Характеристика и основные направления использования биообрастания установок марикультуры Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

2012

Известия ТИНРО

Tom 169

УДК 593.71:577.11 B.M. Дацун, E.M. Осипова*

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, 690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б

ХАРАКГЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИООБРАСТАНИЯ УСТАНОВОК MАPИKУЛЬTУPЫ

Оценены запасы и исследован химический состав гидроидного полипа Obelia longissima (Hydrozoa) и биообрастателей установок марикультуры. Показана возможность получения из гидроидного полипа O. longissima хитина и хитозана, а из биомассы обрастания — кормовых продуктов. Obelia longissima, хитин и хито-зан из нее охарактеризованы данными электронной микроскопии, инфракрасной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Разработаны технологические режимы получения кормовых концентратов из организмов обрастания с заданными свойствами, исследован их состав, аминокислотный состав белков и количественное содержание минеральных компонентов. Установлена возможность использования концентратов в качестве высокоэффективной кормовой добавки в рацион животных и птиц.

Ключевые слова: установки марикультуры, биообрастания, высокоминерализованные отходы, хитин, хитозан, кормовые продукты.

Datsun V.M., Osipova Е-M. Description and basic directions of utilization the biofouling of aquaculture facilities // Izv. TiNRO. — 2012. — Vol. 169. — P. 278285.

The polyp Obelia longissima forms big colonies that cover aquaculture facilities like thickets with thickness up to 30 cm. Its exoskeleton is an elastic chitinous substance that is quite firm. Dry mass of the polyp consists of 50.0 % chitin, 43.2 % protein, 11.6 % minerals, and traces of lipids. Its high content of chitin (in compare with traditional marine bioresources) makes it attractive as a possible source of this precious natural polymer. The chitin could be extracted under relatively mild conditions because the exoskeleton is rater thin. The best method of the chitin purifying is the extracting of protein and minerals from the polyp tissue. Two-step process of this procedure is proposed that includes the treating at first by alkaline (10-60 min. in 50% water solution of natrium hydroxide at 80-120 oC), then by acid. A white, beige or light-cream soft fiber - chitosan is produced, chemically identical to that one from crawfish. However, the process of the chitosan producing from polyps is gentile than the process of its producing from crabs because of finer morphology of O. longissima. The chitosan with deacetylation 70-88 %, molecular mass of 270-660 KDA, and kinematic viscosity 333-881х10 m/c could be produced. To get the chitosan of higher viscosity (881x10 m/c), the raw material should be treated by alkaline solution in 10 min under 80 "C. Quality of chitin and chitosan made from O. longissima meet the requirements of existing standards.

* Дацун Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, e-mail: DacunVM@mail.ru; Осипова Екатерина Михайловна, кандидат технических наук, e-mail: emtret@rambler.ru.

Key words: biofouling, O. longissima, chitin, deacetylation, chitosan, spectroscopy, fodder.

Введение

Элементы конструкций установок марикультуры в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному биообрастанию, видовой состав которого характеризуется значительным разнообразием, зависящим от района культивирования, гидрологического режима, особенностей конструктивных элементов гидробиотехнических сооружений и др. (Третениченко и др., 2005).

Учитывая значительные объемы организмов обрастания, представляет интерес исследовать их в качестве сырья для производства природных биополимеров (хитин, хитозан) и кормовых добавок в рационы сельскохозяйственных животных и птиц.

Цель данной работы — установление видового и качественного состава биообрастания элементов конструкций установок марикультуры и определение направлений их использования.

Материалы и методы

Объектами исследования служили организмы морского биообрастания установок марикультуры и продукты их переработки — хитин, хитозан и кормовые концентраты.

