close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

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

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Джанаев Константин Игоревич Шифр научной специальности: 03.02.14 - биологические ресурсы Шифр диссертационного совета: Д 220.023.04 Название организации: Горский государственный аграрный университет Адрес организации: 362040, г.Влади
 На правах рукописи
Джанаев Константин Игоревич
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
Цугкиев Борис Георгиевич
Официальные оппоненты: заслуженный работник высшей школы РФ,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор Фарниев АлександрТимофеевич
заслуженный деятель науки РФ,
доктор биологических наук, профессор
Дмитриев Анатолий Федорович
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова"
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" по адресу: 362040, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Кирова, 37, Горский ГАУ, зал заседаний диссертационного совета. Тел./факс: (8672) 53-99-26; E-mail: ggaubiores@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Горский государственный аграрный университет", с авторефератом на официальном сайте www.gorskigau.ru
Текст объявления о защите диссертации и автореферат диссертации отправлены в Минобрнауки РФ по адресу: vak2.ed.gov.ru 28 апреля 2012 г. Автореферат диссертации разослан 28 апреля 2012 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент С.А. Гревцова 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 (В.К. Мамыкин 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 (В.С. Шевелуха 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 ФГУП ГосНИИгенетика.
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 1396.3-92 (27548.98); * гигроскопическую влагу - по ГОСТ 1396.3-92 (27548-97);
* "сырого" протеина - по методу Къельдалю, ГОСТ 1396.4 (28074-89);
* "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 26226-95.
* В зеленой массе топинамбура также определяли: * содержание лигнина - по Ермаковой А.И (1972);
* содержание гемицеллюлоз - по Ермаковой А.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 (Е.К. Меркурьева, 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
ПоказателиФенофаза развития растенияСтеблеваниеБутонизацияПолное цветениеГод исследования20102011201020112010201Первоначальная влага76,24±0,1977,86±0,1681,54±0,3081,43±0,2080,31±0,2481,11±0,31Сухое вещество23,76±0,4122,13±0,1618,26±0,3118,62±0,1919,69±0,2418,90±0,31 "Сырой" протеин25,45±0,1930,71±0,1025,78±01626,14±0,2117,16±0,1017,12±0,11 "Сырая" клетчатка28,49±0,3821,94±0,2737,75±0,3937,67±0,5827,94±0,3728,87±0,39 "Сырой" жир4,81±0,205,78±0,095,37±0,216,72±0,184,50±0,156,36±0,19 "Сырая" зола16,01±0,1719,94±0,1410,07±0,1014,64±0,2116,06±0,2916,51±0,23 БЭВ25,24±0,3521,63±0,4021,03±5,8114,83±0,5534,34±0,5731,14±0,49Гемицеллюлозы2,05±0,0012,24±0,075,834±0,0775,67±0,175,475±0,0325,634±0,10Лигнин43,64±0,1741,19±0,1846,94±0,1345,43±0,1848,02±0,0844,83±0,17Редуцирующие сахара4,76±0,024,99±0,039,76±0,026,38±0,094,74±0,034,22±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 2011Первоначальная влага 76,28±0,32 77,36±0,31Сухое 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±0,19Инулин 13,20±0,13 12,93±0,07Редуцирующие 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%. Важнейшим показателем, отображающим пригодность того или иного растительного субстрата для микробного синтеза, является содержание в нем безазотистых экстрактивных веществ, которые, в основном, легко расщепляются в процессе микробной ферментации. В урожае клубней топинамбура сорта Скороспелка 2010 года содержание БЭВ достигло 84,34%, а в 2011 году - 83,3%., т.е. практически одинаково. Редуцирующих сахаров в клубнях урожая 2010 года содержалось 9,96%, а в 2011 году - 11,24%, что на 1,28% больше, чем в предыдущий год. Кроме того, клубни топинамбура сорта Скороспелка в своем составе содержит необходимые количества органических соединений и минеральных веществ.
Таким образом, выявлено, что по своему химическому составу зеленая масса топинамбура сорта Скороспелка является хорошим сырьем получения гидролизатов, для последующего культивирования на них разных видов микроорганизмов, в том числе и дрожжей, с целью производства разных продуктов микробиологического синтеза.
В процессах биоконверсии растительного сырья важное значение имеет предобработка, то есть использование дополнительных методов воздействия на сырье, в целях извлечения труднодоступных сахаров и перевод их в сбраживаемые сахара. Как установлено в результате анализа химического состава топинамбура сорта Скороспелка, большую его часть составляют полисахариды, для перехода которых в сбраживаемые сахара воздействие только лишь физическими методами оказывается недостаточным.
Для осуществления процесса гидролиза при биоконверсии растительного сырья широко используется метод кислотного гидролиза.
Реакция гидролиза полисахаридов является обратной процессу их образования из моносахаридов.
