ЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ КУКОЛОК ТУТОВОГО ШЕЛКОПРЯДА

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании приведен обзор о негативном влиянии выращиваемых в Бухарской области Узбекистана куколок тутового шелкопряда (Bombyx mori L.) на окружающую среду, а также о перспективах их использования в качестве удобрений. Результаты исследования показали, что повышение температуры при сушке куколок связано с уменьшением влажности. Сушка при температуре 110 °С в течение 3 часов показала, что влажность в образце снизилась максимум до 98,8%. Также, для экстракции масел из куколок были использованы различные растворители (гексан, ацетон, ксилол, хлороформ, экстракционный бензин) в аппарате Сокслета, и гексан был признан самым эффективным растворителем. Результаты ИК-спектроскопического анализа масла, полученного с использованием высокоэффективного растворителя, показали наличие насыщенных и ненасыщенных жирных кислот.

ABSTRACT

This study provides an overview of the negative impact of silkworm pupae (Bombyx mori L.) cultivated in the Bukhara region of Uzbekistan on the environment, as well as the prospects for their use as fertilizers. The study results showed that an increase in temperature during the drying of silkworm pupae is associated with a decrease in moisture content. Drying at 110 °C for 3 hours reduced the moisture content in the sample to a maximum of 98.8%. Various solvents (hexane, acetone, xylene, chloroform, extraction gasoline) were used for oil extraction from the pupae in a Soxhlet apparatus, and hexane was identified as the most effective solvent. The results of the IR spectroscopic analysis of the oil obtained using the highly efficient solvent revealed the presence of saturated and unsaturated fatty acids.

Ключевые слова: куколка тутового шелкопряда, гексан, осушка, ацетон, ксилол, хлороформ, экстракционный бензин, ИК-спектр, аппарат Сокслета, экстракция.

Keywords: silkworm pupa, hexane, drying, acetone, xylene, chloroform, extraction gasoline, IR spectrum, Soxhlet apparatus, extraction.

Актуальность проблемы. За последние годы шелкомотальная промышленность стала одной из активно развивающихся отраслей. В 2023 году в нашей стране заготовлено 25,9 тыс. тонн шелкопрядного сырья [1]. Куколки тутового шелкопряда, составляющие 60% веса сухого кокона, выносятся в сельскохозяйственные земли для использования в качестве биоудобрения [2]. В научно-исследовательской работе японских ученых Akifumi Murase и Kiharu Yonebayashi, выполненной по теме «Получение азотных удобрений медленного действия путем использования отходов кокона» сообщается, что скорость разложения отходов кокона очень низкая и только 20% разлагается примерно за 200 дней, и что в этих условиях испытаний для минерализации всего азота требуется около трех лет. В случае куколок тутового шелкопряда, они почти полностью распадаются в течение нескольких дней. Таким образом, было обнаружено, что совместное внесение отходов коконов тутового шелкопряда и куколок может обладать свойствами замедленного действия. А обработка раствором соляной кислоты четко продемонстрировала эффект улучшения скорости разложения. Также было обнаружено, что, изменяя концентрацию соляной кислоты можно увеличить скорость разложения. Отходы коконов, куколки тутового шелкопряда можно использовать в качестве удобрения путем предварительной обработки водным раствором соляной кислоты [3]. По этой причине выбрасывание куколок тутового шелкопряда в больших количествах на открытые пространства представляет собой серьезную проблему, так как в результате гниения их отходов выделяются токсичные соединения, наносящие серьезный ущерб окружающей среде [4]. Использование (утилизация) этих отходов может иметь большое значение в народном хозяйстве.

В экстракте куколок тутового шелкопряда определено высокое содержание белка – от 45 до 80% в сухом веществе [5]. Кроме того, он содержит высокий уровень липидов, полезных для здоровья человека: на долю жирных кислот омега-3 приходится от 35 до 40% общего количества жирных кислот [6]. Было доказано, что масло тутового шелкопряда полностью безопасно и по питательной ценности сходно с некоторыми широко потребляемыми растительными маслами, такими как подсолнечное масло [7]. Он обогащен ненасыщенными жирными кислотами (60-70% от общего количества жирных кислот), особенно α-линоленовой и олеиновой кислотами. Некоторые α-линоленовые и олеиновые кислоты полезны для здоровья, и используются в пищевых продуктах, добавках и кормах [8,9,10,11]. Вещества, содержащиеся в куколках тутового шелкопряда, и их количество зависят от состава кормов, используемых для кормления тутовых шелкопрядов, климатических условий региона и различных факторов [1,12]. Наиболее распространенными видами тутового шелкопряда в шелковой промышленности являются тутовый шелкопряд (Bombyx mori L.), дубовый шелкопряд (Antheraea pernyi) и шелковичный червь Эри (Samia cynthia ricina) [12].

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования была выбрана куколка тутового шелкопряда (Bombyx mori L.). Были отобраны 4 пробы из куколок тутового шелкопряда одинаковой массы, полученных при прядении шёлка из коконов на ООО СП «Romstar» Бухарской области, и высушены в сушильном шкафу «Microtest МСТ-55» при температуре 80-110 °С. Для извлечения масла из коконов тутового шелкопряда рекомендовано снижение содержания влаги [13]. Были получены данные, показывающие, что повышение температуры зависит от снижения влажности (график 1).

