CC BY
229
УДК 634.0:674.87 В.М. Ушанова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПИХТЫ СИБИРСКОЙ В АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
В статье представлены варианты использования отходов пихты сибирской с получением различных продуктов (углекислотных, водных и спиртовых экстрактов, пектина, мальтола), топливных брикетов, кормового белка и биопрепаратов защиты растений.
Ключевые слова: древесная зелень, кора, отходы, пихта сибирская, экстракция, вода, этанол, использование.
V.M. Ushanova SIBERIAN FIR WASTE APPLICATION IN ALTERNATIVE TECHNOLOGIES
Variants of Siberian fir waste application for various product reception (carbon dioxide, water and spirit extracts, pectin, maltol), fuel briquettes, fodder protein and biopreparations for plant protection are given in the article.
Key words: wood green, bark, waste, Siberian fir, extraction, water, ethanol, application.
Проблема рационального использования древесного сырья - одна из первостепенных задач лесного комплекса. Ее решение предусматривает утилизацию отходов лесозаготовок, лесопиления, ЦБК, которые могут служить сырьем для производства ценных веществ. Такими отходами являются древесная зелень (ДЗ) и кора пихты сибирской. Только в Красноярском крае запасы коры пихты составляют около 130 млн м3, а ДЗ
- около 1200 млн м3. Ежегодно на предприятиях лесопромышленного комплекса образуется около 30 млн м3 коры в виде отходов окорки [1-2].
В работе рассмотрены альтернативные пути использования древесной зелени, коры пихты сибирской и отходов окорки с получением различных продуктов. Схема переработки отходов пихты сибирской представлена на рисунке.
Ухудшение экологической обстановки связано с ростом загрязнения окружающей среды различными промышленными выбросами, выхлопными газами транспорта, содержащими соли тяжелых металлов, радионуклиды и другие токсичные для животного и растительного мира вещества. Пектин обладает способностью связывать эти вещества и выводить их из организма. На этом принципе основано использование пектина в качестве добавки в различные продукты лечебного и профилактического назначения, а также для изготовления лекарственных средств. Поэтому актуальными являются исследования по разработке технологий получения пектина и пектинопродуктов из коры хвойных деревьев. Обработка коры пихты сжиженным диоксидом углерода позволяет удалять вещества, которые являются балластными по отношению к пектину. Они препятствуют проникновению гидролизующего агента внутрь частиц сырья и влияют на полноту извлечения конечного продукта. Для ускорения процесса извлечения целевого продукта размер частиц пектиносодержащего сырья должен составлять от 2 до 5 мм. При исследовании влияния размера сырья и предварительной экстракции сжиженным диоксидом углерода на его сорбционную способность было установлено, что выход пектина увеличивается в среднем в два раза. В качестве гидролизующего агента использовались соляная, уксусная и щавелевая кислоты. Исследования показали, что наибольшее количество протопектина из исходной коры пихты извлекается уксусной кислотой (1,59-1,91 %), тогда как из коры пихты после СО2-экстракции - соляной (2,85-3,95 %). Уксусной кислотой из коры пихты после СО2-экстракции протопектина извлекается в 1,5 раза больше, чем из исходной коры пихты.
Схема переработки древесной зелени, коры пихты сибирской и отходов окорки
Исследования показали [3], что степень этерификации хвойных пектинов изменяется от 46 до 48 %. Это позволяет отнести их к низкоэтерифицированным пектинам, поэтому их можно использовать для поглощения тяжелых металлов. Анализ химического состава пектинов из коры хвойных показал, что они могут использоваться при производстве мармелада и желейных конфет. Экспериментальные образцы полученных желейных продуктов хорошо режутся ножом, дают так называемый «мармеладный» студень - достаточно прочный и эластичный. Органолептическая оценка изделий высокая.