Сбор обрастания производили на промышленных плантациях Приморья: ООО НПКА “Нереида” (зал. Китовый, зал. Посьета), ООО “РК Посьетская” (бухты Миноносок и Клыкова, зал. Посьета), ООО “Жилсоцсервис” (о. Рикорда, Амурский залив), ООО “Рыбоводный завод” (зал. Восток). Всего собрано 257 проб. Камеральную обработку материала осуществляли по общепринятой гидробиологической методике.

Сбор O. longissima вели по окончании этапа товарного выращивания моллюсков в садках по придонной технологии, в основном с мягкой поверхности садков (дели), что совсем не сложно.

Анализ исходного сырья на влажность, зольность и содержание белковых веществ (методом Кьельдаля) проводили в соответствии с ГОСТом 7636-1985. Количество липидов определяли путем экстракции петролейным эфиром по ГОСТу 13893-1968.

Содержание белковых веществ в хитине определяли на аминокислотном анализаторе «Biochrom-30» (Кембридж) после подготовки проб кислотным гидролизом.

Кинематическую вязкость растворов хитозана определяли по ТУ 15-02 451989.

Изменения микроструктуры исходного сырья в процессе обработки кислыми и щелочными агентами, а также микроструктуры хитина и хитозана отслеживали с помощью сканирующего электронного микроскопа СЭМ LEO-430 при увеличении в 400 раз. Электропроводящее покрытие наносили методом вакуумного термического распыления углерода (Миронов и др., 1994).

ИК-спектры поглощения хитина в таблетках с KBr были сняты на спектрометре Spectrum BX-II («Perking Elmer»), ИК-спектры пленок хитозана на подложках из фтористого кальция — на ИК-Фурье спектрометре Vector-22 («Bruker»).

Для определения содержания свободных аминогрупп в хитозане применяли спектрофотометрический метод с использованием анионного красителя тропео-лин (натриевой соли 4-(2-гидрокси-1-нафтилазо) бензолсульфокислоты) в 1 %-ной уксусной кислоте. Определение проводили по отношению полос поглощения А1666(амид I) к полосе поглощения валентного колебания гидроксильных групп

А

3440'

Молекулярную массу образцов хитозана определяли вискозиметрическим методом в водном растворе 0,1 М уксусной кислоты, содержащем 0,2 М NaCl при 25 °С. Измерения проводили в модифицированном вискозиметре Убеллоде с диаметром капилляра 0,3 мм при температуре 25 и 37 °С. Концентрацию хитозана в растворе выражали в граммах на 1 см3. Молекулярную массу рассчитывали по формуле [п] = 1,81 • 10-3 M0,93.

Рентгенодифрактограммы образцов хитина и хитозана снимали на дифрактометре ДРОН-2 с использованием излучения CuK2, фильтрованного никелем.

Результаты и их обсуждение

Среди преобладающих видов, составляющих основную биомассу морских биообрастателей, определены водоросли (Costaria costata, Desmorestia viridis), кишечнополостные (Obelia longissima), коралловые полипы (Cnidopus japonica), усоногие ракообразные (Balanus rostratus), разноногие ракообразные (Caprella excimia), двустворчатые моллюски (Area boucardi, Chlamys farreri nipponensis, Hiatella arctica, Mizuhopecten yessoensis, Modiolus modiolus, Mytilus trossulus, Pododesmus macrochisma), асцидии (Styela clava) и др.

Анализ видового состава сообщества биообрастателей позволил отнести их к отходам с высоким содержанием минеральных веществ и условно классифицировать на 2 группы — биообрастатели с белковой (в основном) составляющей (двустворчатые моллюски целиком и их фрагменты) и биообрастатели с полисахаридной составляющей (гидроид O. longissima) (Дацун, 1995).

В сообществе биообрастания значительную долю (12,0-32,2 %) составляет гидроидный полип O. longissima (рис. 1), скелет которого представляет собой вещество хитиноидного характера.

Учитывая значительные объемы организмов обрастания, а также возможность культивирования полипа, представляет интерес исследовать перспективы их использования в качестве источника хитина (Феофилова, Терешина, 1999; Третениченко и др., 2005).

