Способ первичной обработки биомассы синезеленых водорослей
Владельцы патента RU 2374187:
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия РАСХН (RU)
Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано в качестве сырья для вторичной обработки с целью получения кормовых средств и фармацевтических препаратов. Способ предусматривает сбор биомассы синезеленых водорослей при их концентрации в воде не менее 40 мг/л сухого вещества с 4 до 6 часов утра. Внесение в собранную биомассу синезеленых водорослей консерванта в виде смеси аминоуксусной кислоты и концентрата сывороточного белкового в заданном соотношении не позднее 4-х часов после ее сбора. Изобретение позволяет получить исходное сырье с высоким содержанием белка, хлорофилла и β-каротина, обеспечить сохранность компонентов в течение 6 месяцев хранения и улучшить санитарно-биологическое состояние водоема. 1 табл.
Изобретение относится к консервированию растений, в частности водорослей, и может быть использовано в качестве сырья для вторичной обработки с целью получения кормовых средств и фармацевтических препаратов.
Повышение содержания биогенных элементов и органических веществ в воде открытых водоемов приводит к их биологическому загрязнению - «цветению» природной воды и, как следствие этого, к нарушению экологического равновесия в экосистеме.
В связи с этим для улучшения экологического состояния экосистемы необходимо сбалансировать приток вещества и энергии в водоем и их отток путем сбора и потребления биологической продукции не только в виде рыбы, но и в виде водорослей.
К биохимическим компонентам биомассы водорослей относятся азотсодержащие вещества, углеводные компоненты, витаминный комплекс, жирорастворимые пигменты, фосфорсодержащие соединения, минеральные компоненты.
Содержание общего азота в водорослях в период «цветения» воды определяется количеством доминирующего вида водорослей. В начальный период «цветения» воды и в период умеренного «цветения» это, как правило, синезеленая водоросль Microcystis aeruginosa и сопровождающая ее синезеленая водоросль Aphanisomenon. Содержание общего азота у Microcystis aeruginosa колеблется в пределах 6,0-9,0%, а Aphanisomenona - 11-13%. Изменение содержания общего азота изменяет и количество белка. Причем содержание белка тем выше, чем больше молодых и жизнеспособных колоний синезеленых водорослей.
Содержание фосфора в биомассе также является максимальным до тех пор, пока синезеленые водоросли находятся в состоянии высокой жизненной активности, а значит при сборе биомассы в этот период происходит максимальное удаление фосфатов из водоема, что предотвращает наступление последующих стадий «цветения» воды, ухудшающих его санитарное состояние. При снижении уровня жизненной активности и усилении процессов отмирания происходит снижение содержания фосфора в собранной биомассе и его повышение в воде, что способствует последующему более интенсивному «цветению» воды.
К жирорастворимым пигментам собранной биомассы относятся хлорофилл и β-каротин, содержание которых подчиняется той же зависимости, что и содержание азота и фосфора, т.е. тем выше, чем больше численность живых колоний синезеленых водорослей, находящихся на уровне высокой жизненной активности.
Последнее имеет место в периоды «начало цветения - умеренное цветение». В период «интенсивного цветения» воды появляются отмирающие и мертвые колонии синезеленых водорослей, разложение которых приводит к снижению содержания белкового азота и белка, фосфора, хлорофилла и β-каротина в собранной биомассе, появлению сильнодействующих токсинов.
Таким образом, собранная биомасса представляет значительный интерес с точки зрения кормового и технического использования, а также получения хлорофилл и β-каротин содержащих препаратов.
Свежесобранная биомасса имеет ярко-зеленый цвет, рН составляет 7,4-7,6, запах либо отсутствует, либо слаботравянистый. Период сохранности такого состояния ограничен. Через 12-18 ч (при температуре 25°С) масса изменяет цвет на изумрудный с голубоватым, а затем и лиловым оттенком, рН среды понижается в результате накопления продуктов брожения (молочной, масляной кислот, этилового, бутилового спирта, ацетона. Через 24-36 ч хранения биомасса содержит большое количество масляной кислоты. Создаются благоприятные условия для развития гнилостных бактерий. Запах массы становится неприятным. В перебродившей массе при этом происходит разложение белка, углеводов, пигментов.
