Красноярские учёные использовали отходы шпрот для производства биоразлагаемых «зелёных» пластиков. О том, как превратить рыбные отходы в ценное сырьё, рассказывает доктор биологических наук Татьяна Волова, заведующая лабораторией хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН.

— Татьяна Григорьевна, с чего началась эта работа?

Фото: Wally Roth/Flickr.com, CC BY-ND 2.0

— С осознания проблемы. Сегодня необходимо ведение новых форм хозяйствования, способных сократить темпы потребления природных ресурсов, сохранив их для будущих поколений, обеспечить освоение принципиально новых продуктов и материалов для защиты окружающей среды. Сегодня на фоне культуры «одноразовой жизни», вытекающей из неустойчивой линейной экономической модели (бери, делай, выбрасывай), происходит истощение природных ресурсов и глобальное загрязнение биосферы. Это ведёт к разрушению механизмов её саморегулирования с непредсказуемыми последствиями. Наряду с угрозой глобального потепления климата человечество столкнулось с ещё одной глобальной экологической проблемой — загрязнением планеты пластиковыми отходами.

Решение проблемы пластикового мусора связано с необходимостью его рецикла, требующего больших затрат. Второй путь решения проблемы — это постепенный переход на разрушаемые полимерные материалы нового поколения. Их ещё называют экологически совместимыми, «дружественными природе» технологиями, и здесь лидирующим направлением научно-технической и промышленной деятельности становятся технологии, основанные на использовании потенциала живых систем, то есть биотехнологии. Среди них особое место занимают полимеры гидроксипроизводстных алкановых кислот, так называемые полигидроксиалканоаты (ПГА). Эти биопластики, синтезируемые рядом микроорганизмов в специализированных режимах биологического синтеза, стали реальными кандидатами для постепенной замены синтетических пластиков. Думаем об этом и мы. И шпроты стали тут отличным решением.

— Чем же так хороши шпроты, кроме того, что их можно есть?

— Комплекс полезных свойств выдвигает полигидроксиалканоаты в разряд наиболее перспективных материалов XXI века для применения в различных сферах — от коммунального и сельского хозяйства до фармакологии и биомедицины. Ключевая задача для завоевания рынка разрушаемыми полигидроксиалканоаты — это снижение их стоимости за счёт привлечения доступного углеродного сырья, доля которого в структуре затрат может составлять до 45–50%. Потенциально сырьём для синтеза полигидроксиалканоатов могут быть различные субстраты с различной степенью восстановленности и стоимости. Среди них — индивидуальные соединения (сахара, органические кислоты, спирты, метан, углекислота и её смеси с водородом, глицерин и др.), а также, что особенно значимо, отходы техносферы (гидролизаты растительного сырья, отходы пищевой, фармацевтической, спиртовой, целлюлозно-бумажной промышленности и др.).

Татьяна Волова, заведующая лабораторией хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН, профессор.

Наш коллектив уже не первый год решает проблему расширения субстратных сценариев для синтеза биопластиков. К настоящему времени нами разработаны и реализованы лабораторные технологии синтеза полигидроксиалканоатов на сахарах, спиртах, органических кислотах, гидролизатах мелассы и топинамбура, глицерине, являющегося крупномасштабным отходом производства биодизеля, а также растительных маслах (подсолнечном и его отходах, пальмовом, рыжиковом). Перспективным субстратом считаются крупнотоннажные жиросодержащие отходы пищевой промышленности, генерирующей до 29 млн тонн отработанного жира ежегодно. Утилизация его требует больших затрат. В сфере исследований — побочные жировые продукты животного происхождения, включая отработанное масло жарки, переработанные низкосортные животные жиры, а также различные растительные масла.

— Вы сказали, что существует проблема жиросодержащих отходов. Она актуальна и для рыбоперерабатывающей промышленности?

— Да, в процессе переработки рыбного сырья до 50% и более идёт в отходы, значительная часть которых уносится с промывной водой и создаёт экологические проблемы. Поэтому сейчас активно развивается поиск новых технологий переработки отходов рыбопереработки не только для рутинного получения рыбной муки и жировых продуктов технического назначения, но и для более востребованных продуктов с высокой добавленной стоимостью (рыбий жир, омега-3 жирные кислоты, белковые продукты и др.), а также, возможно, и полигидроксиалканоаты.

— Что представляют собой отходы шпрот? Где предполагается их брать? 

— Идея привлечения жировых отходов производства шпрот возникла в результате участия нашего сотрудника кандидата технических наук Евгения Киселёва в Международном балтийском морском форуме, проходящем ежегодно в Калининграде, и знакомства с сотрудниками кафедры пищевых биотехнологий Калининградского технического университета. Крупнотоннажные жиросодержащие отходы образуются в процессе горячего копчения мелких сельдевых рыб в производстве консервированных шпрот. Основное сырьё для получения шпротных консервов — килька, объёмы мирового вылова которой составляют порядка 500 тыс. тонн в год. Выбор этого сырья обусловлен тем, что шпротные консервы вырабатывают в больших объёмах повсеместно, — в прибалтийских, причерноморских, прикаспийских странах, на Фарерских островах, в Норвегии, а также в России, в которой объёмы производства составляет более 20 000 тонн в год.