Результаты определения химического состава O. longissima в сравнении с составом известных видов хитинсодержащего сырья приведены в табл. 1.

Содержание хитина (табл. 1) в O. longissima составляет 44,9 %, что значительно превышает его количество в панцирях некоторых видов промысловых ракообразных. Содержание белковых веществ выше, чем в ином хитинсодержащем сырье, но количество минеральных веществ существенно ниже. Количество липидов незначительно и не превышает 0,2 %, а содержание минеральных веществ не превышает 11,6 %.

Полученные данные позволяют отнести O. longissima к перспективным источникам получения хитина.

Рис. 1. O. longissima, внешний вид колонии (Наумов,

1960)

Fig. 1. O. longissima, appearance of colonies (Наумов, 1960) 280

Таблица 1

Химический состав Obelia longissima и других видов хитинсодержащего сырья

Table 1

Chemical composition of Obelia longissima tissue

Содержание, % сухого вещества

Сырье Белок Липиды Минеральные вещества Хитин Источник данных

O. longissima

(Hydrozoa) 43,2 0,2 11,6 44,9 -

Панцирь

криля О 3 - 5 2 1-3 20-22 25-30 Хитин и хитозан .... 2002

крабов 14,7 1,0 34,5 35,3 Дацун, Сафронова, 1995

креветок 25,1 14,8 36,4 9,8 «

Гладиус

кальмара - 2-5 0,5-2,0 28,0-39,4 Хитин и хитозан ., 2002

Гаммарус 50-54 6,0-8,5 15-18 22-25 «

Подмор пчел 50-80 - 2-3 10-12 n to in hi c n e el ”С u (X 3 7 9

Грибы Aspergillus

terricola 16,3 0,4 12,6 18,3 Нудьга и др., 1999

Для определения условий выделения хитина обработку сухой О. longissima проводили по двум схемам, различающимся очередностью стадий депротеиниза-ции и деминерализации, методом экстракции сопутствующих веществ (Дацун, 1981; Дацун, Сафронова, 1995). В каждом случае изменялась кратность обработки О. longissima кислотными и щелочными агентами (от 1 до 2). После каждой депротеинизации и деминерализации промежуточные продукты промывали водой до нейтральной реакции промывных вод и определяли остаточное количество белка и минеральных веществ.

Было установлено, что для выделения хитина целесообразно использовать схему с однократной последовательной обработкой О. longissima щелочными и кислотными агентами. Выбранная схема обусловлена особенностями химического состава сырья — высоким содержанием белка в исходном продукте. Удаление белка на начальной стадии обработки способствует более глубокой деминерализации, сокращает расход реактивов и воды.

Конечный продукт (хитин) представляет собой тонкие нити от белого до светло-кремового или светло-бежевого цвета. Содержание общего азота — 7,27 % (теоретическое — 6,90 %). Превышение найденного ^6щ над теоретическим свидетельствует о присутствии остаточного белка. Массовая доля хитина в продукте составляет 92,2 %.

Установлено, что изменения, протекающие в процессе обработки исходного сырья кислыми и щелочными агентами, заключаются в том, что скелет О. 1оп-gissima, до обработки состоящий из 3-5 кольцеобразных перетяжек, после каждой обработки химическими реагентами изменяет структуру: она разрыхляется, проявляется срединный слой, невидимый в начале обработки из-за покрывающего его наружного слоя. Малая толщина наружного и внутреннего слоев скелета, а также самого скелета облегчает процесс депротеинизации и деминерализации. При этом происходит частичное удаление наружного и внутреннего слоев и утончение среднего слоя скелета. Срединный слой имеет волокнистую структуру и состоит из ряда вертикально идущих столбиков, имеющих поперечную исчерчен-ность и состоящих из волокон хитина (RudaП, Кеп^^1юп, 1973).