Полный гидролиз полисахаридов приводит к образованию моносахаридов - целюллоза, крахмал и гликоген гидролизуются до глюкозы Нами были применены различные вариации гидролиза биомассы топинамбура сорта Скороспелка, с применением кислот, как при гидролизе зеленой массы, так и клубней. Полученные данные приведены в таблицах 3 и 4. Таблица 3. Результаты кислотного гидролиза зеленой биомассы
Режим
гидролиза Гидромодуль рН Характеристика гидролизата Содержание общего сахара,% Массовая концентрация общего экстракта г/100см3 Сухое вещество,% 1атм, 40мин +H3PO4 2500:200 3,0 6,0 8,888 3,5 1,5атм, 40мин + H3PO4 2500:200 3,21 6,8 7,476 4,5 1,5атм, 40мин +H2SO4 2500:200 2,98 6,2 8,772 4,4 1атм, 50мин + H2SO4 2500:200 3,0 4,8 9,063 3,5 1,5атм, 40мин+ H3PO4 2500:260 3,2 8, 02 7,83 6,1 1,5атм, 40мин+ H3PO4 2000:300 3,21 9,2 7,653 7,0 0,5атм, 40мин+ H3PO4 2500:150 3,63 4,1 9,239 4,01,5атм, 40мин+1н H2SO42500:200 5,53 4,2 9,066 3,81,3атм 40мин+ H3PO42500:200 4,4 5,4 9,036 4,01,3атм50мин+ H3PO42500:200 3,43 6,3 9.29 4,9 Установлено, что наиболее эффективными режимами гидролиза зеленой массы топинамбура, при котором в гидролизате накапливается наибольшее количество общего сахара, в том числе и сахарозы, являются параметры гидролиза: 1,5атм, 40 мин+H3PO4 при гидромодуле 2000:300, при котором концентрация сахаров в гидролизате составляет 9,2 г/100см3 и 1,5атм, 40 мин+ H3PO4 при гидромодуле 2,500:260 с накоплением сахаров в гидролитате равном 8,027 (табл.3).
Понижение давления в автоклаве сопровождалось снижением концентрации сахаров в гидролизатах. Также установлено, что лучшие результаты получены при использовании для подкисления среды использование H3PO4, по сравнению с H2SO4.
Таким образом, установлена целесообразность использования при гидролизе зеленой массы топинамбура сорта Скороспелка ортофосфорной кислоты.
Из анализа данных, приведенных в таблице 4 следует, что, как и ожидалось, при гидролизе клубней топинамбура гидролизаты характеризуются значительно большим содержанием сахаров. Наилучшие результаты получены при режимах гидролиза 1,5атм, 40мин+ H3PO4 при гидромодуле 180:1550 и 1,5атм, 40мин+ H3PO4 при гидромодуле 200:1500, при которых концентрация сахаров в гидролизатах составила 19,5 и 19,2 г/100см3. Как и при гидролизе зеленой массы, при гидролизе клубней целесообразней использовать ортофосфорную кислоту.
Таблица 4. Результаты кислотного гидролиза клубней топинамбура
Режим гидролизаГидромодульрНХарактеристика гидролизатаСодержание общего сахара,%Массовая концентрация общего экстракта г/100см3Сухое вещество, %1атм, 40мин +H3PO4200:15003,5615,54,80313,51,5атм, 40мин + H3PO4200:13002,7917,9244,26515,51,5атм, 40мин +H2SO4190:13002,6717,64,08515,01атм, 50мин + H2SO4200:15003,1514,15,16211,11,5атм, 40мин+ H3PO4180:15503,6819,54,18316,71,5атм, 40мин+ H3PO4200:15003,3719,24,54416,50,5атм, 40мин+ H3PO4200:,5003,9110,56,3419,71,5атм, 40мин+1н H2SO4200:15005,4210,06,7659,01,3атм 40мин+ H3PO4200:15004,2115,04,98313,01,3атм50мин+ H3PO4190:13003,8916,14,0814,4 Таблица 5. Результаты культивирования дрожжей на гидролизатах из зеленой биомассы топинамбура с.Скороспелка
Использованный вид и
штамм дрожжейПрирост биомассы в сыром виде, г/л питательной среды Номер образца12345678910М±mSacharomyces unisporis ВКПМ Y-341611,7511,5113,517,220,911,413,6513,213,415,3514,105
±0,91Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-341511,,119,520,8510,926,0527,121,118,920,6525,820,24
±1,87Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y341411,435,311,1517,8525,426,722,722,119,419,521,15
±2,39Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-43732,1533,944,519,638,2512,7517,8521,9520,1515,4525,65
±3,57Candida guilliermondii ВКПМ Y-43827,8526,331,037,8515,520,8518,9520,0512,720,8523,19
±2,52Candida parapsilosis ВКПМ Y43926,5527,531,636,215,7523,912,612,313,2513,9521,36
±2,95Candida tropicalis ВКПМ Y44029,029,832,337,418,8540,820,6533,9523,128,429,42
±2,36Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-315147,3522,324,5528,824,718,0516,0527,8529,6532,127,14
±2,90Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-346923,6522,0524,728,5522,3521,920,2520,3521,119,522,44
±0,88Sacharomyces cerevisiae штамм K-715,8517,516,516,5517,716,010,3512,313,816,1515,27
±0,79 В процессе выполнения диссертационного исследования нами на гидролизатах из зеленой массы топинамбура сорта Скороспелка с целью определения выхода биомассы, культивировались разные виды дрожжей:
- селекции НИИ биотехнологии Горского ГАУ: 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;
- селекции Института микробиологии АН Казахстана: Trichosporon cutaneum ВКПМ Y - 437, Candida guilliermondii ВКПМ Y - 438, Candida parapsilosis ВКПМ Y - 439 и Candida tropicalis ВКПМ Y - 440.
