автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Исследование биокаталитических процессов получения пищевых углеводных компонентов из нетрадиционных зерновых источников

На правах рукописи

Комиссарова Виктория Валерьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОКАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ УГЛЕВОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ НЕТРАДИЦИОННЫХ ЗЕРНОВЫХ ИСТОЧНИКОВ

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2010 г.

004604088

Работа выполнена на кафедре «Химия пищи и пищевая биотехнология» Московского государственного университета прикладной биотехнологии (МГУПБ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры

«Химия пищи и пищевая биотехнология» Румянцева Г.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ермолаева Г.А.

кандидат технических наук, доцент Бердутнна A.B.

Ведущая организация: Некоммерческое партнерство

Научно-Технический Центр «Лекарства и биотехнология» (НТЦ «Лекбиотех»)

Защита диссертации состоится « » Об 2010 г. в ■и

на заседании диссертационного совета Д 212.149.01 при Московском государственном университете прикладной биотехнологии по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 33, Конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПБ.

Автореферат разослан « О » О _2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета, к.т.н., проф.

Забашта А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сохраняющаяся тенденция оздоровления рациона человека ставит перед биотехнологами проблему получения продуктов и ингредиентов пищи из природного нетрадиционного для промышленности сырья. Натуральные сахаристые продукты (СП), в частности, мальтозные, мальтозо-глюкозные сиропы, могут заменить традиционную сахарозу и искусственные подсластители, которые нередко оказывают негативное влияние на организм человека. Мальтозные сиропы широко используются за рубежом, в частности, в производстве карамели. Все большее распространение получают и растительные пищевые волокна (ПВ), польза употребления которых является неоспоримой.

Следует отметить, что применение указанных углеводных компонентов в составе кондитерских, хлебобулочных изделий, напитков, благодаря ряду их положительных функционально-технологических свойств, позволит корректировать показатели качества продуктов. Кроме того, эти компоненты пищи широко используются в продуктах лечебно-профилактического питания, диетического, в том числе диабетического.

Работы И.А. Рогова, Э.С. Токаева, A.A. Кочетковой, Н.П. Шелухиной, Н.П. Нечаева и других ученых свидетельствуют о высокой функционально-технологической значимости углеводов из растительного сырья в производстве продуктов питания.

Практически отсутствие отечественного производства мальтозных сиропов и ПВ в очищенном виде, а также высокая цена на импортные аналоги существенно ограничивают применение этих пищевых углеводных компонентов в промышленности нашей страны. В связи с этим исследования по получению СП и ПВ являются своевременными и необходимыми.

Усовершенствование данных технологий имеет два основных направления: использование новых ферментных препаратов (ФП), полученных путем микробиологического синтеза, в том числе методом генной инженерии, и поиск новых видов сырья.

Проблеме использования микробных ФП в различных отраслях пищевой промышленности, и в частности, в производстве пищевых добавок углеводной природы, посвящены работы таких ученых, как: М.В. Гернет, Г.А. Ермолаева, С.Е. Траубенберг, Л.В. Антипова, Н.Д. Лукин, Т.А. Ладур, Н.Г. Гулюк, Н.Р. Андреев и др.

Традиционным сырьем для получения СП являются кукуруза и картофель. Учитывая, что они используются непосредственно в пищевых рационах, особую важность приобретает вовлечение в производство нетрадиционных видов сырья и вторичных сырьевых ресурсов (ВСР), применение которых благодаря их меньшей стоимости делает технологию конкурентоспособной в условиях рынка.

В данной работе рассмотрена возможность получения из растительного нетрадиционного сырья и ВСР углеводных компонентов пищи - СП и ПВ. Представленная технология получения основана на концепции и методологии направленного биокатализа, сформулированной в последнем десятилетии

специалистами этой области - А.П. Синицыным, С.Д. Варфоломеевым, Г.Б. Бравовой, JI.B. Римаревой. В работе также использована параметрическая модель и методология направленного биокатализа, разработанная в МГУПБ Н.И. Дунченко и Г.Н. Румянцевой.

Цели и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является установление кинетических закономерностей ферментативного гидролиза субстратов углеводной природы и разработка на их основе технологии получения сахаристых продуктов и пищевых волокон с использованием промышленных микробных ферментных препаратов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1) исследование химического состава зернового сырья и ВСР и выбор источников с высоким содержанием крахмала и структурных полисахаридов;

2) сравнительное изучение ФП микробного происхождения по каталитической активности, определение наиболее эффективных из них для гидролиза растительного сырья - источниов ценных углеводных компонентов: СП и ПВ;

3) определение закономерностей ферментативных реакций при действии а-, ß- и глюкоамилаз на стандартные субстраты; установление каталитических свойств амилаз, в том числе кинетических параметров - Vmax и Km;

4) выявление оптимальных условий температуры и pH, а также влияния активаторов на действие ферментов на стандартных субстратах;

5) установление синергического действия амилаз с различной специфичностью в процессах получения СП;

6) определение рациональных режимов биокаталитической обработки ВСР из зерновых культур, а также нетрадиционного крахмалсодержащего сырья для получения очищенных мальтозных и глюкозо-мальтозных сиропов;

7) исследование побочных продуктов ферментативной обработки зерновых видов сырья, включая ВСР, и обоснование возможности и целесообразности получения второго продукта - растительных ПВ;

8) разработка принципиальной технологической схемы производства пищевых углеводных компонентов из растительного сырья и ВСР;

9) оценка показателей качества СП и ПВ, определение сферы их использования.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• Изучены биокаталитические свойства ферментов а-амилаз Bacillus subtilis origin и Bacillus licheniformis, а также препаратов нового поколения, в том числе генномодифицированных: ß-амилазы Bacillus stearothermophilus, глю-коамилазы Aspergillus niger.

• Установлены закономерности реакций мультиферментных систем амилаз из культур рода Bacillus и Aspergillus, в том числе кинетические параметры Vmax и Km в модельных опытах, показано сродство ферментов к субстратам: мальтозе и мальтодекстринам.

• Показан эффект синергизма в действии ß-амилазы Bacillus stearothermophilus и глюкоамилазы Aspergillus niger в процессе осахаривания крахмала (Ксин =1,9).

• Выявлено положительное влияние активаторов (NaCl и СаС12) на действие генномодифицированной ß-амилазы Bacillus stearothermophilus, проявляю-

4

щееся в увеличении активности фермента на 10-15%.

• Хроматографически установлена возможность получения мальтозного сиропа из ячменного крахмала с использованием генномодифицированной ß-амилазы Bacillus stearothermophilus.

Новизна технологических решений отражена в заявке на патент № 2009136073/20 от 30.09.2009 «Способ получения мальтозного сиропа». Практическая ценность работы заключается в том, что:

• Создана безотходная технология получения СП и ПВ на основе биокатализа крахмалсодержащего растительного сырья и ВСР.

• Представлены данные скрининга микробных ФП по направленности действия и каталитической активности, участвующих в гидролизе растительных полисахаридов, по их активности и направленности действия.

• Модифицирован метод определения активности ß-амилазы.

• Сделан выбор сырья и ВСР для промышленного получения СП и ПВ.