Результаты и их обсуждение

Рисунок 1. Данные, показывающие, что повышение температуры зависит от снижения влажности

Экстракция масла будет более эффективной при содержании влажности в куколках тутового шелкопряда от 1,2 до 11% [14]. Результаты анализа осушки куколок тутового шелкопряда показали, что максимальное содержание влаги снизилось на 98,8% в образце, высушенном при максимальной температуре 110°С в течение 3 часов. Сушеные куколки тутового шелкопряда измельчали ​​в лабораторной мельнице (Истиратель дисковый ID 65).

Масло из измельченных куколок тутового шелкопряда можно извлечь методом прессования, однако недостатком метода является то, что процесс занимает длительное время, и извлечение масла не будет полным [15]. Экстракция масла из замороженного образца куколок тутового шелкопряда водно-солевым раствором требует многократного центрифугирования образца в течение длительного времени [16]. Проведены научные исследования по извлечению масла из куколок тутового шелкопряда различными методами. Вещества в куколках тутового шелкопряда, их количество зависят от климатических условий, состава кормов для шелкопряда и других различных факторов, в связи с этим, масло экстрагируют из куколок тутового шелкопряда, полученных при переработке коконов, выращенных в Бухарской области, под воздействием различных растворителей методом экстракции в аппарате Сокслета. Масло было отделено от растворителя на лабораторной установке RE100-Pro при вакууме, температуре 50°C и давлении 0,8 МПаю

Масло отделялось от растворителя при низкой температуре под вакуумом в лабораторной отгонной установке (рисунок 2).

Рисунок 2. Эффективность извлечения масла из куколок тутового шелкопряда под воздействием различных растворителей

По данным графика 2 можно сказать, что на основе метода экстракции Сокслета было получено масло с использованием растворителей как гексан (24,9 г/100 г), ацетон (21,9 г/100 г), ксилол (21,8 г/100 г), хлороформ (19,79 г/100 г) и экстракционный бензин марки А (24,5 г/100 г). При использовании гексана было получено большее количество масла, чем при использовании остальных растворителей методом экстракции. предложенный метод показал эффективность сушки куколок шелкопряда при 110 °C в течение 3 часов, снижая влажность до 98,8%. Среди различных растворителей гексан оказался самым эффективным, позволяя получить больше масла с насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами. В сравнении с другими методами, такими как прессование и многократное центрифугирование, метод с гексаном показал более высокую эффективность и быстроту извлечения масла, что подтверждает его преимущества перед традиционными подходами.

Проведена ИК-спектроскопия образца масла, полученного из куколок тутового шелкопряда  Bombyx mori (Модель прибора: IRSpirit, спектрометр SHIMADZU (диапазон 400-4000 см^-1, размеры 4 см^-1)). По результатам ИК-спектра масла, выделенного из куколок тутового шелкопряда с использованием гексана, определены группы, соответствующие максимумам поглощения в следующем диапазоне. Точки с волновыми числами 2954,74, 2923,30, 2854,38 нм обусловлены асимметричными и симметричными валентными колебаниями метильной (-СН3), метиленовой (-СН2) групп в промежуточной области. Полосы поглощения между 2950 и 2800 см^-1 принадлежат группам –СН3 и –СН2 ненасыщенных и насыщенных алифатических цепей липидов соответственно [18,19]. Линии в диапазоне от 1746 до 1711 см^-1 относятся к карбоксильной группе -С=О жирных и свободных жирных кислот. Пик поглощения около 1746,18 см^-1 указывает на валентное колебание группы -C=O в кетонах или карбоновых кислотах, что соответствует большому количеству кетонов в масле. Точки от 1376,3 до 1459,45 см^-1 представляют валентные колебания X-H (X =C,N). Эти пики доказывают наличие триглицеридных функциональных групп в масле тутового шелкопряда. Присутствие ароматического амина (участок C-N) подтверждалось пиком поглощения при 1161,25 см^-1. Полоса 723,99 см^-1 обусловлена ​​вращательными и маятниковыми колебаниями полосы метиленовой группы (рис. 3).

Рисунок 3. Параметры ИК-спектрального анализа масла, извлеченного из куколок тутового шелкопряда

Среди различных растворителей, используемых для экстракции масла из куколок тутового шелкопряда, гексан давал прозрачное масло в больших количествах с приятным запахом. Гексановый растворитель легко извлекается из масла, а также способен смешиваться с жиром, не влияя на другие питательные вещества, такие как белок. Было обнаружено, что из-за неполярной природы гексана его процентный выход выше, чем у других используемых неполярных и полярных растворителей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное нами исследование показало, что для снижения влажности куколок тутового шелкопряда необходимо проводить осушку в сушильном шкафу «Микротест МСТ-55» в диапазоне температур 80-110 °С. Осушка при температуре 110 °С в течение 3 часов показала, что влажность в образце снизилась максимум до 98,8%. Среди растворителей лучшим растворителем оказался гексан. Результаты ИК-спектрального анализа показали содержание ненасыщенных и насыщенных жирных кислот в полученном масле.