В работе также использованы дрожжи Sacharomyces cerevisiae, штамм K - 7, широко используемый при производстве этанола.
С целью подготовки питательной среды в гидролизат из зеленой массы топинамбура сорта Скороспелка вносили мочевину из расчета 3 г на 1 л и устанавливали рН 4-4,5. Питательную среду осветляли фильтрацией через бумажный фильтр. Дополнительное внесение в питательную среду фосфора не требовалось, так как при гидролизе использовалась H3PO4.
Культивирование дрожжей осуществляли в стеклянных бутылях емкостью 500 мл с использованием лабораторных качалок Cipan water bath shaker type 357 при амплитуде 250 колебаний в минуту и температуре 35-37°С в течение 8-9 часов. После окончания культивирования дрожжевую биомассу отделяли методом центрифугирования в центрифужных стаканчиках при 4 тыс.об/мин в течение 10 минут. Из анализа материалов, приведенных, в таблице 5 следует, что прирост биомассы дрожжей при их культивировании на питательных средах на основе гидролизатов из зеленой массы топинамбура сорта Скороспелка колеблется в среднем от 14,105 до 29,42 г/л.
Установлено, что при культивировании дрожжей Sacharomyces unisporis ВКПМ, штамм Y-3416 местной селекции, в среднем, прирост биомассы составил 14,105 г/л, максимальное накопление биомассы составило 20,9г/л. Sacharomyces cerevisiae ВКПМ штамм Y-3415, который также является культурой местной селекции, по приросту биомассы показал хорошие результаты: среднее накопление биомассы составило 20,24г/л, при колебаниях от 11,1 до 26,05г/л. Дрожжи Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3414 при культивировании дали следующие результаты: в среднем прирост биомассы составил 21,15г/л, максимальное накопление 26,7г/л. Дрожжи Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-437, которые Институтом микробиологии АН Казахстана селекционировались как продуценты кормового белка, при культивировании на питательной среде из зеленой массы топинамбура показали прирост биомассы 25,65г/л, при колебаниях от 12,75 до 44,5г/л.
При культивировании дрожжей Candida guilliermondii ВКПМ Y-438 средний показатели прироста биомассы равен 23,19г/л, тогда как максимальное значение составило 31,г/л. Candida parapsilosis ВКПМ Y-439, также показывают неплохое накопление биомассы, которое колеблется от 12,3 до 31,6г/л. В среднем прирост биомассы составил 21,36г/л (оба вида селекции Института микробиологии АН Казахстана как продуценты кормового белка). Кормовые дрожжи Candida tropicalis ВКПМ Y-440 при культивировании на гидролизатах в среднем накапливают 29,42г/л биомассы при колебаниях от 18,85 до 40,8, что практически не отличается от Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-437.
Следует отметить хорошие результаты при работе с дрожжами местной селекции Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151, максимальный прирост биомассы которых составил 47,35г/л, а в среднем 27,44г/л. Дрожжи Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-3469, в свою очередь, в среднем накапливают 22,44г/л биомассы. Колебания в 10 вариантах составляют от 19,5 до 28,35г/л. Дрожжи Sacharomyces cerevisiae штамм K-7, при создании соответствующих условий для накопления биомассы показали следующие результаты: средняя величина прироста биомассы равна 15,27г/л, а колебание из 10 вариантов составляет от 10,35 до 17,5г/л. Таким образом, установлено, что гидролизаты из зеленой массы топинамбура с.Скороспелка являются благоприятной средой для получения кормового белка микробиологического происхождения.
Таблица 6. Результаты культивирования дрожжей на гидролизатах из клубней топинамбура сорта Скороспелка
Использованный вид и
штамм дрожжейПрирост биомассы, г/л питательной среды12345678910М±mSacharomyces unisporis
ВКПМ Y-341618,517,78,259,15,05,355,157,16,856,08,9
±1,67Sacharomyces cerevisiae
ВКПМ Y-341519,621,5527,325,9524,3526,3512,4512,1521,6512,3520,37
±2,01Sacharomyces cerevisiae
ВКПМ Y341419,222,229,730,528,126,411,911,711,4519,121,02
±2,51Trichosporon cutaneum
ВКПМ Y-43712,717,821,3520,5523,2530,529,17,955,855,317,43
3,06Candida guilliermondii ВКПМ Y-43813,5528,4527,220,2519,322,1510,89,313,521,4518,59
±2,20Candida parapsilosis
ВКПМ Y43914,7521,057,6520,920,7528,3529,5517,7511,812,6518,52
2,35Candida tropicalis ВКПМ Y44010,88,928,329,6516,218,5524,724,659,055,317,61
±2,95Metscnikowia рulcherrima
ВКПМ Y-31519,418,119,426,825,056,357,15,255,46,4512,93
±2,84Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-34697,77,317,114,418,320,159,85,38,38,5511,69
±1,76Sacharomyces cerevisiae
штамм K-718,5521,020,011,510,611,5525,6526,526,6526,919,89
±1,76 Из анализа результатов культивирования разных видов дрожжей на гидролизатах из клубней топинамбура с.Скороспелка, приведенных в таблице 6, следует, что прирост биомассы дрожжей в среднем колеблется от 8,9 до 21,02 г/л, что уступает культивированию на питательной среде из зеленой массы.
