РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИИ ФЕРМЕНТНОГО

РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИИ ФЕРМЕНТНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ЖИРОВ НА
ПРЕДПРИЯТИЯХ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ОБЩЕСТВЕННОГО
ПИТАНИЯ
Куликов Д.А.
Филиал НОУ ВО Московский технологический институт в г. Оренбурге,
Российская Федерация
kda85@inbox.ru
Активное развитие пищевой промышленности и повсеместное распространение
ресторанов и кафе, предлагающих быстрое и относительно недорогое питание, в
России за последние годы, породило целый ряд эколого-технологических проблем.
Одной из наиболее острых является проблема очистки сточных вод предприятий
пищевой промышленности от липидов, масел, белков и других органических
загрязнений. Другой важной проблемой является необходимость утилизации
отработанных пищевых ингредиентов с высоким содержанием указанных веществ, а
также очистка от них канализационных систем предприятий.
Текущее состояние экологической среды, особенно в крупных индустриально
развитых городах, обусловливает необходимость разработки и введение в действие
новых, жестких нормативов выбросов загрязнений в городские коллекторы и
окружающую среду предприятиями. Одним из наиболее целесообразных способов
решения обозначенных проблем является биотехнология ферментного разложения
органических веществ, в том числе липидов (служащих основой растительных масел,
кулинарных и кондитерских жиров) на локальных очистных сооружениях,
находящихся непосредственно на предприятиях пищевой промышленности и
общественного питания.
Существующие биотехнологии ферментного разложения и утилизации липидов,
как в сточных водах, так и в чистом виде основаны на применении ферментов
липолитического действия и микроорганизмов, их продуцирующих. Не смотря на
доказанную эффективность таких препаратов, на российском рынке они представлены
лишь несколько импортными образцами с высокой стоимостью. В связи с чем,
разработка биопрепарата – продуцента липолитеческих ферментов для локальной
очистки сточных вод, поверхностей очистных сооружений, утилизации отработанных
жиров является весьма перспективным.
Исследования по выявлению микроорганизмов, обладающих липолитической
активностью, проводили на биологических очистных сооружениях Новотроицкого
мясокомбината. В результате изучения образцов активного ила выделили четырнадцать
штаммов бактерий, идентифицированных как грамотрицательные, факультативные
анаэробные, палочковидные бактерии семейства Enterobacteriaceae рода Serratia
(серрации). В частности наибольшей активностью обладали бактерии вида Marcescens
и Species.
С целью выявления наиболее активных штаммов, было изучено изменение
липолитической активности исследуемых образцов бактерий серраций на различных
питательных средах. Липолитическая активность каждого штамма бактерий изучалась
путем высевания на 14 питательных сред, включающих мясо-пептонный агар (МПА),
среду Эндо с добавлением твердых жиров (свиного, бараньего), среду с различным
содержанием овсяной мучки, среду с дрожжевым экстрактом. Результаты наблюдений
показаны в таблице 1.
Таблица 1 - Состав питательных сред, использованных для изучения
липолитической активности бактерий серраций
Наименование компонента
Карбонат кальция (СаСО3)
Гидроорто фосфат калия (К2НРО4)
Гептагидрат сульфата магния
(MgSO4·7H2O)
Хлорид натрия (NaCl)
Сульфат аммония ((NH4)SO4)
Гидрофосфат натрия (Na2HPO4)
Мочевина ((NH2)2CO)
Дрожжевой экстракт
Овсяной крахмал
Овсяная мучка
Питательная среда, масс. %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0,5 0,5 1,0 - - - - - - - 0,2 0,2 0,2 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
0,1 0,1 0,1
0,1
3,0
0,1
6,0
0,05
0,4
5,0
2,0
2,5
1,0
-
-
-
-
-
-
-
-
0,1
0,5
0,1
2,0
1,5
1,0
0,1
4,0
2,0
1,0
0,1
1,0
0,1
2,0
2,5
0,1
4,0
3,0
0,1
6,0
1,0
3,0
0,1
2,0
1,0
Установлено, что липолитическая активность рассматриваемых штаммов
бактерий зависела от источника углерода в составе питательной среды. На среде с
мясо-пептонным агаром, характеризующейся низким содержанием липидов, но
достаточно высоким белка, полипептидов, аминокислот, являющихся факторами роста,
незначительное количество фермента липазы продуцировалось штаммами вида Species
ИБ1, ИБ3-1 и ИБ3-3.
В среде 3, состоящей из доступных субстратов (овсяной крахмал, дрожжевой
экстракт), процесс индуцирования синтеза липазы изучаемыми штаммами практически
не происходил. На среде с бараньим жиром, синтез липолитечских ферментов
начинался только после 2-х суток культивирования и только лишь у
вышеперечисленных штаммов. Количество фермента для каждого из них не превысило
7,5 мкМ олеиновой кислоты·мл-1·час-1. На среде со свиным жиром рост
липолитической активности был отмечен у всех штаммов бактерий. Величина
активности находилась в интервале от 34,0 до 45,0 мкМ олеиновой кислоты·мл-1·час-1.