С целью идентификации полученного снимали ИК-спектры поглощения хитина в таблетках с КВг и ИК-спектры пленок хитозана.

ИК-спектр хитина, выделенного из О. longissima, содержит полосы поглощения, характерные для хитина ракообразных (Rudall, КепЛ^1юп, 1973): при

1640 см и плечо при 1656 см? характеризующие поглощения С = О-группировки ацетамидной группы (амид I), при 3267, 1554 и 712 см-1, относящиеся к амидной группе (амид II).

Учитывая, что исследуемый хитин имеет мелковолокнистую морфологию (рис. 2), дезацетилирование его с целью получения хитозана, осуществляли водным раствором 50 %-ного гидроксида натрия в интервале температур 80-120 °С в течение 10-60 мин.

Рис. 2. Внешний вид и строение скелета O. longissima: a — участок ствола полипа; б — после обработки щелочью; в — после обработки кислотой (увеличение 400)

Fig. 2. Appearance and structure of the O. longissima exoskeleton: a — raw tissue; б — the tissue processed by alkali; в — the tissue processed by acid (magnifying 400)

Как следует из данных табл. 2, уже при 80 °С в течение 10 мин достигается степень дезацетилирования 70 %, достаточная для полного растворения продукта в 2 %-ной уксусной кислоте. Повышение температуры реакции, как и увеличение времени щелочной обработки хитина, приводит к росту степени дезацети-лирования при одновременном снижении молекулярной массы хитозана и выхода конечного продукта. Снижение молекулярной массы вызвано гидролитической и окислительной деструкцией макромолекул полимера в присутствии кислорода воздуха.

Таблица 2

Влияние режима получения хитозана из хитина O. longissima на его характеристики

Table 2

Dependence of chitosan parameters on conditions of Obelia longissima tissue processing

Температура, °С

Показатель качества 80 100 120

хитозана Продолжительность процесса, мин

10 30 60 10 30 60 10 30 60

Степень дезацетилирования, % 70,0 71,3 72,8 77,1 78,2 80,5 79,7 80,6 87,8

Молекулярная масса, кДа 660,0 610,0 572,3 550,3 510,0 420,1 449,2 414,8 274,1

Характеристическая вязкость, мл • г-1 500,1 452,2 410,8 400,4 350,0 310,0 327,9 304,5 207,1

Выход хитозана, % к хитину 65,2 62,2 60,2 58,2 57,2 56,8 56,0 55,3 53,2

Кинематическая вязкость, 10-4 м2 • с-1 881,0 713,0 598,0 762,0 603,0 525,0 570,0 422,0 333,0

Варьирование режима получения хитозана позволяет получить продукт с определенной степенью дезацетилирования в интервале 70,0-88,8 %, молекулярной массой 270-660 кДа и кинематической вязкостью (333-881) • 10-4 м2 • с-1. Полученный хитозан имеет морфологию и цвет, подобные исходному хитину, — мелкие волокна от белого до светло-кремового или светло-бежевого цвета.

Изучение полученных образцов хитозана методами электронной микроскопии показало, что дезацетилирование хитина приводит к общей аморфизации структуры. В тонких слоях срединного слоя скелета отмечены параллельное расположение регулярных волокон, некоторые разрывы, расслоения, из которых видно пустое пространство внутри скелета, что указывает на отсутствие в нем белка.

На микрофотографиях хитозана, полученного при 120 оС в течение 60 мин (рис. 3), видно, что поверхность частиц более однородна и образована широкими фибриллами и сферолитами. Более дефектной и неоднородной надмолекулярной структурой с мелкими фибриллами и сферолитами и меньшей степенью кристалличности обладает хитозан, полученный при 80 оС в течение 60 мин, что согласуется с литературными данными (Нудьга и др., 1991; Roberts, 1992; Hjuzzarein, 1997).