• Обоснована и реализована частичная замена в традиционной технологии кислотного гидролиза для получения СП и щелочной обработки ПВ на биокаталитический способ с применением микробных ФП.

• Показана роль протеаз и целлюлаз микроорганизмов в процессе обработки зернового сырья и ВСР, заключающаяся в увеличении выхода СП.

• Разработаны рациональные режимы ферментативной обработки сырья для получения СП (мальтозных и глюкозо-мальтозных сиропов) и ПВ, проведена их математическая оптимизация.

• Представлена схема технологии комплексного получения СП и ПВ из зернового сырья и ВСР.

• Показана целесообразность использования полученных препаратов ПВ в производстве пшеничного хлеба, ожидаемый экономический эффект внедрения результатов работы от экономии себестоимости составил 0,261 тыс. руб./т, продукта.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на: V и VII Международных научных конференциях студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2006 и 2008 гг); IV Международном научно-практическом симпозиуме «Микробные биокатализаторы и их роль в нано- и биотехнологии» (Москва, 2008 г); IV, V и VI Московских Международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2008, 2009, 2010 гг), V Международном симпозиуме «Перспективные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК» (Москва, 2010). Работа отмечена дипломом конкурса молодых ученых Московской Международной конференции «Биотехнология: Экология больших городов» (Москва, 2010).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе четыре - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей методы и объекты ис~

следования, результаты и их обсуждение, выводы; списка используемой литературы и патентов, а также приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит обзор литературы и патентов, включающий 14 таблиц и 7 рисунков, экспериментальный материал представлен в 11 таблицах, 42 рисунках. Библиография включает 166 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

Первая глава представляет собой аналитический обзор научно-технической и патентной литературы в области получения и применения углеводных компонентов пищи - СП и ПВ - из растительного сырья.

Рассмотрены способы получения указанных пищевых компонентов, подробно описан биокаталитический метод обработки сырья и его теоретические основы. Представлены данные об используемых для обработки крах-малсодержащего сырья амилолитических ферментах микробного происхождения, включая механизм их действия.

Приведена классификация СП и ПВ, проведена сравнительная оценка традиционных и нетрадиционных источников для их получения, показана область применения углеводных компонентов в производстве продуктов питания.

В заключение первой главы сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе в соответствии с целью работы и сформулированными задачами приведена схема постановки эксперимента, описаны объекты и методы, используемые в диссертационной работе (рис. 1).

В качестве объектов исследования в работе использованы: крупа кукурузная (ГОСТ 6002-69), ячмень цельный (ГОСТ 28672-90), мука ржаная обдирная (ГОСТ 7045-90), пшеничный кормовой зернопродукт (ТУ 9295-00100933855-04), отруби пшеничные (ГОСТ 7169-66), крахмал кукурузный (ГОСТ Р 51985-2002), ПВ из кукурузы, ячменя, полученные ферментативным способом по технологии МГУПБ; а также пшеничные волокна Vitacel WF 200 (ф. «Реттенмайер энд Зоне», Германия) - в качестве образцов для сравнения с экспериментальными.

В качестве ФП применяли а-амилазы: Термамил (Bacillus licheniformis) ф. «Новозаймс», Дания; Ликвамил Л 1200 (Bacillus subtilis origin) и Амил ЛТ 800 (Bacillus licheniformis) ф. «Эндэ Индастриал», США; комплексный препарат Промальт с активностью а-амилазы, протеазы, ß-глюканазы, полученный совместным культивированием Bacillus subtilis и Pénicillium emersonii ф. «Керри байосайенс», Ирландия; а также отечественные препараты Амилосуб-тилин Г20х (Bacillus subtilis) и Амилоризин Г20х (Aspergillus oiyzae) ф. ООО ПО «Сиббиофарм», Россия; мальтозообразующие препараты Фунгамил (Aspergillus oryzae) и генномодифицированный препарат Мальтогеназа (Bacillus stearothermophilus) ф. «Новозаймс», Дания; глюкозообразующие препараты Глюкозим Л-400 (Aspergillus niger) и Глюкомил Л-706 (Aspergillus niger) ф. «Эндэ Индастриал», США. Для гидролиза некрахмальных полисахаридолв использовали препарат Целлюкласт (Trichoderma reesei) ф. «Новозаймс»,

Рисунок 1. Схема постановки эксперимента

Дания; для гидролиза белков - Бирзим (Bacillus subtilis) ф. «Дёлер», Германия и Нейтразу (Bacillus subtilis) ф. «Новозаймс», Дания.

В главе 2 приведены методы определения изучаемых показателей. Каталитическую активность протеазы, амилазы, целлюлазы, и ß-глюканазы оценивали по стандартным методикам (ГОСТ 20264.3-81, ТУ 11249895-1313-92, ТУ 9291-034-34588571-2001). Определение кинетических параметров действия ферментов осуществляли, используя в качестве субстратов мальто-декстрины и мальтозу («Каргилл», США). Содержание общего количества полисахаридов в сырье, в том числе крахмала, целлюлозы, гемицеллюлозы осуществляли методом, основанным на гидролизе субстратов сырья до простых Сахаров (в модификации Румянцевой Г.Н., Макуриной C.B., 2005). Определение и выделение пектиновых веществ поводили по методу, разработанному в МГУПБ (Румянцева Г.Н., Варфоломеева О.В., 2004) и по ТУ 10.963.27-91.

Процесс гидролиза крахмала проводили в три стадии: 1 - предварительное нагревание и клейстеризация суспензии крахмалсодержащего сырья и ВСР; 2 - разжижение крахмала препаратами а-амилазы; 3 - осахаривание разжиженной суспензии препаратами ß- амилазы и глюкоамилазы.

Качественную оценку полученных гидролизатов провели по накоплению редуцирующих Сахаров, определяемых спектрофотометрически на приборе «Спектрофотометр СФ-2000». О степени разжижения крахмала судили по снижению вязкости на вискозиметре Освальда. Показателем полноты гидролиза являлся выход редуцирующих веществ относительно исходного содержания в сырье сахаросодержащих компонентов.

Характеристику и функционально-технологические свойства пищевых волокон определяли по общепринятым методикам (Рогов И.А., Гурова H.A., Жаринов А.И., Попова М.Ю., 2005). Фракционный состав сахаристых продуктов исследовали хроматографически на углеводном анализаторе «Biotronic» LC-5100.

Повторность опытов и анализов трехкратная. Экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики, определили коэффициенты вариации.

В третьей главе «Изучение каталитических свойств ферментных препаратов» исследован состав используемого в работе растительного сырья и ВСР: кукурузной крупы, ячменя цельного, ржаной обдирной муки, пшеничного зернопродукта и пшеничных отрубей. Определено содержание основных компонентов: крахмала, целлюлозы, гемицеллюлозы, белка, пектина, воды (табл. 1).

Наибольшее количество крахмала содержит традиционный его источник - кукурузная крупа (76,5 %). Далее в порядке убывания: ржаная мука, ячмень цельный, пшеничный зернопродукт, пшеничные отруби. Анализ субстратного состава используемого сырья и ВСР позволил обосновать целесообразность применения выбранных ФП. Для всех видов исследуемого сырья целесообразен выбор амилолитических ферментных препаратов с высокой a-, ß- и глюкоамилазной активностью.