Клетки синезеленых водорослей окружены слоем слизи с большим количеством сопутствующих микроорганизмов. В числе последних идентифицированы разнообразные физиологические группы гетеротрофы, споровые микроорганизмы и олигонитрофилы, карбофиллы, аммонифицирующие, денитрифицирующие, и нитрофицирующие бактерии, а также молочнокислые бактерии, вызывающие гомо- и гетероферментативное брожение. Благодаря обилию и высокой активности микрофлоры, процессы разрушения органического вещества проходят интенсивно, особенно в первые сутки.
Известен способ обработки биомассы, предусматривающий сбор водорослей и внесение в биомассу в качестве консерванта смеси хлористого натрия и сорбиновой кислоты (Л.А.Сиренко, М.Я.Гавриленко. Цветение» воды и эвтрофирование, 1978 г., стр.122-140; 145-148; 161-169). Сбор водорослей осуществляют при концентрации биомассы 1-5 кг/м3. Однако такая концентрация водорослей соответствует интенсивной стадии «цветения» и гипер«цветения» воды. Что соответствует низким санитарным показателям воды с одной стороны, с другой - на этих стадиях «цветения» воды происходит разложение отмирающих водорослей, в результате которого происходит снижение содержания в биомассе белка, фосфора, хлорофилла и β-каротина.
Сложность сбора менее концентрированной биомассы заключается в трудности отделения компонентов биомассы от воды, поскольку удельный вес сестона (биомасса + вода) практически равен удельному весу воды. Связи с этим процесс отделения водорослей от воды требует значительных затрат. Использование в качестве консерванта смеси, состоящей из хлористого натрия, требует значительной его концентрации. Это обусловлено тем, что хлористый натрий обладает избирательным действием, а именно тормозит развитие молочнокислых бактерий только в высоких концентрациях. Низкие концентрации хлористого натрия способствуют их развитию (Г.Мюллер, П.Литц, Г.Д.Мюнх. Микробиология пищевых продуктов растительного происхождения. М., 1977, стр.104).
Что касается второго компонента смеси, то действие сорбиновой кислоты как антисептика проявляется в отношении дрожжей и плесени, в то время как на бактериальную микрофлору она практически не действует (Е.П. Широков Технология хранения и переработки овощей. М., 1978, стр.306).
Кроме того, оптимум действия сорбиновой кислоты находится при рН 4,5-5,0. Как было сказано выше, рН свежесобранной биомассы составляет 7,4-7,6. В связи с этим для консервирования биомассы водорослей необходимо использовать высокие концентрации сорбиновой кислоты. В противном случае в консервируемой массе могут появиться плесневые грибы, которые интенсивно разрушают белковые вещества.
Технический результат - получение сырья с высоким содержанием белка, фосфора, β-каротина, хлорофилла, минеральных элементов и улучшение санитарно-биологического состояния водоемов.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, предусматривающем сбор биомассы и внесение в нее консерванта, согласно изобретению сбор биомассы начинают при концентрации синезеленых водорослей в воде не менее 40 мг/л сухого вещества в предутренние часы с 4 до 6 часов, в качестве консерванта используют смесь аминоуксусной кислоты в количестве 0,4-0,6% и концентрата сывороточного белкового в количестве 0,8-0,9% к биомассе водорослей, причем консервант вносят в биомассу не позднее 4-х часов после ее сбора.
Как известно, для замедления автолитических процессов необходимо использовать буферный агент, стабилизирующий буферную емкость, препятствующий активизации ферментов и поддерживающий рН среды в необходимом диапазоне, т.е. способный противодействовать изменению концентрации водородных ионов. Кроме того, необходимо, чтобы консервант оказывал антисептическое действие (либо бактерицидное, либо сильное бактериостатическое действие на длительный период).
В предлагаемом способе в качестве буферного агента использовали концентрат сывороточный белковый, который в предлагаемой концентрации поддерживает рН среды на уровне, неблагоприятном для действия ферментов и, в связи с этим, подавляет автолитические процессы.
Это обусловлено следующим.
В результате гидролиза сывороточных белков образуются аминокислоты, имеющие характер амфотерных электролитов за счет наличия аминных и карбоксильных групп и потому способные связывать как кислоты, так и основания. Карбоксильные группы вступают в реакцию с ионами водорода образовавшейся кислоты:
при этом диссоциация белков незначительна, поэтому концентрация ионов водорода остается постоянной.
В случае образования щелочи белки реагируют следующим образом:
Изменение концентрации водородных ионов происходит за пределом буферности.
Использование аминоуксусной кислоты в предлагаемой концентрации оказывает длительное бактериостатическое действие (подавляет развитие микрофлоры).