При культивировании дрожжей Sacharomyces unisporis ВКПМ Y-3416, средний показатель прироста биомассы составил 8,9 г/л, при максимальном показателе 18,5г/л. Этот штамм дрожжей тяжело адаптируется к данной питательной среде.
Дрожжи Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3415, как и на питательной среде из зеленой массы, показали удовлетворяющий нас результат. В среднем прирост биомассы составил 20,37 г/л, что немного больше, чем на зеленой массе. В 10 кратной повторности накопление биомассы колеблется от 12,15 до 27,3 г/л. Дрожжи Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y3414 в среднем накапливают 21,02 г/л биомассы, при максимальном показателе 30,5 г/л, тогда как максимальный прирост на зеленой массе был равен 26,7 г/л.
Кормовые дрожжи Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-437, при культивировании на питательной среде из клубней топинамбура в среднем накапливают 17,43 г/л биомассы, против 25,65 г/л при культивировании на гидролизатах из зеленой массы. Максимальное накопление биомассы равно 30,5 г/л против 44,5 г/л при культивировании на гидролизатах из зеленой массы.
При культивировании дрожжей Candida guilliermondii ВКПМ Y-438 средний показатель прироста биомассы составил 18,59 г/л, что также уступает культивированию на зеленой массе. Максимальный прирост составил 28,45 г/л. Дрожжи Candida parapsilosis ВКПМ Y439 показывают неплохое накопление биомассы, которое колеблется от 7,61 до 29,55 г/л. В среднем прирост биомассы равен 18,52 г/л. Кормовые дрожжи Candida tropicalis ВКПМ Y440 при культивировании на данной питательной среде в среднем накапливают 17,61 г/л биомассы, при колебаниях от 5,3 до 29,65 г/л. Metscnikowia pulcherrima Y-3151 на питательной среде из клубней топинамбура накапливают значительно меньше биомассы, в отличие от питательной среды из зеленой массы. В среднем прирост составляет 12,93 г/л, а максимальное накопление - 25,05 г/л. Дрожжи Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-3469 в среднем накапливают 11,69 г/л биомассы, при максимальном показателе 20,15 г/л.
Спиртовая раса Sacharomyces cerevisiae штамм K-7, показала следующие результаты: средняя величина прироста биомассы равна 19,89 г/л, а колебания накопления биомассы составляют от 10,6 до 26 г/л. Таблица 7. Результаты химического анализа биомассы дрожжей на питательной среде из зеленой массы топинамбура с. Скороспелка
Штамм дрожжейПер-
вонач. влагаСухое вещес-тво"Сырой" протеин"Сырой" жир"Сырая" клетчатка"Сырая" золаБЭВCaMgPв/снатв/снатв/снатв/снатв/снатв/снатв/снатв/снат.Sacharomyces unisporis ВКПМ Y-341686,75
±0,3213,37
±0,3438,45
±0,265,13
±0,123,07
±0,120,40
±0,022,66
±0,090,34
±0,011,8
±0,070,23
±0,00952,99
±0,817,12
±0,231,15
±0,090,15
±0,010,63
±0,030,08
±0,0050,97
±0,020,12
±0,004Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-341579,52
±0,4120,47
±0,4146,04
±0,179,42
±0,203,26
±0,100,69
±0,023,97
±0,190,82
±0,043,81
±0,100,77
±0,0243,47
±0,708,95
±0,201,03
±0,050,20
±0,010,50
±0,040,09
±0,011,01
±0,020,20
±0,005Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y341481,76
±0,3718,22
±0,3746,14
±0,178,40
±0,182,04
±0,080,36
±0,013,98
±0,250,72
±0,044,64
±0,110,82
±0,0341,49
±2,307,95
±0,211,35
±0,100,24
±0,020,52
±0,050,09
±0,0090,50
±0,030,08
±0,005Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-43781,47
±0,3218,52
±0,3249,83
±0,319,23
±0,182,22
±0,090,40
±0,023,10
±0,200,57
±0,036,08
±0,061,11
±0,0238,74
±0,387,13
±0,131,17
±0,110,20
±0,010,51
±0,050,09
±0,010,88
±0,020,15
±0,005Candida guilliermondii ВКПМ Y-43884,40
±0,4215,44
±0,4150,06
±0,357,73
±0,233,98
±0,060,61
±0,024,22
±0,220,64
±0,037,08
±0,061,08
±0,0334,65
±0,495,33
±0,141,44
±0,090,21
±0,010,64
±0,040,09
±0,0060,43
±0,030,06
±0,005Candida parapsilosis ВКПМ Y43979,59
±0,2720,40
±0,2750,22
±0,3210,21
±0,183,81
±0,200,77
±0,034,22
±0,100,85
±0,026,9
±0,081,40
±0,0235,04
±0,437,14
±0,131,60
±0,080,32
±0,010,71
±0,030,14
±0,0071,19
±0,040,23
±0,01Candida tropicalis ВКПМ Y44079,70
±0,3420,29
±0,3450,24
±0,2910,19
±0,192,63
±0,110,53
±0,024,71
±0,300,95
±0,067,17
±0,061,45
±0,0335,42
±0,477,17
±0,121,73
±0,070,34
±0,010,68
±0,040,14
±0,011,17
±0,030,23
±0,007Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-315182,08
±0,3917,91
±0,3946,48
±0,188,32
