Изучение закономерностей синтеза и разработка технологии концентрата наночастиц нульвалентного селена для новых профилактических продуктов
На правах рукописи
Мирошниченко Михаил Владимирович ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СИНТЕЗА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОНЦЕНТРАТА НАНОЧАСТИЦ НУЛЬВАЛЕНТНОГО СЕЛЕНА ДЛЯ НОВЫХ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ Специальность 05.18.04 - «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ставрополь – 2013 2
Работа выполнена на кафедре прикладной биотехнологии ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» доктор технических наук, профессор,
Научный консультант:
академик Россельхозакадемии Храмцов Андрей Георгиевич
Официальные оппоненты: Молочников Валерий Викторович доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», кафедра технологии производства и переработки с/х продукции, профессор Полянский Константин Константинович доктор технических наук, профессор, Московский государственный торгово экономический университет (Воронежский филиал), кафедра коммерции и товароведения, профессор ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
Ведущая организация:
аграрный университет», г. Краснодар
Защита состоится «28» февраля 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного Совета Д 212.245.05 при Северо-Кавказском федеральном университете по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корп. 3, ауд.
506.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: г.
Ставрополь, ул. Дзержинского, 120. С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайтах СКФУ www.ncfu.ru и ВАК РФ Министерства образования и науки РФ www.vak.ed.gov.ru/ru/dissertation/
Автореферат разослан «28» января 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.245. доктор технических наук, профессор Шипулин Валентин Иванович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Мониторинг состояния здоровья населения России, проведенный по инициативе НИИ Питания РАМН, выявил массовые распространения полигиповитаминозов, сочетающихся с дефицитом ряда минеральных веществ (кальция, железа, йода, селена и др.). В частности, в Ставропольском крае отмечается дефицит таких эссенциальных микроэлементов, как марганец, цинк, селен, хром и железо, что, вероятно, является отражением местных эколого-гигиенических и социальных особенностей. Особого внимания при этом заслуживает эссенциальный микроэлемент селен.
Адекватное потребление селена имеет важное значение в поддержании баланса экспрессии многочисленных микросомальных Sе-зависимых ферментов, обеспечивающих биотрансформацию различных ксенобиотиков.
В целом селен называют важнейшим генопротектором, который блокирует повреждения ДНК продуктами перекисного окисления липидов, металлами и регулирует процессы их системной элиминации в организме.
Значительный вклад в развитие комплексных научных исследований о биологических функциях, метаболизме и механизмах действия эссенциальных микроэлементов, в частности селена, внесли Богатырев А. Н., Тутельян В. А., Скальный А. В., Горлов И. Ф., Мазо В. К., Гмошинский В. К., Голубкина Н. А., Nuve J. и другие.
Наиболее эффективным и экологически доступным способом улучшения обеспеченности населения эссенциальным микроэлементом – селеном – является дополнительное обогащение им продуктов профилактического питания до уровней, соответствующих физиологическому потреблению.
В России до недавнего времени наиболее часто используемой неорганической формой селена являлся селенит (Se+4). Однако невысокий биологический эффект и возможность токсикозов животных и птиц при передозировках предопределили поиски других производных селена и в первую очередь природных. При этом наиболее перспективным является применение нульвалентного селена с размером наночастиц 20 – 70 нм.
Основное его преимущество, по сравнению с другими формами селена, заключается в «размерном эффекте», проявляющемся в том, что наночастицы являются биологически более активными и лучше накапливаются в тканях.
Широкое использование наночастиц нульвалентного селена сдерживается слабой изученностью закономерностей поведения наночастиц селена при использовании в качестве пищевой или кормовой добавки, а также отсутствием на рынке товарных форм.
В связи с этим разработка научно-обоснованной технологии концентрата наночастиц нульваленного селена (КННС), изучение закономерностей его сорбции основными компонентами молочного сырья и обогащение им молочной и мясной продукции профилактического назначения является актуальной и востребованной.
Цель и задачи исследований Целью диссертационной работы является исследование закономерностей синтеза наночастиц (кластеров) нульвалентного селена с разработкой инновационной технологии концентрата для использования в кормовых добавках и продуктах питания профилактического назначения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
– установить закономерности и оптимизировать процесс синтеза наночастиц (кластеров) нульвалентного селена с использованием метода математического планирования эксперимента;
– исследовать попарное влияние значимых параметров дисперсионной среды на размер наночастиц нульвалентного селена;
– определить состав, физико-химические, токсикологические свойства и структуру КННС;
– разработать принципиальную технологическую схему производства КННС;
– оценить влияние КННС на продуктивность и биохимические показатели цыплят-бройлеров;
– изучить закономерности сорбции наночастиц нульвалентного селена основными компонентами молочного сырья и провести компьютерное моделирование процесса взаимодействия наночастицы селена с казеином молока;
– разработать научно-технические основы новых продуктов на примере «Молочного напитка профилактического, обогащенного селеном»;
– провести анализ экологической безопасности и экономической эффективности разработанных технологий.
Научная новизна – теоретически обоснована и экспериментально доказана целесообразность обогащения продуктов питания эссенциальным микроэлементом селеном в виде его концентрата нульвалентных наночастиц;
– изучены закономерности процесса синтеза КННС и исследованы его физико-химические, токсикологические и биохимические свойства;
– методом компьютерного молекулярного докинга в среде программы AutoDock доказан эффект взаимодействия молекулы казеина с наночастицей селена и обогащение селеном молочной продукции;
– установлено положительное влияние разработанного концентрата на продуктивность и биохимические показатели цыплят-бройлеров, а также яйценоскость кур-несушек.
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение № 2392944 «Препарат для лечения и профилактики нарушения обмена селена для сельскохозяйственных животных».
Практическая значимость. Разработана технология концентрата наночастиц нульвалентного селена «Экстраселен», подготовлен и утвержден стандарт организации (СТО 02067965-006-2011). Произведена опытно промышленная выработка «Экстраселена» в условиях ООО НПФ «Виктория+».
Подготовлен и утвержден стандарт организации на напиток молочный профилактический, обогащенный селеном (СТО 02067965-007-2011).
Произведены опытно-промышленные выработки напитка молочного профилактического, обогащенного селеном, в условиях ООО «Провинция».
Инновационные приоритеты работы:
– исследование закономерностей синтеза и разработка способа получения концентрата наночастиц (кластеров) нульвалентного селена;
– разработка инновационных технологий новых профилактических продуктов, обогащенных эссенциальным микроэлементом селеном.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на XII региональной научн.-техн. конф.
«Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону» 2008 год, XIII науч.-техн.
конф. «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону» и XXXIX научн. техн. конф. по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2009 год, Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии и оборудование в молочной промышленности» г. Воронеж, 2010 г., XIV региональной научн.-техн. конф. «Вузовская наука – Северо Кавказскому региону» 2010 г., Междунар. науч.-практ. конф.
«Инновационные технологии продуктов здорового питания, их качество и безопасность» г. Алматы, 2010 г.
Публикации. По материалам научных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в рецензируемых ВАК РФ журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, выводов, списка литературы, содержащего 5 наименований источников, и 8 приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц и 30 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, показана его научная новизна и практическая значимость;
сформулирована цель работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследований» представлен аналитический обзор патентной и научно-технической литературы по вопросам обогащения пищевых продуктов, в частности молочных и мясных, эсенциальными микроэлементами и в первую очередь селеном. Показаны медико-биологические свойства селена. Критически проанализированы неорганические и органические селенсодержащие препараты, а также наноселен в нульвалентном состоянии. Рассмотрены способы получения и анализа концентратов, содержащих агрегативно устойчивые наночастицы нульвалентного селена. По результатам анализа литературных данных сформулированы задачи научной работы.
Во второй главе «Организация, объекты и методы проведения исследований» представлена схема проведения исследований (рис. 1), дана характеристика объектов исследования и условий проведения опытов, приведены методы исследований и обработки экспериментальных данных.
В качестве объектов исследования использовались: питьевое молоко с массовой долей жира 3,2 %, натуральная молочная сыворотка (подсырная и творожная), селенистая кислота (H2SeO3) ч.д.а. по ГОСТ 11081-75;
аскорбиновая кислота (С6Н8О6) по ФСП 42-3268-08;
поливинилпирролидон низкомолекулярный медицинский 8000±2000 по ФСП 42-0345-4368-03.
При проведении исследований использованы следующие методы анализа: размеры частиц – методом фотонно-корреляционной спектроскопии;
морфология наночастиц селена – методом просвечивающей электронной микроскопии;
массовая доля селена методом масс спектрометрии с индуктивно связанной плазмой;
раман-спектры (спектры КР) образцов наноселена были получены на спектрометре комбинационного рассеивания;
определение массовой доли сухих веществ, жира и белка проводилось стандартными методами. Полученные результаты исследований обработаны с помощью пакета прикладных программ Neural Networks v.4.0e, а также методами математической статистики Statistica 6.0.
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА Постановка цели и задач исследований Организация работы и методы исследований Теоретическое обоснование синтеза и разработка технологии концентрата наночастиц нульвалентного селена Оптимизация процесса Математическое Изучение физико- Изучение токсикологических синтеза планирование химических свойств свойств Экспериментальные исследования закономерностей сорбции нульвалентного селена Продуктивность основными компонентами молочного сырья цыплят-бройлеров Сепарирование Пастеризация Фракционирование Разработка технологии напитка молочного профилактического, обогащенного селеном Опытно-промышленная проверка результатов экспериментальных исследований, разработка ТД Оценка экономической эффективности и экологической безопасности Рисунок 1 – Схема проведения исследований В третьей главе «Теоретическое обоснование синтеза концентрата наночастиц нульвалентного селена для обогащения продуктов профилактического назначения» показано, что необходимость обогащения новых продуктов питания витаминами, а также эссенциальными макро- и микроэлементами продиктована объективными экологическими факторами, связанными с изменением состава и пищевой ценности используемых продуктов питания, а также с трансформацией образа жизни современного человека. Пищевые продукты функционального питания, обогащенные физиологически полезными пищевыми ингредиентами, к которым, наряду с витаминами, живыми молочнокислыми бактериями, биофлаваноидами и пищевыми волокнами, относятся эссенциальные микроэлементы и в первую очередь селен.
В соответствии с рекомендациям ГУ НИИ питания РАМН по уровню адекватного потребления селена (70 мкг/сутки) и с учетом сравнительно низкого содержание селена в коровьем молоке (~30 мкг/л) в диссертационной работе проведены предварительные расчеты, показывающие целесообразность проведения мероприятий по обогащению профилактической молочной продукции эссенциальным микроэлементом селеном до 125 мкг/л готовой продукции, без учета фонового содержания селена в молоке.
Особый интерес представляет использование селена в кормовых добавках для бройлеров или кур яичного направления с целью обогащения этим эссенциальным микроэлементом профилактической мясной продукции и яиц.
Теоретически для обогащения диетической молочной и мясной продукции следует использовать биодоступные и малотоксичные производные селена, которые позволят при минимальном обогащении продукции достичь уровня, соответствующего физиологическому потреблению.
Сравнительный анализ химических форм селена, используемых для обогащения продуктов питания, показывает, что неорганические производные селена характеризуются высокой токсичностью и низкой биоусвояемостью, а органические производные селена, как правило, являются водонерастворимыми и дорогими. Следовательно, необходимы другие формы селена, проявляющие высокую биоусвояемость и низкую токсичность. Такой формой является селен, находящийся в нулевой степени окисления (нульвалентный) и имеющий размеры 20 – 70 нм, т. е. нано размеры. Агрегативная устойчивость наночастиц нульвалентного селена обеспечивается за счет оболочки, представляющей собой высокомолекулярное соединение, в качестве которого может быть использован либо сывороточный альбумин, либо поливинилпирролидон (ПВП). В диссертационной работе в качестве стабилизатора НЧНС был использован ПВП, обладающий гидрофильными свойствами. С целью прогнозирования закономерностей распределения селена в молочном сырье в работе было проведено компьютерное моделирование процесса взаимодействия (молекулярный докинг) наночастиц селена с основными компонентами молочного сырья. Учитывая гидрофобные свойства молочного жира, а также размер молекул лактозы и ионов солевой системы молока, эти ингредиенты были исключены из рассмотрения. В итоге молекулярный докинг был проведен с компонентами молочного сырья, имеющими гидрофильные свойства и сходные размеры. Этим условиям полностью удовлетворяли мицеллы казеина и жировые шарики.
Теоретически можно предположить, что взаимодействие наночастиц селена с казеином будет сводиться непосредственно к реакции -казеина с макромолекулой поливинилпирролидона, который является стабилизатором наночастиц селена. Информация о структуре каппа-казеина была загружена с сайта http://www.arserrc.gov/CaseinModels/ в виде текстового файла, который в дальнейшем был преобразован в pdb-формат и открыт с помощью программ HyperChem, ChemBio3D Ultra 12.0 и AutoDock.
На рис. 2 показана трехмерная модель молекулы -казеина в разных ракурсах и программах (HyperChem, ChemBio3D Ultra 12.0 и AutoDock).
а) б) в) Рисунок 2 – Визуализация молекулы каппа-казеина в среде программ:
а) HyperChem 8.0.6;
б) ChemBio3D Ultra 12.0;
в) AutoDock На следующем этапе было проведено компъютерное моделирование фрагмента поливинилпирролидона в пакете прикладных программ HyperChem 8.0.6 и AutoDock. Результаты приведены на рис. 3.
а) б) в) Рисунок 3 – Фрагмент макромолекулы поливинилпирролидона (n=9) после геометрической оптимизации и расчета электростатического потенциала в среде программ: а), б) HyperChem 8.0.6;
в) AutoDock Хорошо видно, что атомы кислорода пирролидонового кольца локализованы на поверхности макромолекулы поливинилпирролидона в виде спирали и формируют область повышенной электронной плотности. При взаимодействии с казеином именно здесь велика вероятность образования связей с гидрофильным сайтом каппа-казеина и концентрирование селена в белковом концентрате. Для уточнения природы образовавшегося комплекса каппа-казеин-поливинилпирролидон было проведено молекулярное моделирование этого процесса, т. е. молекулярный докинг, который проводился методом поиска локального минимума энергии взаимодействия между белком и лигандом, в качестве которого был выбран фрагмент макромолекулярной цепи поливинилпирролидона.
Результаты молекулярного докинга представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 – Визуализация результатов процесса молекулярного докинга Анализ результатов докинга показывает, что фрагмент макромолекулы поливинилпирролидона внедряется в полость каппа-казеина и фиксируется там за счет вандерваальсовых сил и сил электростатического взаимодействия. Этот процесс является термодинамически выгодным, т. к.
общая энергия системы каппа-казеин-поливинилпирролидон в процессе взаимодействия уменьшается на 10,58 ккал/моль. Таким образом, теоретически показана принципиальная возможность обогащения селеном молочного сырья за счет концентрирования наночастиц селена казеином.
В четвертой главе «Исследование закономерностей синтеза, разработка технологии, изучение состава и свойств концентрата наночастиц нульвалентного селена» представлены результаты изучения влияния основных технологических параметров на процесс синтеза агрегативно-устойчивых наночастиц селена и проведена оптимизация вышеуказанного технологического процесса.
В соответствии с методологией априорного ранжирования, учитывая литературные данные и результаты предварительных экспериментов, осуществлен отбор основных переменных параметров, оказывающих значимое влияние на выход, размеры и агрегативную устойчивость наночастиц селена, а также определены интервалы их варьирования.
В качестве входных параметров были выбраны следующие факторы:
молярное соотношение молярное соотношение n(C6H8O6)/n(H2SeO3);
n(H2SeO3)/n(ПВП);
активная кислотность, ед. рН;
температура, °С;
время ультразвуковой обработки, мин.
Функциями отклика (выходными параметрами) были выбраны:
– степень превращения селенистой кислоты в наночастицы селена:
, С наноселена Si = 100 % С селенитиона где Снаноселена – содержание селена в виде наноселена в растворе после восстановления, %;
Сселенит-иона – содержание селенит-иона в растворе до восстановления, %;
– гранулометрический состав конечной системы (средний размер наночастиц в нм);
– агрегативная устойчивость наночастиц селена, которая оценивалась по доле биологически активной фракции наночастиц селена (60 нм) через 7, 14 и 21 день хранения при комнатной температуре (+25 °С).
Для исследования пяти вышеуказанных факторов при их изменении на четырех уровнях был применен ортогональный план (таблица 1) из опытов в 3-х кратной повторности (метод греко-латинских квадратов).
Таблица 1 – Параметры ортогонального плана Параметр Уровни варьирования переменных Мольное отношение nC6H8O6 / nH2SeO3 1 2 3 Мольное отношение nH2SeO3 / nПВП 2 4 6 Температура, °С 15 30 45 Активная кислотность, рН 2 4 6 Время УЗИ обработки, мин 5 10 20 На начальном этапе анализа экспериментальных данных была создана архитектура нейронной сети, т. е. многослойный персептрон с пятью входными параметрами и одним выходным параметром – размером наночастиц селена (рис. 5).
С помощью обучающих алгоритмов нейронную сеть приводили в соответствие с экспериментальными данными. Определение условий адаптации вели с использованием генетического алгоритма путем создания массива данных с учетом всех возможных вариантов хода технологического процесса получения агрегативно-устойчивых наночастиц селена.
Рисунок 5 – Архитектура многослойного персептрона для выявления воздействия условий дисперсионной среды на размеры агрегативно-устойчивых наночастиц селена На следующем этапе осуществлялась обработка массива нейронной сетью и полученные результаты оптимизировались.