Таблица 1.

Состав используемого сырья и ВСР

_n=3, v<6%

———___Сырьеи ВСР Компоненты " Кукурузная крупа Ячмень цельный Ржаная мука обдирная Пшеничный зернопродукт Пшеничные отруби

Влажность % 10,0 11,0 14,0 13,0 14,4

Крахмал % 76,5 58,8 60,2 38,0 10,1

% на С.В. 83,0 66,0 70,0 43,1 21,5

Целлюлоза % 6,5 16,0 5,1 27,0 38,5

% на С.В. 7,2 18 5,9 31,0 45,0

Гемицеллюлоза % 2,7 9,0 7,2 15,0 25,0

% на С.В. 3 10,1 8,4 17,2 29,2

Пектин % следы 1Д следы следы следы

% на С.В. следы 1,2 следы следы следы

Белок % 3,8 3,5 2,5 2,0 следы

% на С.В. 4,2 3,9 2,9 2,3 следы

Значительное содержание основных нерастворимых углеводов, составляющих ПВ (целлюлоза, гемицеллюлоза) установлено в пшеничных отрубях (63,5%), что обусловило целесообразность применения данного вида ВСР и в качестве источника ПВ.

Присутствие белковых компонентов в исследуемых видах сырья и ВСР свидетельствует о возможности применения протеаз, в частности ПМ, необходимых для освобождения конечных углеводных продуктов от примесей белкового происхождения.

Исследован состав ФП и проведен скрининг по направленности их действия и каталитической активности семи основных ферментов (табл. 2).

Таблица 2.

Каталитическая активность ферментных препаратов

_n=3, у<10%

Ферментный препарат Обозначение Продуцент Активность, ед/г (см3)

а-ами-! лазы ß-ами-лазы глюко-амилазы проте-азы целлю-лазы ß -глю-каначы

Термамил ТМ Bacillus lichemformis 1250 следы следы 72 0 0

Амил ЛТ 806 AM Bacillus licheniformis 700 11 6 0 0 0

ЛиквамилЛ 1200j ЛМ Bacillus subtilis origin 2000 0 0 0 0 0

фунгамил 800 ФМ Aspergillus oryzae следы 710 0 0 0 0

Мальтогеназа L мг Bacillus stearothermophilus 0 660 0 0 0 0

Глюкозим L-400C гз Aspergillus niger следы следы 5500 0 0 0

Глюкомил L-706 гм Aspergillus niger 300 гледы 6400 0 0 0

Промальт ПМ Вас. subt.,Penicillium emersonii 450 следы следы 42 0 140

Целлюкласт ЦК Trichoderma reesei 0 0 0 0 7600 114

Нейтраза нт Bacillus subtilis следы 0 0 480 0 0

Бирзим БЗ Bacillus subtilis 13 0 0 233 0 60

С учетом субстратного состава исследуемого сырья и ВСР и скрининга ФП по каталитической активности для исследований выбраны препараты:

для разжижения крахмала - Термамил, Ликвамил, Амил, Промальт; для оса-харивания - Фунгамил, Мальтогеназа, Глюкозим и Глюкамил. Для гидролиза структурных полисахаридов предпочтителен целлюлолитический препарат Целлюкласт, для гидролиза белков зерновых культур - протеолитические препараты Нейтраза и Бирзим.

Изучены оптимальные условия действия ферментов на стандартных субстратах. Исследована активность ферментных препаратов: а-амилаз ТМ, АМ, ЛМ и комплексного препарата ПМ в интервале температур от 30 до 90°С с шагом 10°С. В качестве субстрата использован крахмал кукурузный ч.д.а. (рис.2).

Рисунок 2. Влияние температуры иа активность а-амилаз ТМ, ПМ, JIM и AM

Установлен оптамум температуры для действия препаратов а-амилаз: ЛМ 55°С, AM и ТМ 70°С (их можно отнести к термостабильным), комплексного препарата ПМ 50°С.

В качестве субстрата в опытах с ß-амилазами использовали кукурузный мальтодекстрин, для установления оптимума действия глюкоамилаз -мальтозу ч.д.а. Определена оптимальные температуры действия для ß-амилаз (ФМ и МГ) и глюкоамилаз (ГЗ и ГМ) (рис.3).

Рисунок 3. Влияние температуры на активность ß-амилаз ФМ и МГ и глюкоамилаз ГЗ и ГМ

Среди исследуемых ¡3- и глюкоамилаз наиболее термостабилен препарат ГМ с оптимумом 70° С, ферментные препараты МГ, ФМ и ГЗ наиболее эффективно действуют при более низких температурах 50-60°С.

Изучено влияние показателя рН на амилолитическую активность наиболее эффективных ФП. Установлено, что исследуемые р-амилазы проявляют максимум активности при рН 5,0-6,0, глюкоамилаза ГЗ при 5,6-6,0, глю-коамилаза ГМ лучше всего действует в слабокислой среде с рН 4,0, но сохраняет до 88% своей активности при рН 5,0. Показано, что оптимум рН ферментных препаратов близок к рН зернового сырья: 5,4 - 6,2.

Исследованы кинетические показатели процесса биокатализа -максимальная скорость реакции (Утах) и константа Михаэлиса (Км), которые позволяют установить рациональную концентрацию субстрата для действия конкретного фермента. Ферментативную реакцию проводили в установленных ранее оптимальных условииях с использованием в качестве субстрата мальтодекстринов и мальтозы.

Показано, что накопление продуктов ферментативной реакции идет по нарастающей: в случае использования мальтодекстрина - до 3,8 мг/см3, мальтозы - до 3,6 мг/мл. Далее реакция приобретает нулевой порядок.

Величины Утах и Км находили по графику Лайнуивера-Берка, отражающему зависимость скорости реакции от концентрации субстрата по методу двойных обратных величин (рис.4).

// ш / ---/

—А // / /

X £ s 'S -5,9 у /

X S 2 'S з, *— / /

-¿—i / / /\ /г

/ -Vi

/ 7 / /

/ / -у-

/ / / п . /

✓ /

-1,54 . 2 0,87 1 0 1/[s], (мг/см3)-1 мг — - фм -3,7 6 — -i -о— 3 1/[s], (л "3 ) лг/см3)-1 -г в м

а б

Рисунок 4. Определение кинетических параметров для ферментных препаратов: а - ß-амилаз МГ и ФМ; б - глюкоамилаз ГМ и ГЗ.

Установлены кинетические параметры действия: МГ - VraaJ(= 0,73 мкг/мин, Км = 1,15 мг/см3; ФМ - Vmax = 0,53 мкг/мин; Км = 0,67 мг/см3; ГМ - Vmax = 0,21 мкг/мин; Км = 0,27 мг/см3; ГЗ - Vraax = 0,15 мкг/мин; Км = 0,17 мг/см3. Наибольшее сродство к субстратам отмечено в случае использования ß-амилазы Aspergillus oryzae (ФМ) и глюкоамилазы Aspergillus niger (ГЗ).

Исследована стабильность осахаривающих амилаз ФМ и ГЗ. Показано, что ферменты стабильны в температурном режиме от 50 до 60°С в течение 5 ч.

Изучено действие активаторов на процесс ферментативного гидролиза.