±0,184,0
±0,080,72
±0,023,26
±0,170,58
±0,036,09
±0,071,08
±0,0240,17
±0,257,29
±0,141,65
±0,070,29
±0,010,64
±0,020,11
±0,0040,42
±0,020,07
±0,004Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-346983,92
±0,3616,07
±0,3645,53
±0,127,31
±0,162,22
±0,070,35
±0,012,04
±0,140,32
±0,024,03
±0,060,64
±0,0146,66
±0,427,50
±0,201,28
±0,080,20
±0,010,48
±0,020,07
±0,0040,92
±0,020,14
±0,005Sacharomyces cerevisiae штамм K-782,78
±0,4517,21
±0,4545,64
±0,097,85
±0,202,35
±0,070,39
±0,012,26
±0,200,38
±0,033,76
±0,070,64
±0,0246,14
±0,227,94
±0,211,46
±0,050,24
±0,010,59
±0,020,09
±0,0040,96
±0,030,16
±0,006
Таблица 8. Результаты химического анализа биомассы дрожжей на питательной среде клубней топинамбура с. Скороспелка
Штамм дрожжейПервонач. влагаСухое вещество"Сырой" протеин"Сырой" жир"Сырая" клетчатка"Сырая" золаБЭВCaMgPв/снатв/снатв/снатв/снатв/снатв/снатв/снатв/снат.Sacharomyces unisporis ВКПМ Y-341681,81
±0,3618,18
±0,3648,21
±0,858,77
±0,255,44
±0,150,99
±0,032,69
±0,190,48
±0,035,95
±0,151,07
±0,0337,70
±0,846,87
±0,170,94
±0,040,16
±0,0070,55
±0,030,09
±0,0070,91
±0,020,16
±0,006Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-341581,36
±0,3618,64
±0,3650,69
±0,379,44
±0,206,36
±0,141,19
±0,033,79
±0,230,70
±0,056,45
±0,221,19
±0,0432,69
±0,466,08
±0,121,87
±0,020,34
±0,0090,73
±0,020,13
±0,0051,36
±0,010,24
±0,005Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y341481,07
±0,3018,92
±0,3051,31
±0,409,70
±0,165,82
±0,101,10
±0,033,99
±0,160,75
±0,036,48
±1,131,22
±0,0332,38
±0,536,11
±0,131,83
±0,030,34
±0,0080,76
±0,020,14
±0,0061,15
±0,030,21
±0,007Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-43781,34
±0,3318,65
±0,3352,38
±0,469,77
±0,207,05
±0,081,31
±0,032,77
±0,190,51
±0,036,92
±0,161,28
±0,0330,87
±0,585,74
±0,130,87
±0,020,75
±0,600,45
±0,020,07
±0,0040,67
±0,010,12
±0,003Candida guilliermondii ВКПМ Y-43882,29
±0,4317,70
±0,4351,79
±0,409,14
±0,196,79
±0,141,20
±0,043,07
±0,300,54
±0,065,87
±0,191,03
±0,0332,45
±0,555,75
±0,191,84
±0,020,32
±0,0070,76
±0,020,13
±0,0041,11
±0,030,19
±0,005Candida parapsilosis ВКПМ Y43981,16
±0,2918,83
±0,2952,54
±0,429,88
±0,164,64
±0,140,87
±0,033,14
±0,220,58
±0,044,50
±0,160,84
±0,0335,19
±0,496,62
±0,151,94
±0,030,36
±0,0080,76
±0,020,13
±0,0050,93
±0,020,17
±0,005Candida tropicalis ВКПМ Y44078,04
±0,2421,95
±0,2452,50
±0,4311,52
±0,174,35
±0,140,95
±0,033,32
±0,330,72
±0,074,82
±0,181,05
±0,0434,94
±0,547,66
±0,131,99
±0,040,43
±0,010,79
±0,010,16
±0,0040,90
±0,020,18
±0,01Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-315181,87
±0,3818,12
±0,3849,90
±0,329,02
±0,164,64
±0,120,83
±0,023,20
±0,300,57
±0,053,92
±0,100,70
±0,0138,31
±0,516,95
±0,211,02
±0,020,18
±0,0050,71
±0,020,12
±0,0041,06
±0,020,18
±0,005Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-346981,98
±0,3718,01
±0,3750,27
±0,339,05
±0,194,05
±0,170,73
±0,033,64
±0,350,65
±0,063,84
±0,200,69
±0,0437,84
±0,506,82
±0,161,91
±0,020,34
±0,0080,77
±0,020,13
±0,0051,04
±0,020,18
±0,006Sacharomyces cerevisiae штамм K-782,16
±0,3517,83
±0,3548,57
±0,398,65
±0,174,06
±0,110,71
±0,024,63
±0,300,81
±0,053,39
±0,100,59
±0,0139,33
±0,377,01
±0,170,78
±0,010,13
±0.0030,39
±0,010,06
±0,0020,84
±0,010,14
±0,004Примечание: (в/с) - воздушно-сухое состояние; (нат) - натуральное состояние Анализируя данные, представленные в таблице 7, необходимо отметить, что содержание сухих веществ в биомассе дрожжей колебалось от 13,37 до 20,47%. Наибольшее содержание сухих веществ было в биомассе Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3415. Также содержание "сырого" жира в них составило от 2,04 до 4,00%. По содержанию "сырой" клетчатки наибольшие показатели в биомассе дрожжей Candida tropicalis ВКПМ Y440 - 4,71%, а наименьшее - в Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-3469 - 2,04%. Установлено, что содержание "сырой" золы колебалось от 1,8 до 7,17%, а БЭВ - от 34,65 до 52,99%. Содержание Mg во всех образцах примерно одинаковое и колеблется от 0,48 до 0,71%. Также установлено содержание в биомассе дрожжей Ca - от 1,03 до 1,73%. Наибольшее содержание P было в биомассе дрожжей Candida parapsilosis ВКПМ Y439 -1,19%, а наименьшее - в биомассе дрожжей Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151 - 0,42%.
