CC BY
1Н.К. Коркин, аспирант Дм.В. Шалбуев, д-р техн. наук М.В. Славгородская, канд. хим. наук Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 675.04
ИЗУЧЕНИЕ ОБЕЗЖИРИВАЮЩЕЙ АКТИВНОСТИ БАК-СУСПЕНЗИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ПРЕПАРАТА
«БАЙКАЛ ЭМ-1»
Изучено влияние расхода бак-суспензии, полученной на основе микробиологического препарата «Байкал ЭМ-1», на степень утилизации омыленного шерстного жира. Установлено, что минимальный расход бак-супензии, при котором достигается оптимальная степень деструкции органического вещества, составляет 30% от объема рабочей ванны.
Ключевые слова: обезжиривание, овчина, бак-суспензия, деструкция, жировые вещества, липолити-ческая и протеолитическая активности.
N.K. Korkin, Dm.V. Shalbuev, D. Sc. Engineering M.V. Slavgorodskaya, Cand. Sc. Chemistry
STUDY OF BAC-SUSPENSIONS DEGREASING ACTIVITY OBTAINED BY MICROBIOLOGICAL AGENT "BAIKAL EM-1"
Influence of the bac-suspension flow, received by a microbiological agent «Baikal EM-1», on recycling degree of saponated wool grease was investigated. It is established, that the minimum of the bac-suspension flow at which optimum degree of organic substance destruction was reached, is 30 % of a bath volume.
Key words: degreasing, sheep skin, bac-suspension, destruction, oil materials, lipolitic andproteolitic activities.
Значительную долю на меховом рынке России занимают изделия из овчины. Волосяной покров и кожевая ткань овчин отличаются высоким содержанием органически вымываемых веществ. В грязном руне тонкорунных и помесных овец содержится только около 30% чистой шерсти, остальное составляют растворимые в воде соли жирных кислот (около 30%), шерстный жир - ланолин (8-10%) и загрязняющие вещества (около 30%). Жир в кожевой ткани утяжеляет полуфабрикат, делает его более грубым и вследствие окисления может вызвать снижение прочности коже-вой ткани. Зажиренный волос плохо окрашивается, он не рассыпчатый [1]. Кроме того, кожевая ткань содержит коллаген в ассоциации с различными глобулярными белками, такими как альбумин, глобулин, мукойды, а также фибриллы - эластин, кератин и ретикулин [2]. Коллагенсодер-жащее сырье подвергается мгновенному обсеменению микроорганизмами, обладающими протео-литическими или липолитическими свойствами: грамположительные - Bacillus subtilis, B. mega-terium, B.cereus, Staphylococcus epidermidis, S. aureus, Lactobacillus acidophilus и L. fermentum; гра-мотрицательные - Neisseria (3 штамма), Proteus sp. (7 штаммов), Pseudomonas sp. (6 штаммов) [3]. Общее микробное число для консервированных хлоридом натрия шкур овец составляет 10610 кл/см , а количество микроскопических грибов - 10-104 кл/см3 [4].
В настоящее время в кожевенно-меховой промышленности широко применяется сырье, содержащее большое количество жировых веществ: свиные шкуры, овчина, в меньшей степени коз-лина. Особенности строения этих видов сырья, характер расположения жировых веществ в структуре дермы обусловливают необходимость применения обезжиривающих препаратов, способствующих максимальному удалению жировых веществ, интенсификации физико-химических воздействий, повышению качества выпускаемой продукции.
Эффективность процесса зависит от использования обезжиривающих препаратов, позволяющих обеспечить оптимальное удаление жировых веществ из шкуры, что способствует лучшему выполнению последующих процессов и в конечном счете - повышению качества готовой продукции из кожи и меха [5].
Для достижения оптимального удаления органически вымываемых веществ из дермы предлагается использовать ферментные препараты протеолитического и липолитического действия. В большинстве своем предлагаемые ферменты получены из животного сырья, что обусловливает их высокую протеолитическую активность. Это может вызвать ослабление связи волоса с кожевой тканью овчинно-шубного и пушно-мехового сырья и в конечном итоге привести к теклости воло -сяного покрова. Интерес представляют энзимы микробиологического происхождения. Однако присутствие в обезжиривающей ванне СПАВ может вызвать снижение их активности, что отрицательно скажется на эффекте обезжиривания.