По данным научно-технической литературы в качестве активаторов амилаз часто выступают некоторые одновалентные анионы, например, йода, брома и хлоридов, последние из которых применяются наиболее широко. Исследовали влияние ионов хлора и ионов кальция на активность амилазы. Действие указанных активаторов изучили с использованием препарата МГ и субстрата - мальтодекстринов (рис.5).

120 S115 ^110

^105

л100 | 95 1 90 I 85 80

РР

т

ЧШ NaCI CZ3 CaCI2 — Контроль

0 0,002 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5

Концентрация активатора в растворе, %

Рисунок 5. Зависимость активности препарата МГ от концентрации активаторов

Объективный эффект использования NaCI в качестве активатора превзошел результаты применения СаС12 (повышение активности на 16% против 10%), однако, максимальный эффект действия СаСЬ достигнут уже при его концентрации 0,005% в растворе, тогда как для проявления влияния NaCI на активность амилазы потребовалась его концентрация в растворе не менее 0,1%. Показано, что применение NaCI в концентрации 0,1% или СаС12 -0,005% делает возможным снижение дозы используемого ферментного препарата на 10-15%.

Исследовано явление синергизма в действии ферментов м/о - ß-амилазы Bacillus stearothermophilus и глюкоамилазы Aspergillus niger в процессе осахаривания крахмала. Коэффициент синергизма вычисляли как отношение экспериментально полученного выхода РВ при действии смеси ß- и глюкоамилазы к теоретическому выходу, рассчитанному как суммарное действие индивидуальных ферментов. Коэффициент синергизма равен 1,9.

Глава 4 «Исследование процесса биокатализа при получении углеводных пищевых компонентов из растительного сырья» посвящена изучению процесса и выбору рациональных режимов гидролиза крахмалсодер-

жащего сырья и ВСР для получения сахаристых продуктов, а также для получения второго продукта - пищевых волокон.

Установлено рациональное значение гидромодуля- массового соотношения расходуемого сырья и воды: 1:12 для ячменя, пшеничных отрубей и зернопродукта, 1:10 для кукурузной и ржаной муки.

Изучено влияние температуры на стадии клейстеризации крахмала, так как этот показатель оказывает существенное влияние на степень разрушения крахмального зерна и доступность субстрата для ферментов амило-литического действия.

Установлено, что повышение температуры клейстеризации до 80°С увеличивает содержание РВ в гидролизатах после стадии разжижения крахмала кукурузной муки и пшеничного зернопродукта. Для пшеничных отрубей, ржаной и ячменной муки более эффективной по этому показателю оказалась температура 60°С. Данные изменения вязкости подтверждают правильность выбранных температурных режимов клейстеризации крахмала зерновых источников: для кукурузной муки и пшеничного зернопродукта максимальное снижение вязкости отмечено при температуре клейстеризации 80°С и составило 37 и 19% соответственно, для пшеничных отрубей, ржаной и ячменной муки минимальная вязкость зафиксирована при 60°С и составило 22, 42 и 33% соответственно.

Определены рациональные режимы стадии разжижения крахмала зернового сырья и ВСР. В ходе эксперимента определена продолжительность стадии разжижения для всех видов сырья и ВСР в одинаковых условиях: с ферментным препаратом ТМ в дозе 0,2 мг/г сырья при температуре 70°С. Продолжительность стадии составляла 30,60 и 90 мин (рис.6).

Вид сырья и ВСР:

Кукурузная Ячменная мука мука

Ржаная Пшеничный Пшеничные мука зернопродукг отруби

Продолжительность разжижения, мин: И 30 □ 60 0 90

Рисунок 6, Влияние продолжительности разжижения на содержание РВ в гидролизатах крахмалсодержащего сырья и ВСР.

Показано, что рациональной продолжительностью стадии разжижения крахмала является 1 ч практически для всех видов сырья и ВСР. Только для

кукурузной муки разжижение в течение 1,5 ч позволяет достичь существенно лучшего результата, чем после часового процесса - содержание РВ 21,4% и 15,9% соответственно.

Уровень РВ в разжиженной суспензии - 5-20% к массе сырья соответствует принятому в традиционной технологии СП. Учитывая это, в дальнейших экспериментах продолжительность стадии разжижения принята как 1 ч для всех видов сырья и ВСР.

Изучено влияние доз препаратов ТМ, АМ, ПМ на процесс разжижения крахмала каждого из исследуемых видов зернового сырья и ВСР: кукурузы, ячменя, ржи, пшеничного зернопродукта и пшеничных отрубей (рис. 7-9).

аз к л

о. а.

ш 3

о

X а>

га о

К о

а. и

ш г

Ч

о

О

и 0,1 0,2 0,5 1 2 мг/г сырья

ПМ 0,08 0,16 0,4 0,8 1.6 ед. АС/г крахмала

ТМ 0,2 0,4 1,0 2,0 4,0

лм 0,2 0,4 1,0 2,0 4,0

Доза ферментного препарата, мг/г сырья

Рисунок 7. Влияние дозы ферментного препарата на процесс разжижения крахмала ржаной муки

Эксперименты свидетельствует об эффективности ПМ для разжижения крахмала ячменя и ржи. Это объясняется тем, что протеаза и гемицеллюлаза, содержащиеся в комплексном препарате ПМ, гидролизуют, соответственно, белковые компоненты и фрагменты клеточной стенки, что, по-видимому, повышает доступность крахмала и полисахаридов для действия ферментов и улучшает экстракцию водорастворимых продуктов гидролиза.

Установлены дозы ПМ, при которых процесс разжижения клейстеризован-нош крахмала сырья идет эффективно: для ячменя и ржи 1,0 мг/г сырья. Для кукурузной крупы предпочтительнее применять а-амилазу ТМ в дозе 0,2 мг/г сырья.

В работе использован новый вцц ВСР - пшеничный зернопродукт, отход мукомольного производства, который содержит до 38% крахмала (ТУ 9295-00100933855-04) (рис. 8).

Рисунок 8. Влияние дозы ферментного препарата на процесс разжижения крахмала пшеничного зернопродукта

Установлено, что использование амилазы ТМ в дозе 0,5 мг/г сырья приводит к наибольшему выходу РВ среди исследуемых ФП на уровне 23% к массе сырья.

Для разжижения крахмала, содержащегося в пшеничных отрубях, использовали JIM, AM, ПМ (рис.9).

ш

ЯШ

штю

10 48 120,0 75,0 152

иПМ вЛМ

dam

qam+цк

мг/г сырья

ед. акт/г субстрата

Доза ферментного препарата

Рисунок 9. Влияние дозы ферментного препарата на процесс разжижения крахмала пшеничных отрубей

Полученный показатель РВ в гидролизатах пшеничных отрубей ниже, чем у других используемых в работе видов сырья, но вполне соотносится с меньшим содержанием крахмала в отрубях.

С учетом высокого содержания целлюлозы и гемицеллюлозы в отрубях исследовали влияние совместного гидролитического действия ЦК и АМ. Вы-

явлен положительный эффект и увеличение выхода РВ до 27,5%, что на треть выше показателя для действия амилазы АМ, рациональные дозы составили: для АМ 2 мг/г, для ЦК 5 мг/г сырья.