Исходя из анализа таблицы 8 необходимо отметить, что содержание сухих веществ во всех образцах примерно одинаковое и колеблется от 17,70 до 21,95%. Установлено, что содержание "сырого" протеина равно от 48,21% до 52,54%. Наибольшее содержание "сырой" клетчатки обнаружено в Sacharomyces cerevisiae, штамм K-7 - 4,63%, а наименьшее - в биомассе Sacharomyces unisporis ВКПМ Y-3416 - 2,69%. Установлено, что содержание "сырого" жира колебалось от 4,05 до 7,05%, а концентрация "сырой" золы колебалось от 3,39 до 6,92%. Содержание БЭВ в биомассе разных видов дрожжей колебалось от 30,87 до 39,33%. Содержание Mg в биомассе всех видов дрожжей примерно одинаковое и колеблется от 0,39 до 0,79%. Также, установлено содержание Ca, которое варьируется в пределах от 0,78 до 1,99%. Наибольшее содержание P было в биомассе Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3415 - 1,36%, а наименьшее - в биомассе Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-437 -0,67%.
Содержание тяжелых металлов в биомассе дрожжей играет немаловажную роль, так как биомасса дрожжей может рассматриваться в качестве кормового белка. К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, но при учете токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения токсичных соединений, контроля требуют значительно меньшее число элементов. Таблица 9. Содержание металлов в биомассе дрожжей, полученной на гидролизатах из клубней топинамбура
Вид дрожжей Металл, мг/кг Pb Cd Cu Zn Sacharomyces unisporis ВКПМ Y-3416:
клубни
зеленая масса
1,89±0,003
3,12±0,06
0,78±0,03
31,83±0,38
239,75±15,10
144,94±0,43
493,18±16,27
20161,44±1250,0 Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3415
клубни
зеленая масса
1,01±0,03
2,19±0,09
0,48±0,02
18,94±0,61
166,65±4,99
61,22±1,10
1151,31±9,21
12258,40±98,06 Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y3414
клубни
зеленая масса
1,25±0,007
2,11±0,21
0,52±0,02
25,67±0,84
156,01±2,02
94,24±1,23
1614,73±24,22
11342,21±112,22 Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-437
клубни
зеленая масса
1,15±0,03
2,84±0,01
0,37±0,03
26,50±0,92
154,22±4,71
155,41±6,83
1178,34±12,67
13191,00±171,48 Candida guilliermondii ВКПМ Y-438
клубни
зеленая масса
<0,0001
0,86±0,02
<0,0001
22,41±0,47
124,53±4,60
<0,0001
1261,09±138,72
9971,07±229,34 Candida parapsilosis ВКПМ Y-439
клубни
зеленая масса
<0,0001±
<0,0001±
1,11±0,04
16,18±0,21
207,71±3,11
116,89±1,51
1153,53±14,99
6281,24±50,24 Candida tropicalis ВКПМ Y-440 клубни
зеленая масса
0,19±0,03
7,18±0,35
0,51±0,02
6,85±0,45
268,97±5,64
83,77±4,02
55,72±5,12
4286,02±77,14 Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151
клубни
зеленая масса
3,36±0,06
9,42±0,42
0,26±0,015
28,93±0,11
320,47±13,13
129,70±5,96
40,79±7,01
14441,93±288,83 Rhodotorula glutinis ВКПМ Y-3469
клубни
зеленая масса
1,92±0,02
3,17±0,19
0,66±0,06
9,52±0,69
131,65±4,87
208,05±13,93
1054,55±31,63
13952,43±962,71 Sacharomyces cerevisiae штамм K-7
клубни
зеленая масса
1,24±0,10
1,38±0,08
0,65±0,05
9,94±0,39
146,51±2,78
140,23±6,45
778,34±91,84
11865,30±510,20 Анализ материалов, приведенных в таблице 9 показывает, что в клубнях топинамбура сорта Скороспелка накапливается значительно меньше металлов, чем в зеленой массе, в том числе и тяжелых металлов. Рассматривая концентрацию в биомассе дрожжей, выращиваемых на гидролизатах из топинамбура свинца установлено, что только в биомассе двух видов дрожжей: Candida tropicalis ВКПМ Y-440 и Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151 концентрация данного тяжелого металла превышает ПДК для кормовых дрожжей (ГОСТ 28179-89) и составляет 7,18 и 9,42 мг/кг соответственно. Согласно ГОСТ 28179-89 содержание кадмия в кормовых дрожжах не должно превышать 0,3 мг/кг. Однако только биомасса дрожжей Candida guilliermondii ВКПМ Y-438 и Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151, культивируемых на питательной среде из клубней топинамбура сорта Скороспелка соответствуют требованиям указанного ГОСТа и содержат <0,0001 и 0,26 мг/кг кадмия соответственно. Концентрация кадмия в биомассе всех остальных видов дрожжей превышает требования ГОСТ 28179-89.