Рис. 3. Внешний вид и строение хитозана из O. longissima, полученного в течение 60 мин при температуре 80 оС (a), 100 (б) и 120 оС (в) (увеличение 400)

Fig. 3. Appearance and structure of chitosan from O. longissima after 60 min. processing under temperature of (a) 80 оС,

(б) 100 оС, (в) 120 оС (magnifying 400)

Рентгенографические исследования хитозана (рис. 4) показали, что он имеет ту же кристаллическую решетку, что и хитин, но меньшую упорядоченность макромолекул.

Рис. 4. Дифрактограммы хитозана, полученного из хитина O. longissima в течение 60 мин при температуре 80 (1), 100 (2), 120 °С (3)

Fig. 4. Diffractograms of chitosan from chitin of O. longissima after 60 min. processing under temperature 80 (1), 100 (2), 120 °С (3)

Дифракционные картины хитина и хитозана имеют одинаковое расположение рефлексов, но интенсивность их на дифрактограмме хитозана меньше.

Другие виды морских биообрастателей (C. costata, D. viridis, C. japonica, B. rostratus, C. excimia, A. boucardi, C. farreri nipponensis, H. arctica, M. yes-soensis, M. modiolus, M. trossulus, P. macrochisma, S. clava и др.) можно использовать в качестве сырья для получения кормовыъх добавок в рационы сельскохозяйственных животных и птиц.

В основу технологии кормовых концентратов из обрастателей положен процесс деминерализации, позволяющий получать концентраты регулируемого состава в зависимости от потребностей потребителей: цельный, белково-минеральный и белковый. Выход продукта из обрастателей составил 21-44 % от массы сырья, поступившей на обработку, в зависимости от концентрации реагента и его количества (Третениченко, 2006).

Исследования показали, что кормовые концентраты из обрастателей обладают высокими показателями относительной биологической ценности — 54-65 %. При определении степени токсичности кормовых концентратов в них не отмечалось угнетения подвижности, замедления роста, каких-либо деформаций клеток инфузорий, а также их гибели. Поведение и характер роста клеток индикаторных организмов в опыте не отличались от таковых контрольных проб, что указывает на отсутствие токсичности кормовых концентратов (Третениченко, 2006).

Угол отражения, град

Эффективность применения кормовых концентратов из обрастателей в качестве биологически активной добавки в составе стартового лососевого низкотемпературного корма ЛСНТ (средняя температура воды 5,7 оС) подтверждена рыбоводно-биологическими показателями выращивания молоди кеты.

Кормовые затраты при кормлении молоди кеты комбикормом с добавлением кормовых концентратов из обрастателей были ниже на 10-30 % по сравнению с контрольным вариантом. Среднесуточный прирост при кормлении молоди кеты с добавками кормовых концентратов из обрастателей оказался выше на 0,27-0,54 %; отход уменьшился на 0,2-0,3 % по сравнению с контрольным вариантом.

При изучении влияния кормовых концентратов из обрастателей на химический состав молоди (целой рыбы) установлено, что существенных различий в содержании сырого протеина, минеральных веществ и липидов в опытных группах по сравнению с контролем не наблюдается. Гематологический анализ молоди кеты не выявил достоверных различий между молодью кеты, содержащейся как на опытных, так и на контрольных рационах (Третениченко, 2006).

Рыбоводно-биологические показатели выращивания молоди кеты подтверждают эффективность использования кормовых концентратов из обрастателей в качестве биологически активной добавки к корму при выращивании молоди кеты, при этом кормовые затраты были снижены до 30 %.

В результате проведенных исследований разработана и утверждена техническая документация на производство кормовых концентратов из обрастателей: ТУ 9282-001-02698223-06 “Концентрат кормовой из морских биообрастателей” и ТИ по изготовлению концентрата кормового из морских биообрастателей № 9282001-02698223-06 к ТУ 9282-001-02698223-06.