Установлены рациональные режимы стадии осахаривания крахмала зернового сырья и ВСР - ключевой стадии при производстве СП. Продолжительность процесса варьировали от 1 до 3 ч (рис. 10-13).

0,5 1 1,5 2 2,5 Продолжительность осахаривания, ч

После разж-я ТМ и осах-я ГЗ

После разж-я ТМ и осах-я ГМ

После разж-я ТМ

В исходной суспензии кукурузная мука-вода

Рисунок 10. Накопление редуцирующих веществ в кукурузном гидролизате

После стадии осахаривания проводили термическую инактивацию ФП при температуре 90°С в течение 15 мин.

При воздействии на кукурузное сырье ГЗ в дозе 1,5 мг/г сырья содержание РВ в гидролизате достигает максимума - 58% к массе сырья после 2 ч ферментативной обработки, далее с течением времени этот показатель повышается незначительно.

0,5 1 1,5 2 Продолжительность, ч

2,5

После разж-я ПМ и осах-я МГ

После разж-я ПМ и осах-я ФМ

_ После разж-я

ЕПШЗ ПМ

_ В исходной

суспензии ячменная мука-вода

Рисунок 11. Накопление редуцирующих веществ в ячменном гидролизате

16

Содержание РВ в ячменных гидролизатах достигает 46-48% к массе сырья после осахаривания препаратом ФМ или МГ в дозе 1 мг/г сырья в течение 2 ч.

1АХЛ1

0,5 1 1,5 2 2,5 3 Продолжительность осахаривания, ч

3,5

После разж-я ПМ и осах-я ФМ

После разж-я ПМ и осах-я МГ

После разж-я ПМ

В исходной суспензии ржаная мука-вода

Рисунок 12. Накопление редуцирующих веществ в гидролизате ржи

Результаты гидролиза ржаного сырья как нетрадиционного источника СП показывают, что применение препарата ФМ в дозе 1 мг/г сырья при продолжительности стадии осахаривания 2,5 ч позволяет получить гидролизат с содержанием РВ на уровне 42%.

Исследовали динамику процесса осахаривания пшеничного зернопро-дукта (рис.13).Установлено, что оба препарата увеличивают содержание РВ в гидролизате: МГ - до 41%, применение ФМ - до 37% к массе сырья.

45 1 аэ 8 40 -1 35 а 30 ^ о4 аз к 25 -1 После разж-я ТМ и осах-я МГ После разж-я ТМ и осах-я ФМ После раэж-я ЕЗ тм В исходной ^ суспензии зер-нопродукг-вода

р""2""—ч Г —< к---1

Содержание Р1 сырь -1 | Э О] о сл о г-~ '

0 0,5 1 1,5 2 2,5 Продолжительность осахаривания, ч

Рисунок 13. Накопление редуцирующих веществ в гидролизате пшеничного зернопродукта

Отмечено, что содержание РВ в гидролизатах при использовании нового источника СП - пшеничного зернопродукта - находится на одном уровне с показателем для ржаной муки (42%). Показано также, что при использовании МГ и ФМ для осахаривания крахмала пшеничных отрубей достигается уровень РВ в гидролизатах - 38%.

Исследована зависимость содержания РВ в гидролизатах от продолжительности осахаривания для всех исследуемых видов сырья и ВСР с установленными ранее рациональными дозами ФП (рис.14).

Рисунок 14. Сравнительные данные выхода сахаристых продуктов из различных зерновых источников

Выявлено, что биокаталитическое превращение крахмала в моно- и ди-сахара наиболее эффективно проходит при продолжительности процесса 2-3 ч.

Лучшие результаты по выходу сахаристых продуктов отмечены по мере убывания с использованием муки: кукурузной - 58%, ячменной 48%, ржаной - 42% к массе сырья. Это объясняется химическим составом используемого сырья, его высокой степенью очистки от оболочек зерна. Из ВСР для получения СП лучшим является пшеничный зернопродукт - 41% к массе сырья.

Проведена математическая оптимизация режимов получения сахаристых продуктов. С помощью ортогонального центрального композиционного планирования построена математическая модель процесса осахаривания крахмала пшеничного зернопродукта препаратом МГ с получением СП с высоким содержанием мальтозы:

У = 2,69Х, + 2,37Х2 - 0,027Х3 + 0,01Х,Х2 + 0,05Х,Х3 - 0,45Х,2 - 0,01Х22 + 0,0023Х3 - 40,95; где Xi-доза препарата МГ в мг/г сырья; Х2 - температуры процесса в °С; Х3 - продолжительность стадии осахаривания в мин.

Представлена поверхность отклика при дозе препарата МГ 1 мг/г сырья (рис. 15).

Рисунок 15. Зависимость выхода сахаристых продуктов от температуры и продолжительности осахаривания пшеничного крахмала

Оптимизация режимов получения СП из пшеничного гидролизата позволила увеличить выход СП до 43% к массе сырья, т.е. до 98% от исходного содержания в сырье.

Анализ фракционного состава Сахаров в готовых сиропах убедительно показал, что установленные в работе режимы ферментативного гидролиза позволяют получить СП с высоким содержанием мальтозы (рис. 16).

А

В

Б

Рис.16. Фракционный состав сахаристых продуктов из: А - кукурузной муки, Б - ячменной муки, В - пшеничного зернопродукта. Фракции Сахаров, мг/г: Ф - фруктоза; Г - глюкоза; С - сахароза; М - мальтоза.

На основании экспериментальных данных установлено, что биокатализ позволяет получить ряд сахаристых продуктов, отличающихся составом и соотношением основных компонентов: глюкозы и мальтозы, и, следовательно, получить целевые продукты: из кукурузной муки - глюкозо-мальтозный сироп с преобладанием глюкозы (соотношение глюкоза:мальтоза как 4:1); из ячменной муки и пшеничного зернопродукта - мальтозный сироп с содержанием мальтозы 92% и 85% соответственно.

Разработаны режимы получения пищевых волокон как второго продукта переработки зернового сырья и ВСР. Данные о субстратном составе исследуемого сырья и ВСР позволили считать целесообразным получение ПВ, содержащих преимущественно целлюлозу и гемицеллюлозу (95%). Суммарное содержание этих полисахаридов максимально в пшеничных ВСР - отходах мукомольной промышленности: в отрубях - 62,5%, в зернопро-дукте - 42% от массы сырья. Среди остальных исследуемых источников наибольшее содержание этих компонентов ПВ в ячмене - 25% от массы сырья. Для дальнейших экспериментов были отобраны: пшеничные отруби, пшеничный зернопродукт и ячмень.

После ферментативного гидролиза крахмала сырья и ВСР и отделения гиролизата фильтрованием твердый остаток, содержащий преимущественно целлюлозу и гемицеллюлозу, высушивали при температуре 60°С и подвергали биокаталитической обработке с целью очистки от сопутствующих веществ (в основном, нативных белков, пептидов) с использованием протеоли-тических препаратов (НТ и БЗ) в рациональных дозах. Основным критерием эффективности протеолиза считали выход ПВ в % к исходному содержанию в сырье (рис. 17).