В настоящее время наиболее перспективным является использование биотехнологических методов, основанных на применении как отдельных штаммов микроорганизмов, так и микробиоценоза, насыщенного положительными типами взаимоотношений, с заданными свойствами, что позволит обеспечить не только оптимальное удаление жировых веществ из структуры кожевой ткани и волосяного покрова, но и уменьшить уровень техногенного воздействия на окружающую среду.
Высокая степень загрязнения сточных вод после процесса эмульсионного обезжиривания меховой овчины объясняется высоким расходом СПАВ - до 8 г/дм3, а также дополнительным введением в рабочую ванну формальдегида, являющегося токсичным как для человека, так и для гид-робионтов [6].
Одним из способов, позволяющих заменить и/или снизить расход токсичных химических материалов в технологической ванне, является совершенствование технологических процессов путем разработки новых обезжиривающих составов на основе экобиотехнологических методов, позволяющих решить данную проблему при сохранении качественных характеристик готовой продукции.
Целью работы являлось изучение механизма утилизации жировых веществ, в присутствии СПАВ, обезжиривающим составом, полученным на основе концентрата «Байкал ЭМ-1».
Бак-суспензию получали на основе концентрата «Байкал ЭМ-1», представляющего собой желто-коричневую жидкость с кефирно-силосным запахом. Кислотность - не ниже 3,6 г/дм3. В препарат входят 80 штаммов микроорганизмов и продукты их жизнедеятельности. Полученный микробиоценоз включает как аэробные, так и анаэробные организмы, а также молочнокислые, фо-тосинтезирующие, азотфиксирующие бактерии, дрожжи, ферментирующие грибы типа Aspergillus и Pénicillium, которые активно деструктируют органические вещества, образуя этиловый спирт, сложные эфиры, антибиотики, амино- и нуклеиновые кислоты.
Для получения рабочего раствора исследуемого препарата концентрат «Байкал ЭМ-1» объемом 30 см3 разводили в 3 дм3 теплой (26-30оС) нехлорированной водопроводной воды, добавляли питательную среду - 100 см3 патоки, тщательно перемешивали, плотно закрывали крышкой для предотвращения доступа кислорода. Состав патоки был следующим (%): концентрация сухих веществ - 81, сахароза - 52, азот общий - 0,19, зола - 3,5, фосфорная кислота -0,036. По данным Раева, патока имеет кислую реакцию, кислотность 2,7° и рН 6,2 [7]. Полученный раствор выдерживали в темноте при температуре 26-30оС в течение 5 сут без механического воздействия в стеклянном сосуде с плотно закрытой крышкой.
В качестве объекта деструкции использовали шерстный жир, выделенный из промывных вод шерстного производства, представляющий собой густую пастообразную массу бурого цвета. В нем содержатся кроме воска свободные жирные кислоты, глицериды, белки, слизи, красящие вещества, минеральные примеси и пр. Воски с примесью некоторых высокомолекулярных соединений, выделенные из шерстяного жира, называют техническим ланолином. В очищенном виде этот продукт называется ланолином.
Продолжительность получения бак-суспензии составила 7 дней. Контроль готовности суспензии осуществляли измерением величин рН и оптической плотности (D540) бактериальной суспензии, которые должны составить к концу экспонирования соответственно 3,6 и 0,36.
Из полученной бак-суспензии готовили три опытных водных состава с расходом исходного продукта: 100, 50 и 30%. Свойства приготовленных составов (табл. 1) определяли по следующим параметрам: рН, липолитическая и протеолитическая активность суспензии, концентрация белка и величина колонии, образующей единицы (КОЕ).