Установлено, что кормовые концентраты из обрастателей обладают высокой кормовой ценностью, что подтверждается сбалансированным аминокислотным составом, наличием комплекса эссенциальных макро- и микроэлементов (Третениченко, Воропаев, 2006).

Выводы

Установлен видовой и качественный состав обрастаний гидробиотехнических установок, используемых при культивировании гидробионтов.

Предложена технологическая схема выделения хитина из гидроидного полипа O. longissima, включающая однократную обработку сырья в последовательности щелочь-кислота. Разработаны условия получения хитозана из хитина.

В ходе эксперимента получены растворимые в разбавленных кислотах образцы хитозана со степенями дезацетилирования 70,0-87,7 %, молекулярной массой 270-660 кДа. ИК-спектры и рентгенодифрактограммы хитина и хитозана соответствуют таковым для хитина и хитозана, полученным из панцирей крабов.

Использование кормовых концентратов из обрастателей в качестве биологически активной добавки в рационы сельскохозяйственных животных и птиц повышает эффективность кормов.

Список литературы

Дацун В.М. Вторичные ресурсы рыбной промышленности (использование высокоминерализованных отходов) : монография. — М. : Колос, 1995. — 96 с.

Дацун В.М. Исследование состава и разработка технологии рационального использования отходов антарктического криля : автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М., 1981. — 30 с.

Дацун В.М., Сафронова Т.М. Хитин : монография. — Владивосток : ДВГУ, 1995. — 157 с.

Миронов А.А., Комиссарчик Я.Ю., Миронов В.А. Методы электронной микроскопии в биологии и в медицине : монография. — СПб. : Наука, 1994. — 400 с.

Наумов Д^. Гидроиды и гидромедузы. — М.; Л. : АН СССР, 1960. — 627 с. (Определители по фауне СССР; т. 70).

Нудьга Л^., Баклагина Ю.Г., ^тропавловский T.A. и др. Надмолекулярная организация и физико-механические свойства волокна из хитина с низкой степенью дезацетилирования // Высокомолек. соед. — 1991. — Т. 33 Б, № 11. — С. 864-868.

Нудьга Л^., ^трова B.A., Гaничeвa С.И. и др. Физико-химические характеристики хитин-глюкановых комплексов различного происхождения // Мат-лы Пятой Всерос. конф. «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». — М. : ВНИРО, 1999. — С. 242-245.

Tpeтeничeнкo E.M. Кормовые концентраты из организмов обрастания установок марикультуры // Изв. ТИНрО. — 2006. — Т. 145. — С. 348-362.

Tpeтeничeнкo E.M., Bopoпaeв B.M. Оценка эффективности применения кормовых концентратов из морских биообрастателей на молоди лососевых рыб // Изв. ТИНРО. — 2006. — Т. 147. — С. 371-376.

Tpeтeничeнкo E.M., Дацун B.M., Macлeнникoв С.И. Гидроидный полип Obelia longissima из сообщества обрастания установок марикультуры — новый источник получения хитина и хитозана // Мат-лы 3-й Междунар. науч. конф. “Рыбохоз. исслед. Мирового океана”. — Владивосток : Дальрыбвтуз, 2005. — Т. 2. — С. 3-4.

Фeoфилoвa E.n., Tepeшинa B.M. Перспективные источники получения хитина из природных объектов // Мат-лы Пятой Всерос. конф. «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». — М. : ВНИРО, 1999. — С. 76-78.

Хитин и хитозан: получєниє, свойства и примєнєниє : монография / под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. — М. : Наука, 2002. — 368 с.

Hjuzzarein R.A.A. Chitin. — Oxford : Pergatiion Press, 1997. — 309 p.

Roberts G.F.A. Chitin Chemistry. — L. : Macmillan Press, 1992. — 352 p.

Rudall K.M., Kenchington W. The chitin system // Biolog. Rev. — 1973. — Vol. 49. — P. 597-636.

Поступила в редакцию 2.04.12 г.