Научная статья на тему 'Синтез галактоолигосахаридов из лактозы молочного сырья'

Синтез галактоолигосахаридов из лактозы молочного сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
476
82
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Синтез галактоолигосахаридов из лактозы молочного сырья»

637.127

СИНТЕЗ ГАЛАКТООЛИГОСАХАРИДОВ ИЗ ЛАКТОЗЫ МОЛО ЧНОГО СЫРЬЯ

А.Г. ХРАМЦОВ, А.Д. ЛОДЫГИН, А.Б. РОДНАЯ

Северо-Кавказский государственный технический университет

Проблема синтеза олигосахаридов из сырья животного и растительного происхождения приобрела в последнее время особую актуальность. Среди олигосахаридов, синтез которых возможен из лактозы молочного сырья, заметное место отводится, наряду с лактуло-зой и лактосахарозой, галактоолигосахаридам.

Галактоолигосахариды (ГОС) - класс неперевари-ваемых олигосахаридов, производных лактозы, имеющих общую структурную формулу

а-^-глю-(1-4)-[Р-0-гал-(1-6)-]и, где п = 2 ... 5 [1].

Галактоолигосахариды состоят из 2-5 остатков галактозы, соединенных Р-(1-6)-связями, и конечного остатка глюкозы, связанного а-(1-4)-связью. Общая структурная формула ГОС приведена на рис. 1 (п = 0.3).

СН2ОН

СН2ОН

Одним из наиболее перспективных направлений синтеза ГОС является биокатализ на кластерном уровне нанотехнологий с использованием ферментов, в частности Р-галактозидазы. Впервые трансферазная активность Р-галактозидазы была описана

K. Wallenfels [4], который идентифицировал три оли-госахаридных продукта. С тех пор исследователи обнаружили и другие виды олигосахаридов в различных реакционных смесях Р-галактозидазы и лактозы; используя Р-галактозидазу Aspergillus oryzae, идентифицировали 20 индивидуальных олигосахаридов [4].

Закономерности синтеза ГОС изучали с использованием препарата Ha -Lactase (производства Chr. Hansen). Были исследованы закономерности взаимодействия растворов лактозы в кислой фракции элек-троактивированной воды и фермента. Изучено влияние на скорость гидролиза и трансгликозилирования температуры - 40, 45, 50° С - и рН среды - 6,5; 7,0; 7,5. Концентрация раствора лактозы во всех опытах составила (20 ± 2)%, доза внесения фермента 0,2 мл на 100 мл раствора. Результаты опытов по изменению температуры замерзания ДTз раствора лактозы после внесения препарата Ha-Lactase представлены в табл. 1.

Таблица 1

Рис. 1

Наиболее известные направления использования ГОС [2, 3]: в производстве лекарственных средств; в качестве подсластителей и сахарозаменителей для фруктовых и безалкогольных напитков, диетических и лечебных продуктов питания, компонентов смесей детского питания (заменителей женского молока); в различных молочных продуктах (молоко, йогурт, йогуртовые напитки); в лечебном питании через катетер, в питательных напитках и добавках; в технологии хлеба и хлебобулочных изделий и ряда других пищевых продуктов; в виде таблетированного сахара.

Существует три основных способа промышленного получения препаратов ГОС:

химический синтез, основанный на использовании в качестве катализаторов реакции трансгликозилиро-вания минеральных кислот;

микробиологическая трансформация с использованием культур клеток микроорганизмов, обладающих высокой трансгликозилирующей активностью;

ферментативное трансгликозилирование, ферментом Р-галактозидазой (ЕС 3.2.1.23).

