура сорта Скороспелка, % от сухого вещества

Показатели	Год исследования
2010	2011
Первоначальная влага	76,28±0,32	77,36±0,31
Сухое вещество	24,5±0,35	22,63±0,31
«Сырой» протеин	3,45±0,09	3,90±0,11
«Сырая» клетчатка	2,53±0,15	2,82±0,06
«Сырой» жир	2,10±0,18	2,44±0,14
«Сырая» зола	7,58±0,10	7,71±0,06
БЭВ	84,34±0,27	83,13±0,19
Инулин	13,20±0,13	12,93±0,07
Редуцирующие сахара	9,96±0,07	11,24±0,15

Установлено (табл.2), что в клубнях топинамбура сорта Скороспелка урожая 2010 года среднее содержание сухого вещества составило 24,5%, что превышает показатель за 2011 года на 1,87%.