Список литературы:  

1. Махмудов, Рафик Амонович, and Шамшод Файзулла Угли Фатиллоев. "ИЗУЧЕНИЕ МАКРО И МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ОТХОДОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ШЕЛКОВИЧНОГО СЫРЬЯ." Universum: технические науки 6.2 (119) (2024): 46-49.
2. Z.J. Wei, A.M. Lia, H.X. Zhang, J. Liu, S.T. Jiang, Optimization of supercritical carbon dioxide extraction of silkworm pupal oil applying the response surface methodology, Bioresour. Technol. 100 (2009) 4214–4219.
3. Akifumi Murase, 章文 邑瀬  Kiharu Yonebayashi , 甲陽 米林  JP200115868A -“Slow - acting nitrogenous fertilizer by utilizing waste cocoon” https://patents.google*.com/patent/JP2001158683A/en.
4. J. Wang,  F.A. Wu,  Y. Liang, M. Wang, Process optimization for the enrichment of α- linolenic acid from silkworm pupal oil using response surface methodology,Afr.J.Biotechnol.9(2010)2956–2964.
5. A.D. Zotte, Y. Singh, A. Squartini, P. Stevanato, S. Cappellozza, A. Kovitvadhi, S. Subaneg, D. Bertelli, M. Cullere, Effect of a dietary inclusion of full-fat or defatted silkworm pupa meal on the nutrient digestibility and faecal microbiome of fattening quails, Animal 15 (2) (2021), 100112.
6. H .P . Makkar , G. Tran , V. Heuz´e , P. Ankers , State – of – the - art on use of insects as animal feed , Anim . Feed Sci. Technol . 197(2014) 1–33.
7. T. Longvah, K. Manghtya , S.S. Qadri, Eri silkworm : a source of edible oil with a high content of α-linolenic acid and of significant nutritional value , J . Sci . Food Agric. 92 (2012) 1988–1993.
8. B. Hu, C. Li, Z. Zhang, Q. Zhao, Y. Zhu, Z. Su, Y. Chen, Microwave-assisted extraction of silkworm pupal oil and evaluation of its fatty acid composition, physicochemical properties and antioxidant activities, Food Chem. 231 (2017) 348–355.
9. N .R . Pereira , O . Ferrarese-Filho , M . Matsushita , N . E . de Souza, Proximate composition and fatty acid profile of Bombyx mori L.chrysalis toast , J. Food Compos. Anal. 16 (2003) 451–457.
10. P.U. Rao, Chemical composition and nutritional evaluation of spent silkworm pupae, J. Agric. Food Chem. 42 (1994) 2201–2203.
11. M. Ray, D. Gangopadhyay , Effect of maturation stage and sex on proximate, fatty acid and mineral composition of eri silkworm (Samia ricini) from India, J.Food Compos. Anal . 100 (2021) , 103898.
12. Ferdousi L, Begum M, Yeasmin MS, Uddin J, Miah MA, Rana GMM, Chowdhury TA, Boby F, Maitra B, Khan R, Emran TB, Siddique MAB. Facile acid fermentation extraction of silkworm pupae oil and evaluation of its physical and chemical properties for utilization as edible oil. Heliyon. 2023 Jan 6;9(1):e12815. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e12815. PMID: 36647348; PMCID: PMC9840356.
13. Niveditha, H., Akshay, R Patil, Janani, D. and Meenatchi, R. 2020. Extraction and characterization of silkworm Bombyx mori pupae protein. IJCS., 9(1): 272-278.
14. Ravinder, T., Kaki, S.S., Kanjilal, S., Rao, B. V. S. K., Swain, S. K. and R.B.N. Prasad. 2015. Refining of castor and tapioca leaf fed eri silkworm oils. Int. J. Chem. Sci. Technol., 5(2): 32-37.
15. M. Fu, Q. Qu, X.Y. Yang, X.H. Zhang, Effect of intermittent oven drying on lipid oxidation, fatty acids composition and antioxidant activities of walnut, LWT– Food Sci. Technol. 65 (2016) 1126–1132.
16. J. Tangsanthatkun, M. Peanparkdee, W. Katekhong, T. Harnsilawat, C.P. Tan, U. Klinkesorn, Application of aqueous saline process to extract silkworm pupae oil (Bombyx mori): process optimization and composition analysis, Foods 11 (2022) 291, https://doi.org/10.3390/foods11030291.
17. Christy, A.A.; Egeberg, P.K. Quantitative determination of saturated and unsaturated fatty acids in edible oils by infrared spectroscopy and chemometrics. Chemom. Int. Lab. Syst. 2006, 82, 130–136. [CrossRef]
18. Bertoluzza, A.; Bottura, G.; Filippetti, P.; Tosi, M.R.; Vasina, M.; Pratella, G.C.; Folchi, A.; Gallerani, G. Vibrational spectroscopy for the evaluation of molecular perturbation indiced in fruit lipids by cold storage. J. Mol. Struct. 1994, 324, 177–188. [CrossRef]

* (По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации – прим. ред.)