Кукуруза

—♦—Ячмень

-я— Пшеничный зернопродукт

Пшеничные отруби

Рисунок 17. Влияние продолжительности протеолиза на выход ПВ

Установлено, что очистка растительных ПВ от белковых компонентов наиболее интенсивно происходит после 2,5-3 часов протеолиза препаратами БЗ для ячменя и пшеничного зернопродукта и НТ для кукурузы.

Пшеничные отруби за счет своего состава являются перспективным источником: в случае получения СП для ферментативной обработки этого вида

20

1 2 3

Продолжительность, ч

сырья необходимо добавление препарата целлюлазы на стадии разжижения крахмала, при этом в результате гидролиза образуется дополнительная глюкоза.

На основании полученных экспериментальных данных об оптимальных режимах биокатализа разработана схема комплексного получения СП и ПВ (рис.18), как из природного сырья - ячменя, так и из ВСР - пшеничных зернопродукта и отрубей.

Рисунок 18. Схема биотехнологии комплексного получения сахаристых продуктов и пищевых волокон из зернового сырья и ВСР

На биокаталитический процесс утверждены ТУ 9295-055-02068640-08 «Волокна пищевые ячменные».

По разработанной технологической схеме получены опытные образцы СП и ПВ, которые испытаны в различных производствах.

В пятой главе работы «Изучение качественных свойств экспериментальных образцов углеводных компонентов пищи и возможности их применения» экспериментальные образцы получали упариванием очищенных гидролизатов с массовой долей СВ 4-5% до содержания СВ 33-70% в за-

висимости от требований пищевых производств. Режимы процесса упаривания соответствовали принятым стандартам: 100°С в течение 30-60 мин.

По физико-химическим и органолептическим сиропы из ячменя и кукурузы соответствовали ГОСТу 52060-2003. Учитывая это, мальтозные и глюкозно-мальтозные сиропы, полученные с использованием биокатализа, могут быть использованы в кондитерской промышленности, в частности, в производстве карамели.

Показана возможность применения сахаросодержащих гидролизатов в качестве компонентов питательных сред для культивирования микроорганизмов с целью получения биомассы мицелиальных грибов, в частности, Ьаепрогиз зифЬигеш, используюемого в качестве биологической добавки. Методика разработана в МГУПБ проф. Громовых Т.И.. Лучший результат по выходу биомассы получен при использовании гидролизата из пшеничного кормового зернопродукта.

Исследована возможность использования экспериментально полученных пищевых волокон в качестве добавки в пшеничный хлеб.

Проведены выпечки хлеба из пшеничной муки высшего сорта с добавлением пшеничных и ячменных ПВ в дозе 1-5% от массы муки. Готовые образцы проанализированы по общепринятым показателям качества (рис.19).

ПВ

пшеничные

3,2 3,4 3,6 Удельный объем, мл/г

ПВ пшэничные

6,5 7

Набухаемость, мл/г СВ

Контроль

ПВ ячменные

ПВ пшэничные

30 40 50

Упругость, ед. прибора

60

Рисунок 19. Показатели качества образцов пшеничного хлеба с ПВ

Установлено, что ПВ улучшают показатели качества хлеба: так, пшеничные волокна увеличивают удельный объем хлеба до 15%, ячменные - упругость на 47%> ячменные.

Изучена возможность длительного хранения хлеба в замороженном виде. В настоящее время производство хлеба с удлиненными сроками хранения приобретает все большее значение, и замораживание является одним из спо-

собов решения этой задачи. Свежие образцы хлеба с ПВ, а также контрольные хранились в замороженном виде при температуре -20°С и были разморожены по истечении срока хранения. Все образцы сразу после размораживания в естественных условиях и «освежения» в микроволновой печи были исследованы по тем же показателям, что и свежие изделия (табл.3).

Таблица 3.

Показатели образцов свежего хлеба с ПВ и после его хранения

п=3, у<8%

Образец Влажность, % Пористость, % Набухаемость, мл/гСВ Упругость, ед. прибора

Свежий хлеб

Контроль 43,2 80 7,2 40

Пшеничные ПВ 43,2 83 7,5 43,6

Ячменные ПВ 43 83 7,5 58,2

Хлеб после 7 суток хранения в замороженном виде

Контроль 43,4 79 10,2 50,2

Пшеничные ПВ 43,4 82 8 58,6

Ячменные ПВ 43 84 8,2 51

Хлеб после 14 суток хранения в замороженном виде

Контроль 42,6 79 8,7 51,8

Пшеничные ПВ 43,2 84 7,7 47,2

Ячменные ПВ 44,2 84 9,5 63

Показано, что после хранения в замороженном виде до 14 суток хлебобулочные изделия с добавлением экспериментальных ПВ в основном сохраняют свои показатели качества на уровне свежих образцов. Результаты исследований позволяют утверждать, что пищевые волокна в составе хлеба замедляют процесс черствения и препятствуют его микробиологической порче.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа субстратного состава зернового сырья и ВСР, а также скрининга 11 ферментных препаратов микробного происхождения по каталитической активности обоснован выбор ФП, необходимых для гидролиза углеводных и белковых компонентов в процессе получению сахаристых продуктов и пищевых волокон.

2. Установлены закономерности действия р- и глюкоамилаз, определены их кинетические параметры на мальтодекстринах и мальтозе. Наибольшее сродство к субстратам отмечено в случае использовния (3-амилазы Aspergillus oryzae - Km = 0,67 мг/мл и глюкоамилазы Aspergillus niger - Km = 0,17 мг/мл.

3. Определены оптимальные параметры t, рН для действия амилаз на стандартных субстратах: для а-амилазы ТМ t = 70°С; для (J-амилаз ФМ и МГ 55 и 60°С соответственно, глюкоамилазы ГЗ - 60°С.

4. Применение активаторов NaCl в концентрации 0,1% и СаС12- 0,005% позволяет снизить дозы используемого ФП на 10-15%.

5. Установлен эффект синергизма в действии генноинженерной (3-амилазы Bacillus stearothermophilus и глюкоамилазы Aspergillus niger в процессе осахаривания крахмала (Ксин =1,9).

6. Показана эффективность использования для промышленного получения СП ячменного сырья и пшеничных ВСР - зернопродукта и отрубей. Выявлены лучшие ФП: для разжижения ячменного крахмала - ПМ (доза 1,0 мг/г сырья), для осахаривания - ФМ или МГ (1,0). Для пшеничного зернопродукта соответственно по стадиям: ТМ (0,5) и МГ (1,0). Для получения СП из пшеничных отрубей: АМ (2,0) и ЦК (5,0) на стадии разжижения, ФМ (2,0) на стадии осахаривания.

7. Посредством математической оптимизация параметров осахаривания крахмальных суспензий пшеничного зернопродукта выход СП увеличен до 43%, т.е. 98% от исходного содержания в сырье.

8. Хроматографически подтверждена чистота полученных мальтозных сиропов. Установлен фракционный состав сахаристых продуктов из кукурузной, ржаной муки и пшеничных ВСР, что позволит получать сиропы с заданным соотношением Сахаров - мальтозы и глюкозы.

9. Экспериментально показана возможность и целесообразность получения второго продукта - препаратов ПВ из зернового крахмалсодержащего сырья и ВСР.