В целом полученные нами данные подтверждают, что топинамбур представляет собой фитомелиорант и выносит из почвы в составе своей зеленой массы тяжелые металлы.
Помимо свинца и кадмия, зеленая масса топинамбура сорта Скороспелка в своем составе содержит значительно больше цинка, чем клубни данного растения. Содержание меди и цинка не регламентируются требованиями ГОСТ 28179-89.
2.2.2. Результаты получения биоэтанола на гидролизатах топинамбура с. Скороспелка. В связи с тем, что топинамбур представляет собой растение комбинированного использования, нами было осуществлено производство биоэтанола как из зеленой массы, так и из клубней топинамбура сорта Скороспелка, так как топинамбур, как источник нетрадиционного вида сырья является наиболее выгодным для получения биоэтанола.
Широкий интерес к данному виду объясняется тем, что возможна его комплексная переработка, то есть биоконверсия, так как могут использоваться как стебли, так и клубни которые, являются прекрасным источником сбраживаемых сахаров.
Биопотенциал культуры настолько высок, что трудно найти какое-либо растение, которое за один сезон вегетации могло бы накопить в среднем 1000 центнеров биомассы (может достигать и до 1500 центнеров) с одного гектара. Полученный из зеленой массы топинамбура гидролизат нами был использован для получения биоэтанола путем выращивания в нем культуры дрожжей Sacharomyces cerevisiae штамм К-7.
В связи с тем, что выход этанола из сусла зависит от роста дрожжей, нами проведено изучение численности дрожжевых клеток Sacharomyces cerevisiae штамм К-7 при их выращивании на гидролизате из зеленой массы топинамбура. Результаты подсчета дрожжевых клеток в камере Горяева приведены в таблице 10.
Таблица 10. Численность клеток дрожжей Sacharomyces cerevisiae,
штамм К-7, при культивировании на гидролизате
из зеленой массы топинамбура
Продолжительность сбраживания сусла, час.Количество живых клеток дрожжей, млн/мл 24 195 48 455 72 255 Из анализа материалов, приведенных в таблице 10 видно, что максимальное количество дрожжевых клеток в питательной среде установлено через 48 часов инкубирования (455 млн. клеток в 1 мл), а через 72 часа число живых дрожжевых клеток в 1 мл снижается на 200 млн. и составляет 255 млн. в 1 мл. Такое резкое снижение числа дрожжевых клеток объясняется истощением питательной среды.
В контрольные часы, наряду с установлением числа дрожжевых клеток, была определена концентрация этилового спирта в бражке и установлено, что концентрация этилового спирта через 72 часа брожения составляло 0,9 %об.
Полученное из клубней топинамбура сорта Скороспелка сусло было использовано как основа питательной среды, в которой инкубировали чистую культуру дрожжей Sacharomyces cerevisiae, штамм К-7, с целью получения этанола.
Брожение проходило в течение 72 часов. Параллельно проводился контроль бражки, где измерялись параметры накопления этанола и подсчет дрожжевых клеток. Результаты подсчета дрожжевых клеток в камере Горяева приведены в таблице 11.
Таблица 11. Численность клеток дрожжей Sacharomyces cerevisiae,
штамм К-7, при культивировании на гидролизате из клубней топинамбура
Продолжительность сбраживания сусла, час. Количество живых клеток дрожжей, млн/мл 24 196 48 531 72 296 Как видно из таблицы 11, максимальное количество дрожжевых клеток в питательной среде установлено через 48 часов брожения и составляет 531 млн. клеток в 1 мл, а через 72 часа число живых дрожжевых клеток в 1 мл значительно снижается на 235 млн. и составляет 296 млн. в 1 млн., что объясняется также снижением концентрации питательных веществ в бражке. Во время брожения, наряду с установлением числа дрожжевых клеток, была определена концентрация этилового спирта в бражке. Установлено, что концентрация этилового спирта через 72 часа брожения составляет 1,2 %об.
Максимальная концентрация спирта в бражке наблюдалась через 72 часа брожения, количество дрожжевых клеток снижалось. Выход спирта составил 50 миллилитров из одного килограмма сырья, что соответствует литературным данным. Выводы:
1.Установлено, что как зеленая масса, так и клубни топинамбура сорта Скороспелка, культивируемого в РСО-Алани, представляют собой ценное сырье для биотехнологических производств, в том числе и для производства кормового белка микробного происхождения. Зеленая масса данного растения накапливает до 9,76% редуцирующих сахаров и до 34,34% безазотистых экстрактивных веществ. В клубнях содержание редуцирующих сахаров составляет до 11,24%, а безазотистых экстрактивных веществ - 84,34%.