Свойства бак-суспензии в зависимости от ее расхода
Таблица 1
Расход бак-суспензии, %
Показатель 100 50 30
(вариант 1) (вариант 2) (вариант 3)
рН 3,6 4,0 4,7
Концентрация белка, г/дм3 1,25 1,10 0,95
Липолитическая активность, ед/г 118,72 96,36 76,32
Протеолитическая активность, ед/г 133,45 123,12 120,06
КОЕ, кл/см3 6,2х109 2,4x10' 1,6х107
Количество вводимой бак-суспензии оказывает незначительное влияние на изменение величины водородного показателя (от 3,6 до 4,7) и обеспечивает оптимальные значения протеолитиче-ской и липолитической активности, что делает возможным их использование как для экобиотех-нологического обезжиривания, так и для изучения механизма деструкции жировых веществ в зависимости от продолжительности экспонирования.
Предполагается, что под действием бак-суспензии разрушаются длинные углеводородные цепочки жирных кислот. Исследование деструкции омыленного шерстного жира полученными обезжиривающими составами проводили методом потенциометрического титрования.
Длина полученных углеводородных цепочек, после их микробиологической деструкции, обусловливает силу образовавшихся кислот. Чем короче цепочка, тем сильнее кислота. В результате щелочного гидролиза жировых веществ в системе образуются натриевые соли полученных кислот и продуктов их деструкции, которые оттитровываются 0,1н раствором соляной кислоты.
Соли более слабых кислот титруются в первую очередь (рН8,7-7,5), так как сильнее подвергаются гидролизу и создают более щелочную среду. Затем титруются соли более сильных кислот, имеющих короткую углеводородную цепочку, вплоть до угольной кислоты.
В качестве контрольного варианта проводили титрование омыленного жира 0,1 н раствором соляной кислоты до его обработки бак-суспензией, а также подвергали титрованию саму бак-суспензию. Количество карбоксильных групп определяли в миллимолях на грамм вещества (рис.13).
Проведенные исследования показали, что количество карбоксильных групп в шерстном жире составляет около 10 ммоль/г, а бак-суспензия содержит около 2 ммоль/г (рис. 1). Обработка шерстного жира составом 1 приводит к увеличению в продуктах деструкции карбоксильных групп до 25-35 ммоль/г, а для вариантов 2 и 3 - до 18 ммоль/г.
Рис. 1. Количество карбоксильных групп, образующихся в результате деструкции омыленного шерстного жира составом, содержащим 100% бак-суспензии (вариант 1)
Г § 17
|
X Н 13
—*—6 часов 12 часов —*- 24 часа
1 О
О 11 ю Л та « о
-V
1
о 9 « с»
Ё | ¡2 5
6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5
рН прибора
Рис. 2. Количество карбоксильных групп, образующихся в процессе деструкции омыленного шерстного жира составом, содержащим 50% бак-суспензии (вариант 2)
6,4 6,9 7,4 7,9 8,4 3,9 9,4
рН прибора
Рис. 3. Количество карбоксильных групп, образующихся в процессе деструкции омыленного шерстного жира составом, содержащим 30% бак-суспензии (вариант 3)
Оптимальное время деструкции шерстного жира составляет 24 ч, после чего количество карбоксильных групп фактически не изменяется. Количество образовавшихся карбоксильных групп зависит от расхода бак-суспензии, т.е. уменьшение ее концентрации в обезжиривающей ванне приводит к снижению числа образовавшихся карбоксильных групп (табл. 2).
Таблица 2
Влияние расхода бак-суспензии на количество карбоксильных групп, образующихся в процессе деструкции омыленного шерстного жира
Время экспонирования, ч Количество карбоксильных групп, ммоль/г(жира)
Расход бак-суспензии, %
100 (вариант 1) 50 (вариант 2) 30 (вариант 3)
0 10 10 10
6 34 18 18
12 33 17 17
24 25 17 12
48 21 17 12
Анализируя полученные данные (табл. 2), можно констатировать, что все предложенные составы для экобиотехнологического обезжиривания обеспечивают деструкцию жировых веществ, содержащихся в исследуемой системе. Максимальной деструктирующей активностью обладал состав, включающий 100% бак-суспензии, что объясняется высоким значением величины КОЕ, которая составила 109 кл/см3. С уменьшением доли бак-суспензии в обезжиривающей ванне до 50 и
30% интенсивность вовлечения жировых веществ в конструктивный и энергетический обмен незначительно снижается до 17 и 12 ммоль/г соответственно. Наклон кривой зависимости числа карбоксильных групп от рН показывает, что продукты деструкции содержат натриевые соли карбоно-вых кислот различной силы. Значения рН гидролизующихся солей связаны с длиной углеводородной цепочки, образующейся в процессе деструкции жира.