10. Разработана схема технологии комплексного получения СП и ПВ на основе биокатализа. Утверждены ТУ 9295-055-02068640-08 «Волокна пищевые ячменные».

И. Установлена целесообразность применения полученных методом биокатализа СП в кондитерском производстве и микробиологическом - в составе питательных сред для культивирования м/о. Показана эффективность использования ПВ в производстве пшеничного хлеба, в том числе для хранения в замороженном виде.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Макурина C.B. Влияние пектина и пищевых волокон на качество и сроки хранения хлебобулочных изделий [Текст] / C.B. Макурина, В.В. Комиссарова, И. А. Утропова // V Международная конференция студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения», М. :МГУПБ, 2006. - С. 10-11.

2. Румянцева Г.Н. Использование новых ферментных препаратов амило-литического действия в процессе разжижения крахмала [Текст] / Г.Н. Румянцева, В.В. Комиссарова // Международная научно-практическая конференция «Биотехнология. Вода и пищевые продукты», М.: 2008. - С.96.

3.Румянцева Г.Н. Биокатализ как способ совершенствования технологии сахаристых продуктов [Текст] / Г.Н. Румянцева, В.В. Комиссарова // IV Международный научно-практический симпозиум «Микробные биокатализаторы и их роль в нано- и биотехнологии», М.: 2008 - С. 198-200.

4. Комиссарова В.В. Выбор мальтообразующих ферментных препаратов для гидролиза нетрадиционных крахмалсодержащих источников [Текст] / В.В. Комиссарова // VII Международная конференция студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения», М.:МГУПБ, 2008. - С.10-12.

5. Румянцева Г.Н. Сравнительное исследование гидролиза традиционного и нетрадици-онного крахмалсодержащего сырья при получении сахаристых веществ [Текст] / Г.Н. Румянцева, В.В. Комиссарова // Хранение и переработка сельхозсырья, М : 2009. - № 2-С.44-46.

6. Комиссарова В.В. Новые виды пищевых волокон для использования в мясопродуктах [Текст] / Мясная индустрия, М.:2009. - №5. - С.54-55.

7. Румянцева Г.Н. Использование биокатализа при получении очищенных форм мальтозных и мальтозо-глюкозных сиропов [Текст] / Г.Н. Румянцева, В.В. Комиссарова // Международная научно-практическая конференция «Биотехнология: состояние и перспективы развития», М.:2009,-С. 87-88.

8. Комиссарова В.В. Совершенствование биокаталитической технологии обработки крахмалсодержащего сырья для получения сахаристых веществ [Текст] / В.В. Комиссарова, Д.М. Давыдова, A.B. Филоненко //1 Всероссийская студенческая научная конференция «Молодежная наука - пищевой промышленности России», Ставрополь:2009. - С. 14-15.

9. Румянцева Г.Н. Сравнительное влияние растительных пищевых волокон на качество вареных колбас [Текст] / Г.Н. Румянцева, A.A. Семенова, В.В. Комиссарова // Мясная индустрия, М.: 2009. -№11.- С.37-39.

Ю.Румянцева Г.Н. Биокатализ в технологии сахаристых сиропов с использованием новых видов сырья и ферментных препаратов [Текст] / Г.Н. Румянцева, В.В, Комиссарова // Хранение и переработка сельхозсырья, М.:2009.-№ 12. -С.38-40.

П.Румянцева Г.Н. Влияние активаторов амилаз микроорганизмов на процесс переработки крахмалсодержащих отходов [Текст] / Г.Н. Румянцева, В.В. Комиссарова // Международная научно-практическая конференция «Биотехнология: состояние и перспективы развития», М.: 2010. - С. 245-246.

12.КомиссароваВ.В. Использование активаторов и ингибиторов ß-амилаз в процессах получения мальтозных сиропов [Текст] / В.В. Комиссарова, Г.Н. Румянцева // Материалы 5-го Международного симпозиума «Перспективные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК», М.:ВНИИПБТ, 2010.-С. 129-132.

13.Дунченко Н.И. Изучение каталитических свойств и определение активности ферментных препаратов: учебно-методическое пособие для студентов специальности 240901 - Биотехнология [Текст] / Н.И. Дунченко, Г.Н. Румянцева, П.Н. Евтихов, C.B. Купцова, В.В. Комиссарова. - М.:МГУПБ, 2010. - 52 с. (в печати).

Н.Румянцева Г.Н. Способ получения мальтозного сиропа: заявка на патент № 2009136073/20 от 30.09.2009 / Г.Н. Румянцева, В.В. Комиссарова.

Выражаю благодарность научному руководителю, д.т.н. Г.Н. Румянцевой, зав. каф. «Химия пищи и пищевая биотехнология» проф. А.И. Жарино-ву, проф. Громовых Т.И., проф. A.B. Бородину за консультационную помощь. Благодарю к.т.н. Э.В. Удалову и Т.И. Гусеву за предоставление опытно-промышленных образцов ферментных препаратов. Выражаю благодарность зам. директора по научной работе ГосНИИ хлебопекарной промышленности проф. Р.Д. Поландовой за консультационную помощь и организацию испытаний ПВ в производстве хлеба.

Список сокращений, используемых в работе

AM - Амил АС - Амилосубтилин АР - Амилоризин БЗ - Бирзим ВСР - вторичные сырьевые ресурсы ГЗ - Глюкозим ГМ - Глюкомил

JIM - Ликвамил СП - сахаристые продукты МГ - Мальтогеназа ТМ - Термамил м/о - микроорганизмы ФМ - Фунгамил НТ - Нейтраза ФТС - функционального - нерастворимые технологические свойства пищевые волокна ЦК - Целлюкласт ПМ - Промальт Кга - константа Михаэлиса РВ - редуцирующие Vmax - максимальная

ККГ - критическая концен- вещества трация гелеобразования СВ - сухие вещества

скорость гидролиза

Издательство ООО «Франтера» ОГР№ 1067746281514 от 15.02.2006г. Москва, Талалихина, 33

Отпечатано в типографии ООО "Франтера" Подписано к печати 29.04.2010г. Формат 60x84/16. Бумага "Офсетная Xsl" 80г/м2. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 1,63. Тираж 100. Заказ 331.

www.frantera.ru

Введение.

Глава 1. Обзор научно-технической и патентной литературы.

1.1. Биокатализ как способ получения компонентов пищи.

1.1.1. Теоретические основы биокаталитических технологий.

1.1.2. Синергизм в действии ферментов.

1.1.3. Эффекторы ферментов.

1.1.4. Теоретическое обоснование направленного биокатализа.

1.2. Практические аспекты применения биокаталитических процессов в современной пищевой промышленности.

1.2.1. Амилолитические ферменты в пищевой промышленности: источники, характеристика и механизм действия.

1.3. Сахаристые ингредиенты пищи и их источники.

1.3.1. Натуральные сахаристые ингредиенты пищи: классификация, характеристика, способы получения.

1.4. Традиционная технология получения сахаристых продуктов.

1.4.1. Крахмал как важнейший субстрат для производства сахаристых продуктов.

1.4.2. Химический состав крахмал содержащего сырья.

1.4.3. Традиционная технология сахаристых продуктов.

1.5. Пищевые волокна: свойства, получение, применение.