2.Определено, что наиболее эффективными режимами гидролиза зеленой массы топинамбура с.Скороспелка, при котором в гидролизате накапливается наибольшее количество общего сахара, являются параметры: а) давление 1,5 атм, время выдержки 40 мин + H3PO4, гидромодуль 2000:300, при котором концентрация сахаров в гидролизате составляет 9,2 г/100см3; б) давление 1,5 атм, выдержка 40 мин + H3PO4 при гидромодуле 2500:260 с накоплением сахаров в гидролитате, равном 8,027 г/100см3.
3.При гидролизе клубней топинамбура гидролизаты характеризуются значительно большим содержанием сахаров. Наилучшие результаты получены при режимах гидролиза: а) давление 1,5 атм, выдержка 40мин + H3PO4 при гидромодуле 180:1550 с концентрацией сахаров в гидролизате 19,5 г/100см3; б) давление 1,5 атм, выдержка 40 мин + H3PO4 при гидромодуле 200:1500 с концентрацией сахаров в гидролизате 19,2 г/100см3. 4.Установлено, что гидролизаты из зеленой массы топинамбура с.Скороспелка являются благоприятной средой для получения кормового белка микробиологического происхождения. Наиболее активными продуцентами биомассы на данной питательной среде являются Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-437 (25,65 г/л), Candida tropicalis ВКПМ Y-440 (29,42 г/л) и Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151 (27,14 г/л).
5.На питательной среде из клубней топинамбура с.Скороспелка лучшими продуцентами биомассы являются дрожжи Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3415 (20,37 г/л), Sacharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3414 (21,02 г/л), Sacharomyces cerevisiae, штамм K-7 (19,89 г/л) и Candida guilliermondii ВКПМ Y-438 (18,59 г/л).
6.Анализом химического состава биомассы, полученной на гидролизатах из клубней топинамбура при культивировании разных видов дрожжей установлено, что содержание в ней протеина колеблется от 48,21% (Sacharomyces unisporis ВКПМ Y-3416) до 52,54% (Candida parapsilosis ВКПМ Y-439).
7.Анализом биомассы, полученной при культивировании разных видов дрожжей на гидролизатах из зеленой массы топинамбура выявлено, что наименьшим содержанием протеина в биомассе отличается Sacharomyces unisporis ВКПМ Y-3416 (38,45%), а наивысшим - Candida tropicalis ВКПМ Y-440 (50,24%). 8.Рассматривая концентрацию свинца в биомассе дрожжей, выращиваемых на гидролизатах из топинамбура, установлено, что только в биомассе двух видов дрожжей: Candida tropicalis ВКПМ Y-440 и Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151 концентрация данного тяжелого металла превышает ПДК для кормовых дрожжей (ГОСТ 28179-89) и составляет 7,18 и 9,42 мг/кг соответственно. Содержание кадмия в кормовых дрожжах не должно превышать 0,3 мг/кг. Биомасса дрожжей Candida guilliermondii ВКПМ Y-438 и Metscnikowia pulcherrima ВКПМ Y-3151, культивируемых на питательной среде из клубней топинамбура сорта Скороспелка соответствуют требованиям ГОСТа и содержат <0,0001 и 0,26 мг/кг кадмия соответственно. Полученные нами данные подтверждают, что топинамбур представляет собой фитомелиорант и выносит из почвы в составе своей зеленой массы тяжелые металлы, что обосновано значительно меньшей концентрацией тяжелых металлов в клубнях.
9.Установлено, что выход биоэтанола составляет 50 миллилитров из одного килограмма зеленой массы топинамбура с.Скороспелка, что соответствует литературным данным. Список работ, опубликованным по теме диссертации:
1.Джанаев К.И. Изучение химического состава надземной части топинамбура сорта скороспелка с целью переработки в биоэтанол. / Джанаев К.И // Известия ФГОУ ВПО "Горский госагроуниверситет". Выпуск 48, часть 1. ‒ Владикавказ, - 2011.- С. 313‒315.
2. Джанаев К.И. Культивирование дрожжей на питательной среде из клубней топинамбура. / Джанаев К.И. // Вестник научных трудов молодых ученых ФГБОУ ВПО "Горский государственный аграрный университет". Выпуск 48. ‒ Владикавказ,- 2011.- С. 64‒65.
3. Джанаев К.И. Перспектива использования биомассы топинамбура для получения биоэтанола. / Джанаев К.И. // Материалы международной научно - практической конференции "Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий". ‒ Владикавказ, - 2011. - С. 90‒92.
4. Джанаев К.И. Культивирование дрожжей на питательной среде из биомассы топинамбура. / Джанаев К.И, Цугкиев Б.Г. // Известия ФГОУ ВПО "Горский госагроуниверситет". Том 49, части 1-2. ‒ Владикавказ, - 2012.- С.398-400.
5. Джанаев К.И. Перспектива использования биомассы топинамбура сорта Скороспелка для получения биоэтанола. / Джанаев К.И, Гобеев В.Н. // Известия ФГОУ ВПО "Горский госагроуниверситет". Том 49, части 1-2. ‒ Владикавказ, - 2012.- С.396-398
2
21
Документ
Категория
Биологические науки
Просмотров
194
Размер файла
452 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа