ДОБАВКА ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Изобретение предназначено для использования в сельском хозяйстве: для приготовления кормовых добавок, для приготовления биостимуляторов роста растений, а также для приготовления пищевых добавок, предназначенных для потребления человеком.

Известно большое количество кремнийсодержащих продуктов, используемых для приготовления кормовых добавок, пищевых добавок, удобрений.

Известна кормовая минеральная добавка для птицы, предназначенная для использования в сельском хозяйстве при производстве кормов с минеральными компонентами для птицы. В качестве кормовой добавки для птицы применяют апомергелевый гипергенный кремнистый метасоматит - карбонатно-силикатную породу. Присутствующий в этой породе карбонат кальция легко усваивается организмом птиц, а цеолит, аморфный кремний и бентонит способствуют выведению из организма птицы токсичных веществ в виде нитрат-ионов, свинца и кадмия. (Патент РФ 2129806, МПК⁶ А23К 1/175, опубл. 10.05.1999).

Недостатком данной добавки является то, что кремний в ней находится в нерастворимой форме, что затрудняет его использование.

Известен аморфный диоксид кремния из рисовой шелухи (Патент РФ 2061656, МПК⁶ С01В 33/12, опубл. 10.06.1996).

Рисовую шелуху промывают водой и/или раствором минеральной кислоты, затем обугливают на воздухе при 120-500°С, после чего полученную золу измельчают и подвергают окислительному обжигу в условиях "кипящего слоя" при 500-800°С. Получают аморфный диоксид кремния с удельной поверхностью до 370 м²/г и содержанием основного вещества до 99,99%.

Недостатком такого способа является сложный способ получения водорастворимых силикатов из рисовой шелухи.

Известен способ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния (Патент РФ 2191158, МПК ⁷ С01В 33/12, опубл. 20.10.2002).

Способ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния включает ее рассев, промывку в холодной и горячей воде, промывку в кислотном растворе, сбор и удаление всплывших частиц рисовой шелухи, их обжим при давлении 0,01-10 МПа. Промывку горячей водой ведут в автоклаве при температуре не ниже 100°С и давлении не менее 0,101 МПа, промывку в кислотном растворе ведут при температуре кипения или в автоклаве при температуре не ниже 100°С и давлении не менее 0,101 МПа.

Недостатком способа получения диоксида кремния является его многостадийности и высокие энергозатраты.

Известен способ получения водорастворимых силикатов из золы рисовой шелухи (Патент РФ 2106304, МПК⁶ С01В 33/32, опубл. 10.03.1998).

Водорастворимые силикаты получают взаимодействием золы рисовой шелухи, содержащей 50-99% аморфного диоксида кремния, и щелочи при температуре 90-250°С, процесс ведут в непрерывном режиме в реакторе прямоточного типа с подачей в реактор исходных реагентов, взятых в определенном соотношении, причем исходные реагенты вводят в реактор раздельными потоками или предварительно перемешивая их перед вводом в реактор.

Недостатком способа является наличие сточных вод при получении водорастворимых силикатов.

Известен способ получения гидролизата из шелухи риса и других злаков (Патент РФ 2262242, МПК⁷ A23J 1/12, опубл. 20.10.2005).

Способ получения гидролизата предусматривает гидролиз сырья соляной кислотой с последующей нейтрализацией гидроксидом натрия. Затем продукт гомогенизируют и гидролизуют гидрокеидом натрия при температуре 100-120°С в течение 2-4 часов концентрацией 2-10%. Потом продукт нейтрализуют водяной кислотой. Объемное соотношение сырья к химическим реагентам составляет 1:4-1:6. После нейтрализации продукт разделяют на две фракции (растворимую и используемую на кормовые нужды) и сушат.

Недостатком способа является также использование соляной кислоты и гидроксида натрия, что делает способ малоэкологичным.

Наиболее близким техническим решением является ростостимулирующая кормовая добавка из растительного сырья, которая включает смесь растительного сырья, предпочтительно отходов крупы, содержащего биологически активные пента- и тетрациклические спирты (фитостерины), и растворимого сахара, подвергнутую механохимической активации при следующем соотношении компонентов, мас.%: растительное сырье 60,0-90,0, растворимый сахар 10,0-40,0 (Патент РФ 2179400, МПК⁷ А23К 1/16, А61К 35/78, опубл. 20.02.2002).

Недостатком кормовой добавки является то, что она содержит небольшое количества кремния, который является ценным компонентом, необходимым для нормального роста и развития организма животных, человека, и необходимым компонентом для биостимуляторов роста растений.

Задачей изобретения является разработка новых добавок из доступного сырья растительного происхождения, содержащего кремний, по простой экологической технологии без сточных вод с наименьшими затратами, которые имеют повышенную растворимость и применяются эффективно как кормовые добавки для животных, как биостимуляторы роста растений, как удобрения, как пищевые добавки для человека.

Поставленная задача решается с помощью кремнийсодержащей добавки для пищевых и кормовых целей, а также для удобрений, включающей растительное сырье и дополнительный компонент, подвергнутые механохимической активации, при этом добавка из растительного сырья содержит рисовую шелуху и включает дополнительный компонент, выбранный из группы: растворимый сахар и/или сода пищевая и/или хелатирующее вещество катехинового типа, в количестве до 40 мас.%.

Предпочтительно частицы добавки имеют размер меньше 100 нм.

Предпочтительно добавка имеет форму гранул, порошка с заданным размером частиц.

Предпочтительно добавка пригодна для применения в качестве биостимулятора роста растений, удобрений.

Предпочтительно добавка включает в качестве хелатирующего вещества катехинового типа зеленый чай и пригодна для применения в качестве кормовой добавки, предназначенной для потребления животными. Добавка предпочтительно имеет следующее соотношение исходных компонентов, мас.%:

Зеленый чай - 0,1-20;

Растворимый сахар и/или сода пищевая - 0,1-10;

Рисовая шелуха - остальное.

Предпочтительно добавка включает в качестве хелатирующего вещества катехинового типа зеленый чай и пригодна для применения в качестве пищевой добавки, предназначенной для потребления человеком. Добавка предпочтительно имеет следующее соотношение исходных компонентов, мас.%:

Зеленый чай -0,1-20;

Растворимый сахар и/или сода пищевая - 0,1-10;

Рисовая шелуха - остальное.

В результате многолетних исследований, обзор которых приводится в монографиях академика М.Г.Воронкова, кремний отнесен к группе элементов, необходимых для нормального роста и развития организма животных и человека. Среднесуточная доза для человека составляет 25,0+19,4 мг SiO₂. Кремний способствует биосинтезу коллагена, кальцификации костей, участвует в метаболизме фосфора и в липидном обмене, входит в состав эластина кровеносных сосудов, придавая им эластичность, регулирует их проницаемость [Воронков М.Г., Кузнезов И.Г. Кремний в живой природе. - Новосибирск: Наука, 1984. 157 с.; Колесников М.П. Формы кремния в растениях // Успехи биологической химии. 2001. №41. С.301-332].

В настоящем решении в качестве источника кремния предлагается использовать рисовую шелуху, богатую кремнием.

Нами были разработаны кремнийсодержащие добавки, изготовленные из рисовой шелухи, с растворимым сахаром и/или с пирокатехином (хелатирующее вещество катехинового типа), и/или пищевой содой с использованием механохимической технологии.

Из проведенного поиска по патентной и научно-технической информации, предлагаемая кремнийсодержащая добавка неизвестна и неизвестен полученный технический результат.

Наибольшей биологической эффективностью обладают органические производные кремнезема и ортокремниевой кислоты.

Кремний образует соединения хелатного типа с кислород- и азотсодержащими органическими соединениями, в которых атом кремния координирован шестью полярными атомами. Этим требованиям отвечают ароматические соединения, содержащие гидроксильные группы в ортоположении. Такой структурой обладает пирокатехин, в котором гидроксильные группы находятся в плоскости кольца.

В качестве источника хелатирующего вещества катехинового типа в добавке использован предпочтительно зеленый чай.

Обычно для получения хелатных комплексов кремния с полифенолами используют методы, основанные на взаимодействии реагентов в водных растворах оснований при длительном нагревании. Полифенолы в жидкой фазе легко окисляются и полимеризуются, поэтому актуален поиск методов синтеза, лишенных побочных реакций. В предлагаемом решении синтез добавки проводят с помощью механохимической активации компонентов добавки. В ходе твердофазного механохимического синтеза реагенты и продукты находятся в устойчивой твердой форме, что позволяет предотвратить окисление и потери основных биологически активных компонентов.

В результате проведенной механохимической активации компонентов предлагаемая добавка из растительного сырья содержит растворимый кремнезем и, например, катехины зеленого чая.

Экспериментально изучены механохимические реакции между аморфным диоксидом кремния различного происхождения, включая диоксид кремния рисовой шелухи, и полифенольными соединениями. В результате механохимической активации обеспечивается доступ растворов к аморфному кремнезему рисовой шелухи. Особым преимуществом технологии с использованием механохимической активации является образование растворимых мономолекулярных хелатированных форм кремния.

Новые добавки по сравнению с известными, содержащими синтетический аморфный кремнезем, быстрее растворяются и обеспечивают в растворе высокую концентрацию мономерных форм диоксида кремния на уровне 100-110 мкг/мл, что в 7-9 раз больше концентрации, обеспечиваемой препаратами на основе синтетического аморфного кремнезема.

В предлагаемом решении разработаны добавки, содержащие аморфный кремнезем, водорастворимые формы кремния.

В составе добавок в качестве хелатирующих соединений использованы предпочтительно природные соединения - катехины, содержащие гидроксильные группы в ортоположении. Одним из основных источников таких соединений, обладающих антиоксидантной активностью, является зеленый чай. В зеленом чае может быть 4-12 различных типов катехинов, а именно: катехин (С), эпикатехин (ЕС), галлокатехин (GC), эпигаллокатехин (EGC), катехингаллат (CG), эпикатехингаллат (ECg), эпигаллокатехингаллат (EGCg), галлокатехин галлат (GCg). Их концентрация достигает 10 мг на грамм сухого чая.

Поскольку в состав добавки входят предпочтительно катехины зеленого чая, препарат обладает антиоксидантным и адаптогенным действием, может использоваться для повышения эффективности традиционно применяемых в птицеводстве, в животноводстве препаратов или сокращения их доз, а также использоваться, как пищевая добавка для потребления человеком для укрепления иммунной системы, для предотвращения остеопороза благодаря увеличению минеральной плотности костей.

Физико-химические исследования показывают, что при хранении полученных добавок не происходит значительного изменения их свойств, в то время как известные препараты на основе аморфного синтетического кремнезема неустойчивы.

С практической точки зрения метод механической активации, как один из вариантов «сухих» технологий и используемый при приготовлении предлагаемых добавок, обладает рядом экологических и экономических преимуществ [Ломовский О.И., Болдырев В.В. Механохимия в решении экологических задач, ГПНТБ СО РАН; Новосибирск, 2006. 221 с.].

Твердофазное механохимическое взаимодействие биогенного аморфного кремнезема и полифенолов зеленого чая, с целью получения препаратов, содержащих биодоступный кремний и антиоксиданты, является перспективным способом переработки отходов чайного производства и рисовой шелухи в востребованные препараты. Использование пищевой соды, растворимого сахара в предлагаемой добавке также способствует увеличению выделения биодоступного кремния из рисовой шелухи.

Добавка представляет собой тонкоизмельченные порошки с заданным размером частиц, пригодные к гранулированию, обработке предпосевного материала посредством инкрустирования, непосредственному внесению в почву. Компоненты добавки подвергают механохимической активации порознь или совместно.

Сведения об эффективности получаемой добавки, а также конкретные примеры ее получения приведены ниже.

Пример 1

В качестве растительного сырья использовалась рисовая шелуха. Воздушно-сухое сырье смешивалось с 10 мас.% сахара пищевого, 10% зеленого чая, 1% пищевой соды (бикарбонат натрия) и подавалось в механохимический реактор. В качестве механохимического реактора использовалась виброцентробежная мельница - активатор ВЦМ с шарами из нержавеющей стали (Новосибирск, разработка Института химии твердого тела и механохимии СО РАН). В виброцентробежной мельнице смесь обрабатывалась в течение 1-2 мин до размера частиц менее 100 Нм. Полученный порошок применялся в качестве кормовой добавки.

Пример 2

Рисовую шелуху смешивали с 20 мас.% сахара пищевого и 10 мас.% зеленого чая. Механохимическую обработку проводили в планетарной мельнице типа ВЦМ (Новосибирск, разработка Института химии твердого тела и механохимии СО РАН) в течение 1-3 мин. Полученный порошок применялся в качестве пищевой добавки.

Пример 3

Рисовую шелуху смешивали с 1 мас.% зеленого чая и обрабатывали в механохимическом реакторе ВЦМ, обработку проводили шарами из нержавеющей стали в течение 1-3 мин. Полученный порошок использовался в качестве биостимулятора роста растений и удобрений.

Пример 4

Аналогичен примеру 3, только дополнительно содержит 2 мас.% двухатомного фенола (ортодиоксибензола) в качестве пирокатехина.

Ниже приведены испытания предлагаемой добавки.

I. Испытания предлагаемой добавки по примеру 1 в качестве кормовой добавки:

При откорме птицы добавка помогает добиваться однородности веса в стаде и, соответственно, стабильно высоких производственных показателей. Достигается это за счет того, что составные компоненты добавки усиливают интенсивность развития костяка и мускулатуры, одновременно защищая костную ткань от разрушения. Тем самым формируется одинаковый скелетный размер птицы.

При откорме свиней добавка обеспечивает условия, необходимые для интенсивного увеличения веса тела животного (на 10-15 кг) за короткое время. Интенсивный прирост массы тела возможен при условии формирования прочной костной системы, стабильного роста и развития скелета и опорно-двигательного аппарата.

Исследования проводились на следующих площадках:

- перепела: Племенная перепелиная ферма ГНУ СибНИПТИЖ СО РАСХН;

- поросята: Племенной завод ОАО «Боровское» (экспериментальная база ГНУ СибНИПТИЖ СО РАСХН);

- гуси: Частная гусиная ферма в с.Бурмистрово Искитимского района Новосибирской области.

Использование добавки произведено по следующей дозировке:

Результаты исследований показали, что скармливание комбикормов с кормовой добавкой способствовало улучшению здоровья животных и птицы, 100% сохранности к отъему поросят-сосунов и повышению на 4% сохранности перепелов. Кроме того, гематологические исследования по гусям показали, что кормовая смесь благотворно повлияла на минеральный обмен веществ.

При добавлении кормовой добавки в кормовой рацион поросят-сосунов в условиях товарных ферм за учетный период было зафиксировано полное отсутствие диареи. В свою очередь, образцы средней пробы мышечной ткани и печени опытной группы гусей явных изменений не имели, что подтверждает безопасность скармливания кормовой смеси.

При добавлении кормовой добавки снизился расход корма на прирост живой массы.

Кремний, содержащийся в кормовой добавке, является своего рода катализатором усвоения 74 химических элементов (кальций, магний, фтор, натрий, сера, алюминий, йод, фосфор, цинк, железо и др.), образования отдельных ферментов, аминокислот, гормонов. Катализатором являются и катехины зеленого чая. Они так же повышают уровень метаболизма (обменные процессы) и облегчают процесс пищеварения.

В ходе исследования выявлено, что в печени контрольной группы гусей практически все изучаемые элементы содержались в большем количестве. Это объясняется тем, что питательные вещества, поступающие в корм, хуже усваивались в кишечнике и током крови транспортировались в печень. В свою очередь, предлагаемая добавка существенно улучшила использование питательных веществ корма, снизив их содержание в печени.

Таким образом, добавка позволяет организму максимально эффективно усваивать необходимые макро- и микроэлементы из воды и кормов. Не заменяя кормление, кормовая смесь в то же время помогает животным и птице выдерживать довольно длительное время неполноценность корма или его недостаток, замедляя потерю массы и отодвигая наступление фазы истощения.

В затратах на производство продуктов животноводства и птицеводства стоимость кормов составляет порядка 60-80%. За счет повышения усвояемости необходимых химических элементов, общего снижения расхода корма и снятия необходимости в употреблении дополнительных стимуляторов, можно добиться весьма существенной экономии в масштабах промышленного производства.

В промышленном птицеводстве и животноводстве существует масса стрессовых ситуаций, являющихся предпосылками к ослаблению иммунитета животных и птицы: переохлаждение или перегрев, резкие перепады температур и давления, сквозняки, неполноценность или недостаток кормов, плохие условия содержания, высокий инфекционный фон, ветеринарные мероприятия и пр.

При использовании предлагаемой добавки в откорме птицы и животных усиливается интенсивность протекаемых в организме реакций, улучшаются защитные силы и иммунный статус молодняка, повышается сохранность и продуктивность животных и птицы. Все это в итоге ведет к снижению затрат на производство единицы продукции и увеличению ее объемов и качества.

II. Испытания предлагаемой добавки по примеру 2 в качестве пищевой добавки:

Использование пищевой добавки по примеру 2 группой лиц, часто болеющих ОРВИ и имеющих ослабленную иммунную систему организма.

В опытной группе людей, принимавших пищевую добавку в течение 30 дней 3 раза по чайной ложке перед едой, наблюдали укрепление иммунной системы организма. После окончания приема пищевой добавки в течение 6-ти последующих месяцев никто не заболел вирусными и простудными заболеваниями.

Можно сделать вывод, что пищевая добавка укрепляет иммунную систему организма. Кремний, содержащийся в кормовой добавке, способствует активному синтезу молекулы, обеспечивающей энергией все биохимические процессы, протекающие в клетках (АТФ). Благодаря этому восстанавливается утраченный или ослабленный иммунитет, ускоряется выздоровление человека, животных и птицы, снижается общий уровень заболеваемости.

Катехины зеленого чая, а так же содержащиеся в нем витамин С, цинк и марганец играют очень важную роль в иммунологических реакциях. Они являются важнейшим средством поддержания энергетического тонуса организма, обеспечивают нормальный обмен веществ, повышают выносливость организма (благодаря сильным антивирусным, антибактериальным и противогрибковым свойствам), увеличивают время сопротивления стрессу.

Зеленый чай, являясь эффективным профилактическим средством, обладает способностью подавлять гнилостные процессы в кишечнике, нейтрализовать токсины, уничтожать болезнетворные бактерии, при этом стимулируя рост полезных. Обладая способностью адсорбировать вредные для организма человека вещества, он прекрасно очищает желудок, почки и печень, а действие танинов чая предупреждает развитие атонии (ослабления тонуса) пищеварительного тракта. Добавка обладает высокой сорбционной способностью в отношении красителей, тяжелых металлов, радионуклидов и других вредных веществ и выводит их из организма.

III. Испытания добавок по примеру 3, 4 в качестве биостимулятора роста растений, в качестве удобрений:

I. Эксперименты по размножению in vitro ранее, люцерны, нута

В тест-системе стеблевых узлов рапса in vitro добавление добавки по примеру 3 в питательную среду в концентрации 1 и особенно 10 мг/л способствовало активизации ризогенеза, роста корней, побегов и листьев (табл.1).

В тест-системе стеблевых узлов люцерны in vitro добавка, добавленная в питательную среду в дозе 10 мг/л, стимулировала рост побегов, корней, развитие листьев, при этом снижая на треть частоту ризогенеза.

В экспериментах, проведенных для изучения возможности замены дорогого синтетического цитокинина БАП продуктами, включающими рисовую шелуху, изолированные ткани (экспланты) незрелых семян нута помещали на питательные среды Гамборга В5 с регуляторами роста (табл.2). За 3 недели культивирования добавка по примеру 3 продемонстрировала высокую цитокининовую активность и превзошла действие синтетического фитогормона БАП в контрольном варианте, повысив частоту регенерации на 4%, ризогенеза - на 25%, и увеличив скорость роста побегов, листьев и корней. При этом частота образования каллуса снизилась вдвое.

Результаты опытов свидетельствуют о стимулирующем влиянии продуктов механоактивированной добавки с использованием рисовой шелухи на рост изолированных тканей in vitro и возможности применения их в биотехнологии в качестве регуляторов морфогенеза.

2. Эксперименты по проращиванию семян in vivo (пшеница, нут)

В каждом варианте опыта проращивали 60-80 семян, инкрустированных в соответствии с разработанной нами добавками перед закладкой опытов, в дозах 1 и 10 мг/г. Контролем служили необработанные семена.

В тест-системе проростков мягкой пшеницы Новосибирская 15 добавка по примеру 3 стимулировала рост побегов и корней в дозе 1 мг/г. Всхожесть семян пшеницы сорта Удача, пораженных корневой гнилью, под действием добавки в дозе 10 мг/л увеличилась на 4% (см. табл.1).

Изучено влияние регуляторов роста на прорастание семян нута Краснокутского 123, зараженных грибной инфекцией. В условиях дождливого лета часть полученных семян нуга поражается плесенью и снижает всхожесть. Инкрустация таких семян добавкой в дозе 1 мг/г сильно стимулировала прорастание, увеличив всхожесть на 77%. При увеличении дозы до 10 мг/г эффект составил 21% (см. табл.1).

Добавка в дозе 1 мг/г оказала значительное стимулирующее влияние на всхожесть пораженных семян нуга, повысив ее через 7 дней проращивания на 15% по сравнению с контролем, и через 2 недели эффект сохранился. Кроме того, отмечено ускорение роста побегов в начале развития. Доза добавки 10 мг/г за первую неделю увеличила всхожесть на 7%, а при дальнейшем проращивании эффект достиг 25%. На начальном этапе развития проростка препарат стимулировал рост корня (табл.3).

Стимулирующий эффект добавки при прорастании пораженных семян может быть следствием повышения толерантности растения к патогенам и (или) угнетения развития грибов.

3. Полевые эксперименты на выщелоченном черноземе (pane и нут in agro).

В полевых опытах испытывались нут Краснокутский 123 и яровой рапс СибНИИК 198. Добавку по примеру 4 вносили в почву при посеве в дозах 1 и 10 кг/га. Для этого навеску добавки смешивали с некоторым объемом сухой почвы и равномерно распределяли вдоль рядка с разложенными семенами, после чего покрывали слоем почвы и прикатывали.

В опыте с яровым рапсом СибНИИК 198 урожайность семян под действием добавки в дозе 1 кг/га возросла на 32% (табл.4). Это произошло в основном за счет увеличения плотности популяции, что говорит о повышенной полевой всхожести и выживаемости растений в данном варианте опыта. При внесении дозы 10 кг/га средняя масса семян на 1 растении возросла на 17%. Увеличение крупности семян на 6% свидетельствует о лучшем созреваний в неблагоприятных погодных условиях. Таким образом, стимулирующее действие добавки на фертильность рапса носит разносторонний характер и зависит от дозы.

Техническим результатом предложенных добавок является то, что:

1. Новые добавки по сравнению с известными, содержащими синтетический аморфный кремнезем, быстрее растворяются и обеспечивают в растворе высокую концентрацию мономерных форм диоксида кремния.

2. Добавки при использовании в птицеводстве в качестве кормовой добавки предотвращают грибковые заболевания птицы, повышают эффективность использования корма и увеличивают продуктивность, а также повышают механическую прочность скорлупы яиц и снижают бой яиц в условиях механизированных комплексов. Добавки повышают сохранность и живую массу птицы.

3. Разработанные добавки обладают профилактическими и лечебными свойствами для животных и человека: при острых кишечных инфекциях, диспепсии, различных эндогенных и экзогенных интоксикациях, включая отравления ядовитыми веществами, укрепляют иммунную систему.

4. С использованием добавок получается экологически чистая продукция, не загрязненная токсинами и экологически безопасная для человека, и может использоваться в качестве удобрения и стимулятора роста с антигрибковым эффектом для растений, почвы и семенного материала.