1.5.1. Классификация и состав пищевых волокон.

1.5.2. Зерновые источники и способы получения пищевых волокон

1.5.3. Физиологические и функционально-технологические свойства растительных пищевых волокон.

1.5.4. Направления использования пищевых волокон в составе пищевых продуктов.

Совершенствование традиционных пищевых технологий, а также получение новых пищевых продуктов с модифицированными свойствами является актуальной задачей, которая может быть решена с помощью биокатализа.

Сохраняющаяся тенденция оздоровления рациона питания человека ставит перед биотехнологами проблему получения натуральных продуктов и ингредиентов пищи, способных заменить те из традиционных, польза и , безопасность которых для здоровья вызывают сомнения у специалистов.

Натуральные сахаристые продукты, в частности, мальтозные, мальтозно-глюкозные и глюкозные сиропы, могут заменить традиционную сахарозу и искусственные подсластители, которые нередко оказывают негативное влияние на организм человека. Все большее распространение получают и растительные пищевые волокна, польза употребления которых является неоспоримой. Эти компоненты пищи используются в продуктах лечебно-профилактического питания, диетического, в т.ч. диабетического.

Следует также отметить, что применение указанных углеводных « компонентов в составе кондитерских, хлебобулочных изделий, напитков благодаря ряду их положительных функционально-технологических свойств позволит корректировать качественные показатели продуктов.

Практически отсутствие отечественного производства мальтозных сиропов и пищевых волокон в очищенном виде, а также высокая цена на импортные аналоги существенно ограничивают применение этих пищевых углеводных компонентов в промышленности нашей страны. В связи с этим исследования по получению сахаристых продуктов и пищевых волокон являются своевременными и необходимыми.

Усовершенствование технологии получения сахаристых продуктов имеет два основных направления: первый — использование новых ферментных препаратов, полученных путем микробиологического синтеза, в т.ч. методом генной инженерии; второй — поиск новых нетрадиционных видов сырья, в т.ч. вторичных сырьевых ресурсов - отходов пищевых производств.

Работы И.А. Рогова, Э.С. Токаева, A.A. Кочетковой, Н.П. Шелухиной, Н.П. Нечаева и других ученых свидетельствуют о высокой функционально-технологической значимости углеводов из растительного сырья в производстве продуктов питания.

Существующие промышленные способы производства описанных углеводных ингредиентов пищи имеют ряд недостатков, связанных с использованием высоких температур и химических реагентов, загрязняющих конечный продукт и негативно влияющих на экологичность производства. Применение биокатализа позволяет решить эти проблемы, проводя при этом направленную модификацию компонентов сырья и увеличивая выход целевых продуктов.

Проблеме использования микробных ферментных препаратов в различных отраслях пищевой промышленности, и в частности, в производстве пищевых добавок углеводной природы, посвящены работы таких ученых, как: М.В. Гернет, Г.А. Ермолаева, С.Е. Траубенберг, J1.B. Антипова, Н.Д. Лукин, Т.А. Ладур, Н.Г. Гулюк, Н.Р. Андреев и др.

Современные технологии получения натуральных сахаристых продуктов используют традиционное сырье - кукурузу и картофель, которые непосредственно применяются в пищевых рационах. В свете естественной ограниченности этих ресурсов особую важность приобретает рациональное использование пищевого сырья, создание мало- и безотходных технологий, а также вовлечение в производство нетрадиционных видов, вторичных сырьевых ресурсов, с/х отходов. Применение вместо дорогостоящего крахмалсодержащего сырья менее дорогих нетрадиционных растительных источников и дешевых вторичных сырьевых ресурсов делает технологию более конкурентоспособной в условиях рынка.

Работа выполнена на кафедре «Химия пищи и пищевая биотехнология» МГУПБ.

В данной работе рассмотрена возможность получения из растительного нетрадиционного сырья и вторичных сырьевых ресурсов (ВСР) углеводных компонентов пищи - сахаристых продуктов (СП) и пищевых волокон (ПВ). Представленная технология получения основана на концепции и методологии направленного биокатализа, сформулированной в последнем десятилетии специалистами этой области - А.П. Синицыным, С.Д. Варфоломеевым, Г.Б. Бравовой, JI.B. Римаревой. В работе также использована параметрическая модель направленного биокатализа, разработанная в МГУПБ Н.И. Дунченко и Г.Н. Румянцевой.

выводы

1. В результате анализа субстратного состава зернового сырья и ВСР, а также скрининга 11 ферментных препаратов микробного происхождения по каталитической активности обоснован выбор ФП, необходимых для гидролиза углеводных и белковых компонентов в процессе получения сахаристых продуктов и пищевых волокон.

2. Установлены закономерности действия и глюкоамилаз, определены их кинетические параметры на мальтодекстринах и мальтозе. Наибольшее сродство отмечено в случае использования р-амилазы Aspergillus oryzae - Km = 0,67 мг/мл и глюкоамилазы Aspergillus niger - Km = 0,17 мг/мл.

3. Определены оптимальные параметры t, рН для действия амилаз на стандартных субстратах: для а-амилазы ТМ - 70°С; для (3-амилаз ФМ и МГ 55 и 60°С соответственно, глюкоамилазы ГЗ — 60°С.

4. Применение активаторов NaCl в концентрации 0,1% и СаСЬ— 0,005% позволяет снизить дозы используемого ферментного препарата на 10-15%.

5. Установлен эффект синергизма (Ксин =1,9) генноинженерной (3-амилазы Bacillus stearothermophilus и глюкоамилазы Aspergillus niger в процессе осахаривания крахмала и получения мальтозного сиропа из ячменного сырья.

6. Показана эффективность использования для получения СП ячменного сырья и пшеничных ВСР — зернопродукта и отрубей. Выявлены лучшие ФП: для разжижения ячменного крахмала - ПМ (доза 1,0 мг/г сырья), для осахаривания - ФМ или МГ (1,0). Для пшеничного зернопродукта соответственно по стадиям: ТМ (0,5) и МГ (1,0). Для получения сахаристых продуктов из пшеничных отрубей: AM (2,0) и ЦК (5,0) на стадии разжижения, ФМ (2,0) на стадии осахаривания.

7. Посредством математической оптимизация параметров осахаривания крахмальных суспензий пшеничного зернопродукта выход сахаристых продуктов увеличен до 98%.

8. Хроматографически подтверждена чистота полученного мальтозного сиропа из ячменя. Установлен фракционный состав сахаристых продуктов из кукурузной, ржаной муки и пшеничных ВСР, что позволит получать сиропы с заданным соотношением Сахаров - мальтозы и глюкозы.

9. Экспериментально показана возможность и целесообразность получения второго продукта — препаратов пищевых волокон из зернового крахмалсодержа-щего сырья и ВСР.

10. Разработана схема технологии комплексного получения сахаристых продуктов и пищевых волокон на основе биокатализа. Утверждены ТУ 9295055-02068640-08 «Волокна пищевые ячменные».

11. Установлена эффективность применения полученных углеводных компонентов: гидролизатов и сиропов в составе питательных сред для культивирования м/о.

12. Показана перспективность использования пищевых волокон в производстве пшеничного хлеба, в том числе для хранения в замороженном виде.