В результате исследований установлено, что рассматриваемые штаммы видов
Species ИБ1, Species ИБ3-1, Species ИБ3-3, Marcescens ИБ2-1, Marcescens ИБ2-2 способны
интенсивно окислять липиды растительного и животного происхождения, а также
способны разлагать углеводороды, нефть и продукты ее переработки до более простых
форм. Окислительная способность бактерий серраций по отношению к различным
субстратам показана в таблице 2.
Для изучения возможности использования бактерий серраций для локальной
очистки сточных вод насыщенных жирами была исследована способность выделенных
штаммов утилизировать жиры. Биодеградацию жиров изучали на средах,
обеспечивающих максимальную липолитическую активность штаммов. Для
культивирования бактерий серраций использовали среду Эндо с овсяной мучкой в
концентрациях 0,5 мас.%, 2,5 мас.% и автолизатом пивных дрожжей в концентрациях 3
мас.%, 6 мас.%, 9 мас.%. В качестве основы для деструкции использовали кулинарный
жир.
В качестве субстрата для изучения динамики биодеструкции липидов
использовали кулинарный жир. Применение овсяной мучки в качестве основного
компонента питательной среды обусловлено ее уникальным химическим составом
(наличие значительного количества белков, аминокислот, липидов, витаминов и
минеральных веществ) [1 - 4].
По сбалансированности химического состава мучка значительно превосходит
соевую муку, часто применяемую для составления питательных сред.
Таблица 2 - Окислительная способность бактерий серраций
Наименование субстрата
Подсолнечное масло
Оливковое масло
Пальмовое масло
Свиной жир
Говяжий жир
Кулинарный жир
Парафин
Толуол
Нефть
Дизель
Окислительная способность штаммов, мг CO2/г субстрата
Species
Species Species Marcescens Marcescens
ИБ1
ИБ3-1
ИБ3-3
ИБ2-1
ИБ2-2
195
62
199
100
70
68
99
101
62
155
59
95
96
56
139
87
145
36
8
92
29
61
122
55
121
24
67
121
68
110
26
22
68
10
6
13
29
13
62
75
108
107
37
54
10
35
110
97
30
9
Результаты исследования свидетельствуют о том, что степень биодеструкции
кулинарного жира бактериями серрациями связана с составом питательной среды. Так,
через 96 часов культивирования степень разложения жира изучаемыми штаммами
составила 100 % на средах, приготовленных с добавлением овсяной мучки и автолизата
из дрожжей.
Исследование эффективности процесса очистки сточных вод предприятий
бактериями серрациями проводили на модельных растворах. Растворы готовили на
основе среды Эндо.
Установлено, что все исследуемые штаммы бактерий серраций утилизируют
жиры с достаточно высокой степенью. Наилучшие результаты по биодеградации
растительных масел получены для штаммов Species ИБ3-1 и Species ИБ1. Эти штаммы на
100 % утилизировали оливковое масло уже после 16 и 24 часов культивирования
соответственно, максимальное потребление подсолнечного масла для обоих штаммов
достигалось за 24 часа. Твердые животные жиры подвергались полной деструкции
через 96 часов культивирования лишь штаммами Marcescens ИБ2-2 и Species ИБ3-1.
Таким образом, показано, что все исследуемые штаммы бактерий серраций
достаточно эффективно утилизируют растительные и животные жиры в модельных
растворах.
Литература
1. Куликов Д. А. Новые тенденции использования вторичного сырья крупяного
производства / Д. А. Куликов // Приволжский научный вестник : науч.-практ.
журнал. – 2014. – № 5 (33). - С. 36-38.
2. Куликов Д. А. Применение вторичных сырьевых ресурсов крупяного
производства для обогащения продуктов питания биологически активными веществами
/ Д. А. Куликов // Технические науки – от теории к практике : сб. ст. по материалам
XXXIII Междунар. науч.-практ. конф. – Новосибирск : «СибАК», 2014. - № 4 (29). – С.
192-196.
3. Куликов Д. А. Перспективные направления применения побочных продуктов
переработки крупяных культур / Д. А. Куликов // Образовательная среда сегодня и
завтра : сб. материалов VIII Междунар. науч.-практ. конф / под ред. Г. Г. Бубнова. – М.
: Изд-во Моск. гос. индустр. ун-та. 2013. – С. 371-374.
4. Эффективность использования вторичного сырья крупяного производства / Т.
А. Никифорова, С. Г. Пономарев, Д. А. Куликов, С. М. Севериненко, В. Г. Байков //
Хлебопродукты. - 2011. - № 7. - С. 50-51.