Реализация заявленного изобретения.
С первой декады июня берут пробы воды в различных точках водоема для определения концентрации синезеленых водорослей в воде. При достижении концентрации 40 мг/л сухого вещества начинают сбор водорослей с 4-х до 6 часов утра. В собранную биомассу водорослей вносят консервант, в качестве консерванта используют смесь аминоуксусной кислоты в количестве 0,4-0,6% и концентрата сывороточного белкового в количестве 0,8-0,9% к биомассе водорослей, причем консервант вносят в биомассу не позднее 4-х часов после ее сбора.
Примеры выполнения способа.
Пример 1. Концентрация синезеленых водорослей в воде составляла 42 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 4 до 6 часов утра. Внесение консерванта в биомассу водорослей осуществляли через 3,5-4 часа (не позднее 4 часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,6%, концентрата сывороточного белкового - 0,8% от количества биомассы водорослей.
В результате сохранность белка через 3 месяца хранения составила 96,4%, через 6 месяцев хранения - 96,0%.
Сохранность хлорофилла через 3 месяца хранения составила 93,0%, через 6 месяцев хранения - 90,0%.
Сохранность β-каротина составила:
Через 3 месяца хранения 97,0%
Через 6 месяцев хранения - 96,0%.
Пример 2. Концентрация синезеленых водорослей составляла 46 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 4 до 6 часов утра. Внесение консерванта в биомассу водорослей осуществляли через 3,5 часа (не позднее 4х часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,4%, концентрата сывороточного белкового 0,9% от количества биомассы водорослей.
В результате сохранность белка, хлорофилла и β-каротина была на уровне примера 1.
Пример 3. Концентрация синезеленых водорослей составляла 46 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 7 до 8 часов утра. Внесение консерванта осуществляли через 4 часа (не позднее 4-х часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,5%, количество концентрата сывороточного белкового - 0,8% от количества биомассы водорослей.
В результате несмотря на то, что сохранность белка, хлорофилла и β-каротина была на уровне примеров 1, 2, энергозатраты на сбор водорослей были выше на 31% по сравнению с примерами 1 и 2.
Пример 4. Концентрация синезеленых водорослей составляла 47 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 4 до 6 ч утра. Внесение консерванта осуществляли через 5 часов (позднее 4х часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,6%, количество концентрата сывороточного белкового составляло 0,9% от количества биомассы синезеленых водорослей.
В результате сохранность белка через 3 месяца хранения составляла 92,5%, а через 5, 5 месяцев хранения - 88,6%.
Сохранность хлорофилла и β-каротина также была ниже и составляла: через 3 месяца хранения 91,2% и 94,4% соответственно;
Через 5,5 месяцев - 87% и 89,3% соответственно.
Пример 5. Концентрация синезеленых водорослей в воде составляла 47 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 4 до 6 ч утра. Внесение консерванта осуществляли через 3,5-4 часа (не позднее 4-х часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,7%, количество концентрата сывороточного белкового - 1,0% от количества биомассы синезеленых водорослей.
В результате сохранность белка, хлорофилла и β-каротина была на уровне примеров 1 и 2.
Пример 6. Концентрация синезеленых водорослей в воде составляла 45 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 4 до 6 ч утра. Внесение консерванта осуществляли через 3,5-4 часа (не позднее 4х часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,3%, количество концентрата сывороточного белкового 0,8%
В результате сохранность белка, хлорофилла и β-каротина составляла: через 3 месяца хранения 96,0%, 90,0%, 96,0% соответственно; через 4 месяца хранения - 85,3%, 81,7, 80,4% соответственно.
Пример 7. Концентрация синезеленых водорослей в воде составляла 45 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 4 до 6 ч утра. Внесение консерванта осуществляли через 3,5-4 часа (не позднее 4-х часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,6%, количество концентрата сывороточного белкового - 0,7% от количества биомассы водорослей.
В результате сохранность белка, хлорофилла и β-каротина составляла: через 4 месяца хранения 96,0%, 90,0%, 96,0% соответственно; через 5 месяца хранения - 82,0%, 79,1, 69,3% соответственно.