Таким образом, для разработки экобиотехнологического метода обезжиривания овчинно-шубного и пушно-мехового сырья рекомендуется использовать состав с расходом бак-суспензии 30% от общего объема рабочей ванны (вариант 3), так как в этом случае образуется оптимальное количество карбоксильных групп через 24 ч культивирования. В целом следует отметить, что варианты 2 и 3 по степени воздействия на шерстный жир имеют близкие результаты, поэтому с экономической точки зрения оптимальным следует считать вариант третий, с расходом бак-суспензии 30%.
Библиография
1. Химия и технология кожи и меха / И.П. Страхов [и др.] - М: Легкая индустрия, 1979. - 504 с.
2. Белевцова Д.В. Оценка качества коллагенсодержащих отходов и получаемых на их основе золей коллагена: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: Моск. гос. акад. вет. медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина, 2006. - 23 с.
3. Kayalvizhi N., Anthony T., Gunasekaran P. Characterization of the predominant bacteria associated with sheep and goat skin // American Leather Chemical Association Journal. - 2008. - Vol. 103. - N 6. - Р. 182-187.
4. The effect of conservation defects on the suede quality of double-face / Behzat Oral Bitlisli [et al] // American Leather Chemical Association Journal. - 2004. -Vol. 99. - N 12. - Р. 494-501.
5. Чурсин В.И., Маллашахбанов Ш.А. Обезжиривание свиного сырья органоводными ПАВ // Коже-венно-обувная промышленность. - 2005. - № 2. - С. 43-46.
6. Шалбуев Дм.В., Славогородская М.В. Жировые вещества как фактор антропогенного воздействия кожевенно-меховых предприятий на окружающую среду // Кожевенно-обувная промышленность. - 2007. -№5. - С. 27-39.
7. Раев З.А., Базилевич К.К. К методике определения сахаристости и выхода спирта из дефектной патоки // Тр. Украинского НИИСП. - 1959. - Вып.5. - С. 51-54.
Bibliography
1. Chemistry and technology of leather and fur / I. P. Strahov [et al.] - M.: Lyogkaya Industiya, 1979. -
504 p.
2. Belevtsova D. V. Evaluation of the quality of collagen waste produced on the basis of collagen sols: Abstact of Diss. Cand. Sc. Eng. - M.: Skryabin K.I. Moscow State. Acad. of Vet. Medicine and biotechnology, 2006. - 23 p.
3. Kayalvizhi N., Anthony T., Gunasekaran P. Sharacterization of the predominant bacteria associated with sheep and goat skin // American Leather Chemical Association Journal. - 2008. - Vol. 103, N 6. - P. 182-187.
4. The effect of conservation defects on the suede quality of double-face / Behzat Oral Bitlisli [et al] // American Leather Chemical Association Journal. - 2004. - Vol. 99, N 12. - P. 494-501.
5. Chursin V.I. Mallashahbanov Sh.A. Degreasing of raw pork by organic water surfactant // Kozhevenno-obuvnaya promyshlennost. - 2005. - N 2. - P. 43-46.
6. Shalbuev Dm.V., Slavogomdskaya M.V.Fatty substances of leather and fur enterprises as a factor of human impact on the environment // Kozhevenno-obuvnaya promyshlennost. - 2007. - N 5. - P. 27-39.
7. Raev Z.A., Bazilevich K.K. To the method of sugar content determining and alcohol yield from defective molasses. Proceedings of the Ukrainian NIISP. - 1959. - Vol. 5. - Р. 51-54.
