Инновационная технология переработки фитомассы амаранта

В институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН на пилотной установке в условиях механоакустического воздействия разработана высокоэффективная, экологически безопасная технология выделения практически ценных веществ из фитомассы амаранта. Созданная технология позволяет интенсифицировать процесс и обеспечить высокий выход конечных продуктов с использованием мягких пищевых кислот: лимонной, янтарной и др. На основе данной технологии разработан способ получения высокоэффективных кормовых добавок, обладающих высокой питательной ценностью и повышенной переваримостью, обогащенных биологически активными соединениями. Исследовано влияние добавок фитомассы амаранта багряного(Amaranthuscruentus) и его жома на процесс метаногенеза при использовании в качестве сырья осадка сточных вод; при этом также было обнаружено стимулирующее действие добавок на основе амаранта.

Введение. Комплексная переработка возобновляемых растительных ресурсов и создание практически безотходных технологий способствуют решению глобальной экологической проблемы. Рациональное использование природных ресурсов позволяет расширить ассортимент продукции пищевого, фармакологического и технического назначения и создать дополнительные источники вторичного сырья. Цель настоящей работы - разработка экологически чистой технологии комплексной переработки фитомассы амаранта.

Амарант - перспективное воспроизводимое растительное сырье, привлекающее к себе внимание исследователей и практиков сельского хозяйства высоким содержанием белка со сбалансированным набором незаменимых аминокислот, высокой урожайностью, повышенным содержанием витаминов, минеральных солей.

Достаточно высокое содержание флавоноидов, белка, пектина, каротиноидов в некоторых видах амаранта предполагает его использование для получения ряда биологически активных соединений, которые могут найти применение в медицинской практике. Интродукцию и использование амаранта можно рассматривать как путь к решению сложных проблем производства кормов, продовольствия и лекарственных препаратов. За большую народнохозяйственную ценность, продуктивность и адаптационные возможности эксперты продовольственной комиссии ООН признали амарант важнейшей культурой XXI века [1-3].

Материалы и методы исследования. ИК - спектры сняты на приборе UR-20 и IRS-113 фирмы Bruker с разрешением 1 см^-1 в диапазоне 400-4000 см^-1 в таблетках КВг. Определение содержания сухих веществ по плотности в экстрактах ареометром проводилось по ГОСТ 87562-70, определение влажности по ГОСТ 15 113.3-77. Определение органолептических, физико-химических и микробиологических показателей проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 29186, содержание белка в экстрактах - методом Лоури.

Определение элементного состава сырья (С, Н, N и S) проводилось на анализаторе CHN-3. Стандарт - стрептоцид, содержание элементов (%): С (41.85), Н (4.65), N (16.26) и S (18.58). Состав биогаза анализировался методом газовой хроматографии: колонка Порапак длиной 2.4 м, температура 70/110°С, газ-носитель - гелий, детектор - по теплопроводности. Для больших реакторов использовался проточный газоанализатор GeotechGA - 2000. Полученный цифровой материал обработан статистически на компьютере в программе Origin 6.0.

Результаты и их обсуждение. Разработанная технология комплексной переработки амаранта отличается простотой и универсальностью. В единой технологической цепочке последовательной экстракцией 70%-ным этанолом, дистиллированной водой, раствором органической кислоты и раствором соды извлекается широкий спектр ценных соединений (рис. 1).

Технология позволяет извлекать из амаранта пищевые компоненты - рутин, обладающий Р-витаминной активностью, пищевой краситель амарантин бетацианиновой природы, высококачественный, сбалансированный по аминокислотному составу белок, а также кислый полисахарид пектин, способный формировать в водной среде устойчивые студни и обладающий выраженной способностью к комплексооб-разованию. Достоинствами разработанной технологии комплексной переработки амаранта являются дешевизна и экологичность. При разработке технологии выделения функциональных продуктов из фитомассы амаранта используется новый подход, позволяющий в условиях механоакустического воздействия интенсифицировать процесс гидролиза-экстракции и добиться экологически безопасных условий, при которых сохраняется высокая биологическая активность целевых продуктов.

При этом появляется возможность заменить минеральные кислоты, применяющиеся при традиционных способах производства пектина, на органические: лимонную, янтарную, молочную. Возможно использование в качестве экстрагента молочной сыворотки, что позволяет применять промежуточные продукты переработки амаранта в качестве высокоэффективных кормовых добавок, обладающих высокой питательной ценностью и повышенной переваримостью, а также решить экологическую проблему, связанную с образованием большого количества сточных вод, подлежащих утилизации при традиционных способах производства пектина.

Полученные кормовые добавки апробированы при выращивании молодняка кур на птицефабриках республики Татарстан (Россия). Результаты испытаний показали, что их применение приводит к повышению массы тела цыплят на 5 -15% и снижению падежа на 15-50%. Схема комплексной переработки амаранта представлена на рисунке 1 [4].

В рамках комплексной переработки вторичного сырья и создания безотходной технологии жом амаранта, образующийся после последовательных экстракций, был использован в экспериментах по выработке биогаза [5]. Показано, что амарантовый жом является эффективным ко-субстратом для продуктивного метанового брожения и получения биогаза. Удельный выход при добавлении жома в мезофильном режиме составил 251.9 мл/г сухого вещества (СВ). При сбраживании осадка сточных вод (ОСВ) в термофильном режиме удельный выход биогаза увеличивается с 134.7 до 354.0 мл/г СВ. Содержание CH₄ оставалась на уровне 60% в течение всего эксперимента. После получения биогаза возникает проблема дальнейшей утилизации сброженных отходов. Совместно с кафедрой биохимии Казанского (Приволжского) федерального университета установлено, что без дополнительной аэробной обработки сброженный субстрат имеет высокую фитотоксичность.

После дополнительной аэробной обработки сброженного субстрата в контроле (стерильная почва) всхожесть семян кукурузы - 54.4%, в опыте с субстратом - 100%. Экспериментально показано, что наблюдается эффект стимуляции роста высших растений на 24% (табл. 1), что позволяет рассматривать переработанный в аэробных условиях субстрат в качестве потенциального удобрения.

Заключение. Разработана новая безотходная технология комплексной переработки фитомассы амаранта, позволяющая в едином цикле получить функциональные биологически активные продукты для пищевой и фармацевтической промышленности (рутин, амарантин, пектин, белковый концентрат), а также возобновляемое биотопливо (биогаз) и удобрение на основе сброженных субстратов.

Промежуточные продукты гидролиза-экстракции фитомассы амаранта (пектиново-белковые гидроли-заты) могут быть использованы в качестве высокоэффективных кормовых добавок для сельскохозяйственных животных, в том числе птиц.

После извлечения биологически ценных соединений из фитомассы амаранта Amaranthus cruentus оставшийся жом можно применять как средство для увеличения выхода биогаза из органических отходов, а переработанный в аэробных условиях субстрат в качестве потенциального удобрения.