Экстракция является одним из основных технологических процессов получения ценных веществ из растительного сырья, в том числе из древесной зелени и коры. Количество извлекаемых экстрактивных веществ зависит от вида используемого растворителя. Для извлечения биологически активных веществ (БАВ) используют сжиженный диоксид углерода, применение которого выгодно с экономической точки зрения, так как он является дешевым, доступным, безвредным, химически индифферентным к извлекаемому компоненту экстрагентом. Полученные углекислотные экстракты - это готовые нативные продукты для непосредственного использования в различных областях применения и не требующие дополнительной обработки в целях удаления остатков растворителя.
Количество экстрактивных веществ можно увеличить, используя последовательную экстракцию сырья сжиженным диоксидом углерода, водой и этиловым спиртом с получением углекислотных, водных и спиртовых экстрактов, содержащих БАВ (жирные и органические кислоты, эфирные масла, полифенольные соединения, хлорофиллы, каротин и другие компоненты) [4-6]. Экстракцию сжиженным диоксидом углерода проводили при температуре 18-20 оС и давлении 5,6-5,8 МПа в течение 4-6 ч; водой и 96 % этиловым спиртом - исчерпывающие экстракции в аппаратах Сокслета.
В ДЗ и коре пихты содержатся эфирные масла и липиды. Кора пихты сибирской рассматривается как реальное сырье для получения эфирного масла. В состав липидов входят жирные кислоты. Состав жирных кислот устанавливали методом ГЖХ на хромато-масс-спектрометре gCd Plus «Hewlett Packard, США». Результаты исследований показали, что в составе жирных кислот ДЗ и коры пихты присутствуют кислоты ряда С9-С26, причем в липидах ДЗ пихты сибирской и отходах окорки преобладают насыщенные жирные кислоты 55,8 и 54,8 % соответственно, тогда как в коре пихты - ненасыщенные кислоты (58,4 %). Основными ненасыщенными кислотами в коре пихты, а также отходах окорки, являются олеиновая (33,6 и 27,4 %) и линоле-вая (12,1 и 7,5 %) кислоты соответственно. В липидах ДЗ пихты сибирской преобладают линолевая (17,1 %) и а-линоленовая (10,2 %) кислоты.
Экстракция сжиженным диоксидом углерода проводилась как исходной ДЗ пихты сибирской, так и твёрдого остатка, после извлечения эфирного масла.
Органолептические показатели углекислотных экстрактов из ДЗ и коры пихты сибирской типичны для СО2-экстрактов. В углекислотных экстрактах наиболее полно сохраняется ароматическая часть исходного сырья, а извлеченные вещества находятся в неизменном виде. Углекислотный экстракт из ДЗ пихты обладает приятным ярко выраженным запахом хвои, а из коры пихты имеет древесно-смолистый запах. Запах обусловлен высоким содержанием летучих терпеноидов, которые в СО2-экстракте из ДЗ пихты достигают 50 % и более, а из коры пихты - около 40 % .
Летучие терпеноиды из углекислотных экстрактов были выделены методом гидродистилляции. Индивидуальный состав терпеноидов определялся методом ГЖХ на хромато-масс-спектрометре GCD Plus «Hewlett Packard, США». В СО2-экстрактах из ДЗ и коры пихты преобладают монотерпеновые углеводороды 54,4 и 51,7 % соответственно (от суммы терпеноидов), из отходов окорки - кислородсодержащие соединения (43,8 % от суммы терпеноидов). Среди монотерпеновых углеводородов в СО2-экстрактах преобладают а-пи-нен (от 7,2 до 13,7 % от суммы терпеноидов). Основным компонентом сесквитерпеновых углеводородов является кариофиллен (от 4,0 до 8,2 % от суммы терпеноидов). Среди кислородсодержащих соединений превалирует борнилацетат, наибольшее количество которого отмечено в углекислотном экстракте из древесной зелени пихты сибирской (31,5 %).
Биологическая ценность СО2-экстрактов зависит от их жирнокислотного состава и содержания в них жирорастворимых витаминов. Так же, как и в исходном сырье, в углекислотных экстрактах из ДЗ и коры пихты присутствуют жирные кислоты ряда С9-С26, которые являются биологически активными соединениями. В СО2-экстрактах из ДЗ пихты исходной и после пихтоваренной установки, а также коры пихты и отходах окорки, преобладают ненасыщенные жирные кислоты, которые преимущественно представлены олеиновой, линолевой и а-линоленовой кислотами. Наибольшее количество олеиновой кислоты содержится в СО2-экстрактах из коры пихты (35,2 %), линолевой (25,8 %) - в СО2-экстрактах из отходов окорки, а-линоленовой (17,1 %) - в СО2-экстрактах из Дз пихты после пихтоваренной установки. Среди насыщенных жирных кислот во всех СО2-экстрактах преобладает пальмитиновая кислота (от 6,6 до 11,9 %). Ингибирующей активностью обладают переходящие в СО2-экстракт токоферолы (витамин Е), которые предотвращают окисление ненасыщенных жирных кислот в липидах. В СО2-экстрактах из ДЗ пихты их содержится до 25,3 мг%, а из коры пихты - до 13,8 мг%.
В углекислотных экстрактах из коры пихты сибирской, хранившихся в течение пяти и более лет при температуре + 5 °C, содержание жирных кислот и летучих компонентов практически не изменилось.
Углекислотный экстракт из коры пихты методом декантации делился на жирную (липидную) и водную части. Липидную часть использовали как товарный продукт, а из водной части извлекался мальтол. Коэффициент регенерации хлороформа - 0,90. Степень извлечения мальтола от содержания его в исходном сырье составляет 26,0-30,6 % (к массе а.с.с.) [7].
Экономически целесообразно дальнейшее экстрагирование твердых остатков. При последовательной экстракции коры пихты сжиженным диоксидом углерода, водой и этиловым спиртом выход экстрактивных веществ составляет 25,0 %, а ДЗ пихты - 33,1 %. Применяемые экстрагенты подвергаются регенерации, что делает способ экономически выгодным.
Водный экстракт может служить питательной средой для микроорганизмов-продуцентов белка, либо использоваться непосредственно в корм животным в виде добавки к их основному рациону.
Спиртовые экстракты, полученные из твердых остатков ДЗ и коры пихты после СО2-экстракции, мало отличаются от спиртовых экстрактов из исходного сырья. В состав липидов входят нейтральные, фосфолипиды и гликолипиды. В спиртовых экстрактах из исходного сырья и в экстрактах из твердых остатков после СО2-экс-тракции преобладают гликолипиды. В спиртовых экстрактах из ДЗ и коры пихты, а также из их остатков, определяли содержание жирных кислот. Спиртовый экстракт после упаривания и отгонки следов растворителя используется для получения хвойной пасты. Полученный продукт, хвойную пасту, сравнивали с хлорофиллокаротиновой пастой, соответствующей ГОСТ 21802-76. Результаты сравнения показали, что по основным показателям паста, полученная из ДЗ пихты сибирской, не уступает требованиям ГОСТ 21802-76. Паста, полученная из ДЗ пихты после отгонки эфирного масла, близка по своим качествам к продукту II сорта. Твердый остаток после экстрагирования этиловым спиртом высушивают, измельчают и готовят витаминную муку.
В зависимости от поставленных задач возможны и другие варианты переработки древесной зелени и коры пихты сибирской [8].
Углекислотный и водно-спиртовый экстракты испытывали на токсичность на кафедре фармакологии Красноярского государственного медицинского университета. Результаты исследований экстрактов на токсичность показали, что данные препараты характеризуются низкой токсичностью и их можно отнести к веществам малотоксичным и малоопасным.
Для обеспечения экономической эффективности использования ДЗ и коры пихты сибирской необходима их переработка с получением не только экстрактов, но и утилизацией твердых остатков. Организация производств по утилизации твердых послеэкстракционных остатков ДЗ и коры пихты сибирской повышает
рентабельность предприятий за счет вовлечения в оборот древесных отходов и увеличения ассортимента товаров.
Одним из наиболее простых способов утилизации послеэкстракционных остатков, а также мелких древесных отходов и коры, является производство топливных брикетов, которые могут использоваться в качестве бытового и промышленного топлива. Брикеты получали без связующего. В результате исследований установлено, что достаточная плотность и прочность топливных брикетов обеспечивается при следующих условиях: давление 10 МПа, температура прессования 120 оС, влажность древесных частиц 8-12 %, продолжительность прессования составляла 5-6 мин, но при этом осуществлен предварительный прогрев древесной смеси при температуре 100 °С. Теплота сгорания топливных брикетов равна 17100 кДж/кг.
Перспективным является использование древесных отходов в качестве сырьевой базы для современных биотехнологических производств. Технологический процесс производства кормового продукта из исходной коры пихты или ее послеэкстракционных остатков при твердофазном культивировании гриба Pleu-rotus ostreatus (вешенки) является дополнением к существующим схемам переработки и состоит из следующих стадий: получение чистой культуры гриба; приготовление посевного материала; получение субстрата мицелия гриба [9]. Результаты исследований позволяют рекомендовать субстраты коры пихты после биодеструкции в качестве кормовых добавок в рацион животных и птиц.
Из исходной ДЗ, коры и отходов окорки, а также их послеэкстракционных остатков, можно получать биопрепараты защиты растений. Наиболее прогрессивной формой организации защиты растений является биологический метод, использование которого в сельском и лесном хозяйстве позволяет отказаться в ряде случаев от применения пестицидов или значительно снизить их дозы. Для биологической защиты растений против грибных возбудителей болезней широко и успешно используются грибы рода Trichoderma, на основе которых получают биопрепараты триходермины.
В настоящем исследовании были использованы штаммы грибов рода Trichoderma коллекции культур Центра биотехнологии и микологии СибГТУ: Trichoderma asperellum (Samuels) штамм МГ 97/6 (ВКПМ F-878) и Trichoderma harzianum (Rifai) штамм М 99/5 (ВКПМ F-888), обладающие высокой антагонистической активностью к фитопатогенам рода Fusarium и рекомендованные как продуценты для получения биопрепаратов триходерминов.
Для подбора дешевых и экологически чистых субстратов в производстве биопрепаратов проведена оценка способности утилизации отходов лесоперерабатывающей промышленности исследуемыми штаммами рода Trichoderma. В качестве субстратов использовали исходные кору и ДЗ пихты, отходы окорки ЦБК, твердые остатки коры пихты и ДЗ. Установлено, что изучаемые штаммы грибов рода Trichoderma способны расти на всех исследуемых субстратах, однако, продуктивность конидиегенеза на разных субстратах была неодинаковой и варьировала. Самый высокий выход спор на исходном сырье отмечен у штаммов М 99/5 Trichoderma harzianum и МГ 97/6 Trichoderma asperellum при культивировании на исходной коре пихты сибирской и составил 3,57108 г-1 и 3,09108 г-1 соответственно [8; 10].
В случае производства препарата типа триходермин необходимо обеспечить в нем достаточное количество спор гриба, обладающих хорошей жизнеспособностью. Оценка жизнеспособности спор, полученных путем твердофазной ферментации штаммов М 99/5 и МГ 97/6 на коре пихты, показала, что споры на данном растительном субстрате могут сохранять свою жизнеспособность в течение 12 месяцев на 32 и 41 % соответственно, что соответствует регламенту биопрепаратов триходерминов. Апробация препаратов проводилась в Мининском лесопитомнике.
Таким образом, увеличить выход и ассортимент ценных продуктов можно при комплексной переработке ДЗ и коры пихты сибирской с получением углекислотных, водных и спиртовых экстрактов, мальтола, эфирного масла, хвойной пасты, пектиновых веществ, биопрепарата защиты растений, кормового продукта и топливных брикетов.
Литература
1. Манаков В.А., Ляндрес Г.В., Шпаков А.Я. Утилизация древесной зелени и коры пихты сибирской //
Лесная пром-сть. - 1986. - № 7. - С. 14.
2. Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды Красноярского края в 2001 году»
/ Главное управление природных ресурсов и охрана окружающей среды МПР России по Красноярскому краю. - М.: НИА-Природа; РЭФИА, 2003. - 224 с.