При выборе оптимальных режимов проведения процесса синтеза наночастиц селена проводилось тестирование сети на отдельном наблюдении при прочих оптимальных. При этом принимались во внимание не только размеры наночастиц, но и их устойчивость. Выходя за рамки интервалов варьирования переменных в ручном режиме, были определены условия получения агрегативно-устойчивых наночастиц нульвалентного селена:
молярное соотношение n(H2SeO3)/n(ПВП) – 7 ± 1;
температура – 25 ± 5 °С;
рН раствора – 1,5 – 2,0;
время УЗИ обработки системы – 10 ± 5 минут. Радиус агрегативно-устойчивых наночастиц селена – 23,0 – 25,0 нм (рис. 6).
Рисунок 6 – Гистограмма нормированного распределения массы наночастиц селена по гидродинамическим радиусам (Photocor Complex) Апробация оптимальных параметров, проведенная в опытно промышленных условиях, показала практически полную адекватность расчетным данным, воспроизводимость результатов, а также возможность получения концентрата агрегативно-устойчивых наночастиц селена с 99-процентной степенью превращения селенистой кислоты в агрегативно устойчивые наночастицы селена.
На следующем этапе исследований было проведено изучение попарного влияния значимых параметров среды (при прочих оптимальных) на размеры агрегативно-устойчивых наночастиц селена.
На рис. 7 представлена поверхность отклика выходного параметра ri (размеры агрегативно-устойчивых наночастиц селена) в зависимости от рН и продолжительности УЗИ обработки системы.
Рисунок 7 – Поверхность отклика выходного параметра (ri – радиус наночастиц селена) в зависимости от рН и продолжительности УЗИ обработки системы Анализ представленной на рисунке 4 графической зависимости показывает, что в соответствии с теорией гомогенного фазообразования Гиббса-Фольмера критический размер зародышей определяется степенью пересыщения системы, т. е. чем больше степень пересыщения, тем меньше размер образующихся нанокластеров и выше скорость их образования. Для окислительно-восстановительных процессов степень пересыщения пропорциональна разности окислительно-восстановительных потенциалов окислителя и восстановителя. На величину реального окислительно восстановительного потенциала селенистой кислоты существенное влияние оказывает концентрация ионов водорода в растворе:
.
Из уравнения данной полуреакции следует, что выражение потенциала пары зависит от Таким образом, уменьшение рН раствора способствует увеличению потенциала окислителя и, соответственно, уменьшению размера образующихся наночастиц.
Аналогичным образом в диссертационной работе изучено влияние значимых факторов на агрегативную устойчивость наночастиц селена.
Электронно-микроскопические исследования полученного концентрата наночастиц нульвалентного селена свидетельствуют о том, что наночастицы имеют сферическую форму (рис. 8). Морфология частиц свидетельствует об отсутствии выраженного кристаллического ядра. Косвенно на это указывает и массовая доля селена в сухом веществе (7,65 % по данным МС-ИСП).
Остальная масса – это поливинилпирролидон и связанная вода.
а) б) Рисунок 8 – Электронно-микроскопические изображения отдельной наночастицы селена (а) и агрегатов из наночастиц (б), полученных после сублимации Можно предположить, что наночастицы селена представляют собой супрамолекулярные комплексы (соединения типа рецептор – субстрат), состоящие из молекул гидратированного поливинилпирролидона (рецептор), полимерные цепи которого плотно «уложены» посредством множественных центров связывания через молекулы элементарного селена (субстрат).
Вероятно, метастабильное состояние элементарного селена, диспергированного до уровня молекул и/или молекулярных нанокластеров, обеспечивает высокую биологическую активность разработанному концентрату наночастиц (кластеров) нульвалентного селена.
Результаты исследований использованы при разработке технологии концентрата наночастиц нульвалентного селена, которая включает следующие операции:
– приемка и подготовка сырья;
– приготовление растворов ПВП, селенистой и аскорбиновой кислот;
– смешение полученных растворов и ультразвуковая обработка системы;
– фасовка концентрата наночастиц нульвалентного селена в соответствующую тару;
– упаковка, маркировка и хранение.
Разработаны модульная, модульно-операторная и аппаратурно процессовая схемы процесса синтеза КННС.
На основе разработанной технологии проведены опытные выработки концентрата наночастиц нульвалентного селена в условиях ООО НПФ «ВИКТОРИЯ+». Показатели качества опытных образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Показатели качества КННС Наименование показателя Характеристика Внешний вид и консистенция однородный раствор Цвет красно-оранжевый Содержание селена, мг/мл, не более 1, Показатель активности водородных ионов, рН раствора, не выше 5, При оценке острой токсичности концентрата наночастиц нульвалентного селена установлено, что его LD50 составляет 258,03 мг/кг, т. е. по своим токсикологическим характеристикам концентрат наночастиц нульвалентного селена является малоопасным веществом для теплокровных животных и в соответствии с ГОСТ 121.007-76 его можно отнести к III классу опасности.