рН Время, DT, ° С, при температуре, °С

мин 40 45 50

6,5 0 —2,33/—1,951 —2,12/—2,13 -1,621/—1,798

60 —2,44/—1,906 —2,14/—2,14 —1,593/^1,817

120 -2,39/-2,04 —2,17/—2,22 -1,593/—1,829

180 -2,34/-2,05 -2,14/-2,24 -1,637/-1,832

240 -2,32/-2,00 -2,26/-2,21 -1,6 53/—1,725

300 -2,21/-1,996 —2,13/—2,13 -1,625/—1,804

7,0 0 -1,449/-1,914 —1,516/—1,788 -1,764/-1,548

60 -1,503/-1,830 -1,562/-1,798 —1,721/—1,5 59

120 -1,525/-1,814 -1,492/-1,873 —1,7 58/—1,545

180 -1,512/-1,780 -1,574/-1,834 -1,782/-1,602

240 -1,501/-1,890 —1,523/—1,834 —1,761/—1,533

300 -1,499/-1,854 —1,507/—1,843 -1,748/-1,576

7,5 0 -1,961/-1,674 —1,755/—1,975 -1,490/-1,902

60 -2,04/-1,760 —1,861/—1,935 -1,543/-1,824

120 -2,02/-1,684 —1,821/—1,866 —1,4 80/—1,889

180 -2,08/-1,715 -1,764/-1,893 -1,498/-1,946

240 -1,984/-1,641 -1,838/—1,896 —1,5 56/—1,814

300 —1,994/—1,701 -1,752/-1,842 —1,5 29/—1,9 05

ния препарата Ha-Lactase.

Для сравнения полученных результатов, рассчитывали число относительных повышений температуры замерзания и максимальные абсолютные значения ее повышения ДTз тах. По данным расчета построена диаграмма влияния рН раствора лактозы и температуры на синтез ГОС при использовании препарата Ha-Lactase (рис. 2).

Из диаграммы следует, что увеличение температуры приводит к незначительному снижению выхода ГОС. Наиболее оптимальным для реакции трансгалак-тозилирования является рН 6,5, а наименее - 7,0.

Рассмотрим кинетику процесса. Для этого выберем данные, полученные при рН 7,0, 40°С и при рН 7,5, 45°С. Вычислим моляльную концентрацию раствора в разные моменты времени, выразив ее из формулы

ДТз = Km,

где К - криоскопическая постоянная растворителя, для воды К = 1,86°С; m - моляльная концентрация раствора, моль/кг.

Для расчета m, моль /кг, используем данные табл. 1:

ml = 1,914/1,86 = 1,029; m 1 = 1,975/1,86 = 1,062; m2 = 1,83/1,86 = 0,984; m2 = 1,935/1,86 = 1,040;

m3 = 1,814/1,86 = 0,975; m 3 = 1,866/1,86 = 1,003; m4 = 1,78/1,86 = 0,957; m4 = 1,893/1,86 = 1,018; m5 = 1,89/1,86 = 1,016; m5 = 1,896/1,86 = 1,019;

m6 = 1,854/1,86 = 0,997; m6 = 1,842/1,86 = 0,990.

По данным расчета построен график (рис. 3: кривая 1 - pH 7,0, 40°С; кривая 2 - pH 7,5, 45° С), свидетельствующий, что моляльная концентрация раствора лактозы в первые часы начинает падать (т. е. наблюдается снижение числа молекул-кластеров), причем минимум приходится на 2-3 ч. Затем происходят процессы, приводящие к увеличению числа молекул в растворе (гидролиз лактозы и образовавшихся олигосахаридов, так же в виде кластеров), однако через 5-6 ч вновь наблюдается уменьшение моляльной концентрации.

С целью оптимизации параметров синтеза ГОС было изучено влияние на процесс двух факторов - температуры и рН. При этом на постоянном уровне фиксировалось значение концентрации лактозы в растворе (20 ± 2)%. Результаты опытов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Номер опыта Температура, °С рН ДТ ‘-*1 з тах

1 40 6,5 0,1060

2 40 7,5 0,0385

3 50 6,5 0,0615

4 50 7,5 0,0670

5 45 6,3 0,0390

6 45 7,7 0,1110

7 38 7,0 0

8 52 7,0 0,0675

9 45 7,0 0,04

10 45 7,0 0,03

11 45 7,0 0,024

В результате математической обработки данных эксперимента, проведенной в программе 81аЙ8Иса 6.0 с использованием кодированных значений, было получено следующее уравнение регрессии:

г = 0,0334 + 0,0099x + 0,0049у + 0,0036x2 +

+ 0,0183ху + 0,0247у2,

где г - максимальные абсолютные значения повышения температуры замерзания; х - температура, °С;у - рН.

Анализ уравнения показывает, что при оптимизации процесса оба исследованных фактора должны увеличиваться, причем более значимым является фактор температуры. Квадратичные эффекты свидетельствуют о наличии областей минимума для факторов температуры и рН.