3. Ушанова В.М., Батура Н.Г., Воробьева З.К. Изучение влияния функциональных групп пектинов из
коры хвойных пород деревьев на их студнеобразующие свойства // Хвойные бореальной зоны. -Красноярск, 2008. - Т. 25. - № 3-4. - С. 362-364.
4. Ушанова В.М., Репях С.М. Углекислотные экстракты как источники биологически активных веществ:
моногр. - Красноярск, 2007. - 159 с.
5. Ушанова В.М., Ушанов С.В., Репях С.М. Состав и переработка древесной зелени и коры пихты сибирской: моногр. - Красноярск, 2008. - 257 с.
6. Ушанова В.М., Ушанов С.В. Экстрагирование древесной зелени и коры пихты сибирской сжиженным диоксидом углерода и водно-спиртовыми растворами: моногр. - Красноярск, 2009. - 191 с.
7. Ушанова В.М., Зиганшин А.В., Репях С.М. Выделение мальтола из коры пихты сибирской углекислотным методом // Химия природных соединений. - 1998. - № 1. - С. 131-132.
8. Ушанова В.М., Заика Н.А., Громовых Т.И. Альтернативные пути использования коры хвойных в различных технологиях // Изв. высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - Иваново,
2006. - Т. 49. - Вып. 5. - С. 72-77.
9. Ушанова В.М., Величко Н.А. Кормовые добавки из пихтовой коры // Лесная пром-сть. - 1994. - № 5-6.
- С. 20.
10. Биологическая активность сибирских штаммов Тп^сбегта как фактор отбора для создания биопрепаратов защиты растений нового поколения / В.М. Ушанова [и др.] // Биотехнология. - 2007. - № 6. С. 12-17.
---------♦------------
УДК 641.87 (075.8) И.Н. Пушмина
ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА И ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ МОЛОКОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНОГО И МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ СИБИРИ
Рост заболеваемости всех групп населения России, отмечаемый многочисленными исследованиями, обусловлен не только несбалансированностью питания, но и во многом экологическими факторами. Сибирский регион не является исключением. В связи с этим возникает острая необходимость создания полноценных продуктов питания функциональной и профилактической направленности. В статье рассматриваются разработка и применение научных принципов формирования качества и оценки потребительских свойств продуктов переработки растительного сырья Сибирского региона и получения на их основе молокосодержащих продуктов для функционального питания.
Ключевые слова: растительное сырье, вода, продукты переработки растительного сырья, функциональные молокосодержащие продукты, цеолиты, питание.
I.N. Pushmina FORMATION OF QUALITY AND CONSUMER PROPERTIES OF THE LACTIFEROUS PRODUCTS WITH SIBERIAN VEGETATIVE AND MINERAL RAW MATERIAL APPLICATION
Sickness rateincrease in all Russian population groups, marked inthe numerous research, is caused not only byinadequate diet, but in many respects by the ecological factors. Siberian region is not an exception. In this connection there is a severe need to produce high-grade foodstuff of functional and preventive trend. Development and application of the scientific principles for quality formation and estimation of consumer properties of the Siberian region processedvegetative raw material products and receiving on their basis the lactiferous products for functional diet is considered in the article.
Key words: vegetative raw material, water, processed vegetative raw material products, functional lactiferous products, zeolites, diet.
Введение. Сложные климатические условия, стрессовые ситуации, несбалансированное питание, загрязнение окружающей среды - одни из неблагоприятных факторов проживания населения в Сибирском регионе. Отмечается значительное превышение предельно допустимых концентраций многих токсичных веществ, имеющих тенденцию к накоплению в организме и являющихся причиной возникновения профессиональных и экологически обусловленных заболеваний. На современном этапе не вызывает сомнений, что проблемы экономики, промышленного развития Сибирского региона должны решаться с учетом экологического и социального благополучия, потребностей духовного и биологического здоровья человека в экстремальных климатогеографических и экологических условиях.