В пятой главе «Оценка эффективности получения и использования КННС» приведены данные по разработке системы безопасности ХАССП с целью предотвращения потенциальных рисков при производстве концентрата наночастиц нульвалентного селена. Разработана система предупреждающих действий, «дерево целей» и уровень критических контрольных точек по всей технологической цепочке получения КННС.
В соответствии со своими физико-химическими, токсикологическими и биологическими свойствами концентрат наночастиц нульвалентного селена может быть использован в качестве основы кормовых и пищевых добавок.
Для проверки этого предположения был поставлен опыт на цыплятах бройлерах, которым выпаивали разработанный концентрат нульвалентного селена с питьевой водой (125 мкг Se/л питьевой воды).
Результаты проведенных исследований (табл. 3) свидетельствуют о повышении эффективности выращивания и нормализации антиоксидантного статуса бройлеров опытных групп по сравнению с контролем.
Таблица 3 – Эффективность выращивания (EPEF) бройлеров, активность каталазы и концентрация малоновового диальдегида (МДА) в сыворотке крови цыплят-бройлеров (n = 9) EPEF* Группа бройлеров Каталаза, мккат/л МДА, ммоль/л Контроль 0,82 ± 0,09 2,32 ± 0,256 324,8±0, Опыт 1,12 ± 0,04 0,78 ± 0,37 518,9±0, EPEF*- Европейский индекс эффективности выращивания бройлеров рассчитывали по формуле:
.
Стратегическая цель использования кормовых или пишевых добавок с эссенциальными микроэлементами – это обогащение профилактической пищевой продукции целевыми микроэлементами, находящимися в биодоступной и высокоусвояемой форме. Применение концентрата наночастиц нульвалентного селена в виде кормовой добавки способствовало не только повышению эффективности производства, но и привело к увеличению содержания селена в мясе цыплят-бройлеров до 290 ± 34 мкг/кг, что практически в 2 раза выше, чем в мясе контрольной группы цыплят (160 ± 32 мкг/кг), при этом селен, по нашему мнению, находится в наиболее биоусвояемой форме (предположительно в виде селенометионина).
Апробация КННС на курах-несушках показала повышение (~3 %) яичной продуктивности птицы и увеличение (~2 раза) содержания селена в товарной продукции.
С учетом свойств КННС представляется целесообразным использование его в качестве пищевой добавки для обогащения молочных продуктов диетического (лечебного и профилактического) питания. С этой целью были проведены экспериментальные исследования закономерностей сорбции нульвалентного селена основными компонентами молочного сырья.
Результаты экспериментов приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Массовая доля селена в продуктах фракционирования молока Массовая доля Наименование образца сухих веществ, % селена, мкг/кг белка, % жира, % Молоко, 3,2 % 11,9±0,2 1,34±0,03 3,1±0,2 3, Обезжиренное молоко 9,7±0,2 1,21±0,02 3,1±0,2 0, Сливки 66,8±0,2 6,67±0,04 1,7±0,1 64, Ультрафильтрат 5,2±0,2 0,26±0,02 0,7±0,1 Белковый УФ концентрат 18,9±0,2 4,33±0,03 16,2±0,4 0, Молочная сыворотка 6,4±0,2 0,24±0,02 0,78±0,1 0, Казеин 38,0±0,2 8,36±0,04 36±0,5 Анализ полученных данных свидетельствует о том, что селен в составе наночастиц, стабилизированных поливинилпирролидоном, селективно связывается белковой фракцией молока, причем основная часть селена связывается с белком жировых шариков и казеином. Так, до 72 % селена сорбируется казеином, 12 % – сывороткой и 16 % – сливками, что практически полностью подтверждает теоретическое обоснование, проведенное в третьей главе.
В соответствии со схемой проведения исследований было изучено влияния режимов тепловой обработки на агрегативную устойчивость наночастиц селена. Для этого аликвоты водных растворов наноселена подвергались тепловому воздействию при стандартных режимах пастеризации. После охлаждения проводилось измерение размеров наночастиц на спектрометре методом фотонной Photocor Complex корреляционной спектроскопии (табл. 5).
Таблица 5 – Влияние режимов пастеризации на размер наночастиц селена Режимы пастеризации Размер наночастиц селена, нм Исходный образец наноселена 46 ± 60 °С 30 минут 83 ± 75 °С 20 секунд 52 ± 90 °С без выдержки 88 ± Исследования подтвердили, что при длительном или высокотемпературном режимах пастеризации происходит укрупнение наночастиц селена, что может привести к снижению его биологичнской активности и усвояемости, а при кратковременной пастеризации наночастицы селена практически не изменяют своих размеров.