При обработке данных с использованием реальных значений уравнение регрессии приняло вид

г = 7,3044 - 0,0622х - 1,7003у + 0,0001х2 +

+ 0,0073ху + 0,0987у2.

Закономерности процесса синтеза хорошо просле -живаются при объемном представлении поверхности отклика, а области оптимума удобно определять по изолиниям ее сечения (рис. 4).

Таким образом, по результатам двухфакторного эксперимента можно сделать следующий вывод: процесс синтеза ГОС имеет два оптимума, один наблюдается при температуре (39 ± 1)°С и рН 6,3 ± 0,1, второй -при температуре (52 ± 2)°С и рН 7,7 ± 0,1.

Т

0,14

0,12

0,1

0,08-

0,06-

0,04-

0,02

40 45

Температура, °С

□ pH 6,5 □ pH 7,0 В pH 7,5

Время, мин

50

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

В дальнейшем для разработки нанобиотехнологии концентратов ГОС в жидком и сухом видах из раствора кластеров лактозы целесообразно выбрать условия первого оптимума, так как с экономической точки зрения (расход тепла) выгоднее поддерживать в биореакторе более низкие температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Playne M.J., Crittenden R. Commercially available oligosaccharides // Bulletin of IDFN° 313 (1996), 10-22.

2. Шахнович Л.Л. Vivinal® GOS - пребиотические волокна для обогащения продуктов питания // Пищевая пром-сть. - 2006. -№ 9. - С. 60-61.

3. Parrish F.W., Hicks K. Analysis of Lactulose Preparations by Spectrophotometric and High Performance Liquid Chromatographic Methods // J. of Dairy Science 67 (1980), 1809-1814.

4 Smart J.B. Transferase reactions of ß-galactosidases - new product opportunities // Bulletin of the IDF 289. Brussels: International Dairy Federation, 1993.

Кафедра прикладной биотехнологии

Поступила 02.04.08 г.

664.8:577.152

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ КОЛЛАГЕНОВОГО СЫРЬЯ ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Г.И. КАСЬЯНОВ, Н.Ю. ГЕРАСИМОВА, В.А. БИРБАСОВ,

Ч.Ю. ШАМХАНОВ

Кубанский государственный технологический университет Грозненский государственный нефтяной институт им. акад. МД. Миллионщикова

Производство белковых добавок высокой биологической ценности из коллагенового сырья тесно связано с разработкой функциональных продуктов питания и профилактическими мероприятиями в области здравоохранения

Наличие в коллагеновом сырье биологически активных компонентов имеет важное значение для решения задач, предусмотренных Концепцией государственной политики в области здорового питания населения РФ [1].

Достоверная информация о структуре компонентов коллагеновых гидролизатов и связанных с ними функциональных свойств в пищевых системах, выработка требований к ним как пищевым объектам, объективная оценка безвредности, пищевой и биологической ценности коллагеновых гидролизатов могут во многом разрушить стереотипы использования коллагенов, ориентированные на технические и кормовые цели.

Опыт применения коллагеновых продуктов в составе паштетов, паст, соусов, приправ и эмульсий, осо-

бенно в продуктах профилактического и специального назначения, уже имеется в России и за рубежом.

На кафедре технологии мясных и рыбных продуктов КубГТУ выполняются исследования по использованию нанобиотехнологических приемов обработки коллагенсодержащего мясного и рыбного сырья.

Трансформация структуры соединительной ткани в легкоусвояемую организмом человека форму включает физическую и ферментативную обработку, вызывающую распад гидролитических коллагенов. Наиболее перспективны способы деструкции коллагенов с помощью специфических ферментов, так как возникает возможность получения обессоленных гидролизатов; мягкие условия обработки максимально сохраняют полный набор аминокислот и питательную ценность получаемых продуктов, значительно повышается их растворимость и усвояемость; можно регулировать накопление продуктов деградации белка по молекулярной массе и функциональности.

В работах [1, 2] изложены современные представления о структуре соединительной ткани, аминокислотной последовательности участков полипептидной цепи; приведены сведения о физико-химических, функционально-технологических и биологических свойствах коллагена и обоснована перспектива их при-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.