Пример 8. Концентрация синезеленых водорослей в воде составляла 47 мг/л сухого вещества. Сбор водорослей осуществляли с 4 до 6 ч утра. Внесение консерванта осуществляли через 5 часов (позднее 4х часов) после сбора водорослей. Количество аминоуксусной кислоты составляло 0,7%, количество концентрата сывороточного белкового составляло 1,0%
В результате сохранность белка, хлорофилла и β-каротина была практически на уровне примера 4, а именно: через 3 месяца хранения - 92,5%, 91,1, 94,1% соответственно; через 5,5 месяцев - 88,0%, 86,3%, 89,2% соответственно.
В примерах 1 и 2 были использованы все признаки заявленного изобретения. В результате достигнут технический результат с минимальными энергозатратами.
В примере 3 сбор водорослей осуществляли с 7 до 8 ч утра. Технический результат достигнут, но высокие энергозатраты делают этот вариант способа неэффективным.
В примере 4 внесение консерванта осуществляли позднее 4 часов после сбора водорослей. Технический результат не достигнут.
В примере 5 вносят повышенное количество обоих компонентов консерванта. Технический результат не улучшен по сравнению с примерами 1, 2. Экономически не выгодный вариант способа.
В примере 6 вносят аминоуксусную кислоту в меньшем количестве, чем заявлено в формуле. Технический результат не достигнут.
В примере 7 вносят концентрат сывороточный белковый в меньшем количестве, чем заявлено в формуле. Технический результат не достигнут.
В примере 8 используют признаки, не заявленные в формуле (кроме одного). Технический результат не достигнут.
В заявленном изобретении используют концентрат сывороточный белковый (КСБ-УФ) который получают методом ультрафильтрации по ТУ 10-02-02-44-87.
Согласно техническим условиям КСБ-УФ предназначен для использования в качестве белкового компонента - обогатителя при производстве мясных и молочных продуктов.
Технология получения КСБ-УФ включает сбор сыворотки, отделение жира и казеиновой пыли, пастеризацию и охлаждение, ультрафильтрацию, сушку, упаковку и хранение.
Выделение из сыворотки жира и казеиновой пыли производят на саморазгружающихся сепараторах.
Обезжиренную сыворотку пастеризуют при 72-75°С с выдержкой 15-20 сек, охлаждают до 50-55°С.
Ультрафильтрацию сыворотки осуществляют при температуре 50-55°С на специальных установках периодического и непрерывного действия с использованием полупроницаемых мембран со средним диаметром пор 40±4 нм. Готовность концентрата в процессе ультрафильтрации устанавливают рефрактометром путем определения коэффициента преломления (рефракции).
Полученный после ультрафильтрации концентрат с температурой 50-55°С собирают в емкость, оттуда подают на сушку.
Сушку производят на распылительной сушилке без дополнительного сгущения.
Готовый продукт фасуют по 15-20 кг.
Хранение при температуре 10°С не более 6 месяцев со дня выработки.
Готовый КСБ-УФ представляет собой однородный тонкодисперсный порошок от белого до кремового цвета, имеющий специфический сывороточный вкус. Азотистых веществ 55%.
| Сохранность компонентов биомассы после ее обработки консервантами, в % | ||||||||
| Компоненты биомассы | Консерванты | |||||||
| 20% NaCl | 0,25% сорбиновой кислоты + 12% NaCl | 0,5% сорбиновой кислоты | Смесь из 0,4-0,6% аминоуксусной кислоты и 0,8-0,9% концентрата сывороточного белкового | |||||
| Через 3 месяца | Через 6 месяцев | Через 3 месяца | Через 6 месяцев | Через 3 месяца | Через 6 месяцев | Через 3 месяца | Через 6 месяцев | |
| Белок | 94,0 | 70,0 | 90,0 | 50,0 | 44,0 | 32,0 | 96,4 | 96,0 |
| Хлорофилл | 84,0 | 60,0 | 70,0 | 70,0 | 75,0 | 46,0 | 93,0 | 90,0 |
| β-каротин | 87,0 | 80,0 | 77,0 | 65,0 | 57,0 | 31,0 | 97,0 | 96,0 |
Способ первичной обработки биомассы синезеленых водорослей, предусматривающий сбор биомассы и внесение в нее консерванта, отличающийся тем, что сбор биомассы начинают при концентрации синезеленых водорослей в воде не менее 40 мг/л сухого вещества в с 4 до 6 ч утра, в качестве консерванта используют смесь аминоуксусной кислоты в количестве 0,4-0,6% и концентрата сывороточного белкового в количестве 0,8-0,9% к биомассе водорослей, причем консервант вносят в биомассу не позднее 4-х ч после ее сбора.