Следовательно, при обогащении молочной продукции наноселеном целесообразно проведение термообработки молока в режиме кратковременной пастеризации.
На основании экспериментальных исследований разработана технология напитка молочного профилактического, обогащенного селеном, (СТО), принципиальная технологическая схема которого приведена на рис. 9.
В соответствии с этой схемой внесение концентрата нульвалентного селена производится при проведении процесса нормализации молока перед процессом пастеризации.
Экспертная оценка разработанной технологии в производственных условиях показала, что напиток молочный профилактический, обогащенный селеном, может производиться на том же технологическом оборудовании, что и традиционные молочные продукты.
Концентрат Приемка и оценка наночастиц качества сырья нульвалентного Вода селена Охлаждение до t = (2 – 6) °С, резервирование 12 ч Подогрев до t = (40 – 45) °С, очистка молока Раствор Нормализация молока и Внесение наночастиц перемешивание смеси селена нульвалентного селена Гомогенизация Охлаждение продукта Р = (10 – 15) МПа, t = (45 – 55) °С до t = (4 ± 2) °С Пастеризация Розлив, упаковывание, t = (74 – 78) °С 20 с маркирование, хранение, транспортирование Рисунок 9 – Технологичесая схема производства напитка молочного профилактического, обогащенного селеном Экологический мониторинг разработанной технологии подтвердил ее безопасность. Определены риски и критические контрольные точки (ККТ) производства напитка молочного профилактического, обогащенного селеном с использованием принципов ХАССП, которые приведены в таблице 6.
Таблица – Перечень критических контрольных точек для производства напитка молочного профилактического, обогащенного селеном Наименование операции Наименование контрольных ККТ технологического процесса параметров КМАФАнМ, БГКП, S. aureus, ККТ 1 Приемка молока патогенные, в том числе сальмонеллы ККТ 2 Пастеризация БГКП Контроль качества готового БГКП, S. aureus, патогенные, в том ККТ продукта числе сальмонеллы Анализ критических точек технологических процессов и предупредительные меры при проведении процедур мониторинга показали, что критериями, гарантирующими эффективность контроля в критических контрольных точках, являются установленные характеристики или пределы с соблюдением требований мойки и дезинфекции оборудования, санитарии и гигиены.
Определена себестоимость концентрата наночастиц нульвалентного селена, производимого в соответствии с разработанной технологией. В целом, оценка экономической эффективности разработанной технологии подтвердила ее высокую рентабельность и конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках.
Выводы Теоретически обоснованы и экспериментально установлены 1.
закономерности, оптимизирован процесс синтеза концентрата наночастиц (кластеров) нульвалентного селена (КННС). Исследовано попарное влияние значимых параметров дисперсионной среды (рН, температура, мольные соотношения ингредиентов и время ультразвуковой обработки) на размеры наночастиц нульвалентного селена. Оптимальными режимами процесса синтеза концентрата агрегативно-устойчивых наночастиц нульвалентного селена диаметром 48,0 ± 4,0 нм являются следующие: n(H2SeO3)/n(ПВП) – 7 ± 1;
Т – 25 ± 5 °С;
рН – 1,5 – 2,0;
время УЗИ обработки – 10 ± 5 минут.
2. Предложена структура наночастицы селена в виде супрамолекулярного комплекса (кластера), состоящего из молекул гидратированного поливинилпирролидона, полимерные цепи которого плотно «уложены» посредством множественных центров связывания через шестичленные циклы элементарного селена.
3. Изучены состав (массовая доля селена в сухом концентрате 7,65 %), физико-химические (фотокорреляционная и рамановская спектроскопия, трансмиссионная электронная микроскопия) и токсикологические свойства (III класс опасности) концентрата наночастиц нульвалентного селена.
4. По результатам исследований и опытно-промышленных выработок разработана инновационная технология и утверждена техническая документация «СТО 02067965-006-2011» на «Концентрат наночастиц нульвалентного селена «Экстраселен».
5. Доказано повышение (~ на 200 ед. Европейского индекса эффективности выращивания бройлеров) продуктивности цыплят-бройлеров и нормализация их антиоксидантного статуса (снижение концентрации малонового диальдегида в 3 раза) при использовании концентрата наночастиц селена в качестве кормовой добавки.
6. После введения концентрата наночастиц нульвалентного селена в рацион кур-несушек яичная продуктивность достоверно повысилась, в частности, интенсивность яйцекладки увеличилась на 1,27 %, а средняя масса яйца – на 3,19 %.