Процесс приготовления биополимеров из отходов рыбной промышленности в лабораторных условиях. Фото Анастасии Тамаровской.

При этом около 10–12 тонн рыбных отходов за сутки образуется только на территории Калининградской области, до 8–10 тонн приходится на шпротные головы копчёной кильки, в которых содержится до 15% жира и 22% белка, а также коптильные компоненты (в основном фенольные соединения и полициклические ароматические углеводороды). Поэтому этот источник непригоден для прямого использования в составе кормов для сельскохозяйственных животных и аквакультуры; его в основном вывозят на полигоны твёрдых отходов или сжигают. Это определило для нас новую цель биотехнологии полигидроксиалканоатов — оценить потенциал жировых отходов рыбопереработки, включая производство шпротных консервов, в качестве углеродного субстрата для биосинтеза разрушаемых полимеров.

— Как это работает?

— Шпротное масло получают из отходов производства консервов «Шпроты в масле» из голов копчёной балтийской кильки Sprattus sprattus в соответствии с ГОСТом Российской Федерации. Сырьё предоставляет рыбоконсервный завод РосКон (Калининградская область, Россия). Технологическая схема включает процесс горячего копчения тушек кильки. После охлаждения копчёной рыбы головы отделяют, измельчают и смешивают с водой в определённом соотношении; нагревают по отработанной схеме, далее центрифугируют; жирная фракция супернатанта отделяется от нежировой фракции декантацией, далее подвергается фильтрации, химическому анализу, а затем предоставляется Институту биофизики СО РАН для исследования в качестве углеродного источника синтеза биопластиков, а также ещё одного целевого продукта — белка одноклеточных.

— Есть ли уже попытки внедрения? 

— Тут, как говорится, скоро только кошки родятся. Разработка и реализация новой биотехнологии — это длительный процесс серьёзных комплексных исследований. Такие многоцентровые исследования развернуты в Институте биофизики СО РАН совместно с Калининградским техническим университетом в 2023 году в рамках выигранного междисциплинарного гранта Российского научного фонда.

На первых этапах необходимо было провести скрининг среди эффективных продуцентов полигидроксиалканоатов и отобрать штаммы, обладающие комплексом липолитических ферментов, способных метаболизировать жировые отходы для роста, исследовать и скорректировать состав жировых отходов, разработать питательные среды, не лимитирующие и не ингибирующие рост и развитие микроорганизмов, оценить полноту использования исследуемого субстрата, продукционные характеристики микробных культур, включая выходы, состав и свойства синтезируемых полимеров.

Образец полимера, полученного из отходов производства шпрот. Фото Анастасии Тамаровской.

Внедрение станет возможным, когда будет разработана технология с использованием отходов рыбопереработки и реализована сначала на лабораторном уровне, далее масштабирована до уровня опытного производства и так далее. Это непростой путь. Но мы намерены его пройти.

— Касается ли это только шпрот или подходят любые консервы в масле? Вот в печени трески жиров, например, ещё больше. 

— Отходы производства шпрот — это первый исследованный нами субстрат для синтеза ПГА. Результаты составили недавнюю публикацию (Processes, 2023). К настоящему времени исследованы другие потенциальные субстраты для синтеза ПГА, полученные из отходов рыбопереработки коллегами в Калининграде, — это отходы некондиционной свежей балтийской кильки, жировые отходы, полученные из внутренностей судака, а также из голов и хребтов свежей атлантической скумбрии.

Атлантическая скумбрия входит в число основных видов, вылавливаемых в мире. В отдельные годы мировой улов составляет до 2,5 млн тонн. Отходы и потери в процессе переработки скумбрии составляют до 30–35 %. Головы — это самая большая фракция отходов, образующихся при переработке скумбрии (порядка 23% от массы исходного сырья).

Исследованные отходы, как нами показано, характеризуются различным химическим составом, включая количество жира и состав жирных кислот, по-разному и с различной активностью утилизируются микроорганизмами, а также влияют на состав и свойства синтезируемых полимеров. Поэтому в ходе дальнейших исследований предстоит провести сравнительный анализ результатов, оценить и выбрать наиболее результативные типы отходов, разработать эффективные технологии их применения в процессах синтеза разрушаемых биопластиков, а также остро востребованного продукта биотехнологии — белка одноклеточных. Но это другие технология и история, над которыми мы тоже работаем.

— И философский вопрос. Учёные постоянно придумывают новые технологии переработки тех или иных отходов, стараясь вытащить человечество из экономического коллапса, а человечество упорно не хочет экономить, живёт «на широкую ногу». Тех, кто проникся идеей исчерпаемости ресурсов, единицы. Да и с внедрением обычно большие проблемы. Нет ли у вас ощущения тщетности ваших усилий?

— Отвечу словами классика: «Не своротить камня с пути думою. Кто ничего не делает, с тем ничего не станется». Поэтому мы предпочитаем «не тратить силы на думу и тоску», а действовать, полагая, что наука должна приносить пользу людям.