7. Изучены закономерности сорбции селена основными компонентами молочного сырья. Проведено компьютерное моделирование процесса взаимодействия наночастицы селена с казеином молока. Показано, что до 72 % селена связывается с казеином.
Разработана технология и техническая документация 8.
(СТО 02067965-007-2011) на напиток молочный профилактический, обогащенный селеном.
9. Экологический мониторинг и оценка экономической эффективности технологии концентрата наночастиц нульвалентного селена и напитка молочного профилактического, обогащенного селеном, с определением критических точек по системе ХАССП, подтверждают ее востребованность и конкурентноспособность.
По материалам дисертации опубликованы следующие работы:
1. Серов А. В., Храмцов А. Г., Мирошниченко М. В. Обогащение молочной продукции эссенциальным микроэлементом селеном // Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону / Тезиcы докладов XII региональной научно-технической конференции. 22 – 24 декабря 2008 года. – Ставрополь, 2008. С. 212 – 213.
2. Влияние режимов тепловой обработки на агрегативную устойчивость наночастиц селена А. В. Серов, А. Г. Храмцов, / М. В. Мирошниченко, З. Абдукадирова // Вузовская наука – Северо Кавказскому региону / Материалы XIII научно-технической конференции.
Том 1. – Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. – 217 с. С. 12 – 13.
3. Спектральное исследование наночастиц элементарного селена / В. П. Тимченко, А. В. Серов, М. В. Мирошниченко, А. Г. Храмцов // XXXIX научно-техническая конференция по итогам работы профессорско преподавательского состава СевКавГТУ за 2009 год. 25 – 26 марта 2010 г. – Ставрополь, 2010. С. 10 – 12.
4. Мирошниченко М. В., Тимченко В. П., Серов А. В. Эссенциальный микроэлемент селен в молочной продукции / Инновационные технологии и оборудование в молочной промышленности Сб. материалов // Международной научно-практической конференции. – Воронеж, 2010. – 172 с. С. 160 – 161.
5. Тимченко В. П., Мирошниченко М. В., Серов А. В. Реакционная система для синтеза наночастиц селена Химия тврдого тела:
/ наноматериалы, нанотехнологии // Доклад на X юбилейной международной научной конференции. 18 – 22 октября 2010 г. – Ставрополь, 2010.
6. К вопросу использования эссенциального микроэлемента – селена / В. Е. Жидков, С. В. Герасимова, М. В. Мирошниченко, И. А. Евдокимов, А. В. Серов // Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону / XIV региональная научно-техническая конференция. 9 – 10 декабря 2010 г. – Ставрополь, 2010.
7. Перспективы использования антиоксиданта селена / В. Е. Жидков, С. В. Горлачева, А. В. Серов, И. А. Евдокимов, М. В. Мирошниченко // Инновационные технологии продуктов здорового питания, их качество и безопасность Материалы Международной научно-практической / конференции. г. Алматы, ноябрь 2010 г. – Алматы: АТУ, 2010. – 376 с.
8. Новый биологически активный препарат на основе наночастиц селена / А. Г. Храмцов, А. В. Серов, В. П. Тимченко, М. В. Мирошниченко // Вестник СевКавГТУ. 2010. № 4 (25). С. 122 – 125.
9. Патент № 2392944 Российская Федерация. Препарат для лечения и профилактики нарушения обмена селена для сельскохозяйственных животных / Оробец В. А., Серов А. В., Беляев В. А., Киреев И. В., Мирошниченко М. В.;
заявитель и патентообладатель ФГОУВПО «Ставропольский аграрный университет». – № 2008137463;
заявл. 18.09.2008;
опубл. 27.06.10. Бюл. № 18.
10. Профилактические молочные продукты с эссенциальным микроэлементом селеном / В. Е. Жидков, И. А. Евдокимов, А. В. Серов, М. В. Мирошниченко // Феномен молочной сыворотки: синтез науки, практики и инноваций / Тезисы доклада на Научно-практическом семинаре. – Ставрополь, 21 июня 2011 г.
11. Изучение влияния условий дисперсионной среды на агрегативную устойчивость наночастиц селена // А. Г. Храмцов, В. П. Тимченко, А. В. Серов, М. В. Мирошниченко // Вестник СевКавГТУ. 2012. № 2 (31).
С. 79 – 12. Храмцов А. Г., Серов А. В., Мирошниченко М. В. Нульвалентный селен в технологии молочных продуктов // Молочная промышленность. 2012.
№ 6. С. 65 – 66.