CC BY
44
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВА НАПИТКОВ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 663.443.1
Активация амилолитического ферментного препарата волновыми воздействиями
Д. В. Карпенко,
д-р техн. наук, доцент;
В. С. Кравченко,
студент; К. В. Шалагинов,
студент
Московский государственный университет пищевых производств
Применение ферментных препаратов, прежде всего микробного происхождения, — в настоящее время широко распространенный прием в технологиях различных, в том числе пищевых производств. Не исключение и пивоварение, ключевые стадии которого могут быть интенсифицированы за счет применения таких биокатализаторов. Спектр ферментных препаратов, предлагаемых производителями пивоварам широк, большинство из них обладает высокими активностями целевых ферментов. Дополнительная активация последних может быть целесообразна как технологически, так и экономически. Кроме того, уменьшение дозировки ферментного препарата, вводимого в технологический процесс, позволяет уменьшить концентрацию его компонентов в готовом пиве, что повысит безопасность напитка.
Активация целевых, а, возможно, и побочных ферментов, содержащихся в ферментном препарате, может быть реализована различными способами. Физические, в частности волновые воздействия, — один из интересных и перспективных способов. В литературных источниках существуют данные, свидетельствующие о возможности улучшения качественных показателей сырья, полупродуктов и вспомогательных материалов различных производств в результате обработки звуком [1] или светом [2, 3], в частности слышимого или видимого диапазона [4], соответственно. В пользу высказанной точки зрения свидетельствуют и результаты исследований, проводившихся в последние
годы в МГУПП. Так, была установлена возможность улучшения технологических характеристик светлого ячменного солода, пивных дрожжей, повышение экстрактивности хмеля за счет акустической обработки [5-8], а также интенсификации развития дрожжевых популяций в результате воздействия света видимого диапазона [9]. Ряд работ был посвящен и изучению результатов волновых воздействий на ферментные препараты микробного происхождения [10, 11]. Выявлено, что обработка ферментного препарата «Амилоризин П10х» звуком слышимого диапазона (диапазон частот 20-20 000 Гц) приводит как к снижению, так и к повышению активности целевых ферментов этого препарата (рис. 1). Уточнение условий акустической обработки позволило подобрать частоту звука, равную 19 200 Гц, воздействие которой в течение 60 мин позволило увеличить содержание крахмала, гидролизован-ного под действием амилаз опытного образца ферментного препарата, на 60 % по сравнению с контрольным, необработанным вариантом.
Целью нашей работы было сопоставление результатов обработки ферментного препарата амилолити-ческого типа действия звуком слышимого диапазона и светом видимой области спектра. В качестве объекта обработки выбрали микробный ферментный препарат «АПСубтилин П», который находит свое применение в пивоваренном производстве, в том числе на такой важной стадии технологического процесса, как приготовление затора, позволяя повысить выход экстрактивных и сбраживае-
^СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВА НАПИТКОВ
5000 10000 15000 20 000 Частота звука, Гц ^ Контроль -И- Опыт
5000 10 000 15 000 20 000 Частота звука, Гц ^ Контроль -И- Опыт
600 -г
500 -
9
° 400
* 300 < 200
100 -
1»
.X...
500 1000
Длина волны,нм Контроль -И- Опыт
£ Ш
2
0
1
<
2 ш I-
0
0
0
0
Рис. 1. Влияние частоты звука, использованного для акустической обработки, на активность ферментного препарата «Амилоризин П10х» (количество гидролизованного крахмала)
Рис. 2. Влияние частоты звука, использованного для акустической обработки, на активность ферментного препарата «АПСубтилин П» (количество гидролизованного крахмала)
Рис. 3. Влияние длины волны света, использованного для обработки, на активность ферментного препарата «АПСубтилин П» (количество гидролизованного крахмала)
мых соединений. С нашей точки зрения, возможная активация такого ферментного препарата может быть целесообразна в производственном масштабе, при условии, что она будет существенной.
Для решения поставленной задачи акустическую обработку проводили в следующих условиях. Опытные образцы порошкообразного ферментного препарата обрабатывали звуком определенной частоты в диапазоне 10-20 000 Гц с шагом около 2000 Гц. Используемая компьютерная программа позволяла генерировать звук с дискретными частотами, из которых выбирали наиболее близкие к 20, 2000 Гц и далее. Обработку проводили в течение 60 мин при комнатной температуре с помощью динамика для персонального компьютера мощностью 2 Вт. Расстояние от динамика до навески ферментного препарата составляло 1,6 см. Контрольный вариант представлял собой такую же навеску ферментного препарата, которую выдерживали в другом помещении, гарантируя, что она не подвергалась воздействию звука, при тех же условиях — 60 мин при комнатной температуре. После этого в контрольном и опытном образцах ферментного препарата определяли амилолитическую способность (АС) колориметрическим методом. В соответствии с применяемым методом определения ферментативной активности значения оптической плотности опытного и контрольного вариантов применяли для расчета количества крахмала, гидролизованного под действием ферментного препарата. Именно это количество и использовали для оцен-
ки влияния акустической обработки препарата «АПСубтилин П» на его амилолитическую активность. Содержание крахмала, гидролизованного под действием целевых ферментов опытного образца ферментного препарата выражали в процентах к количеству гидролизованного крахмала в контрольном варианте, которое принимали за 100 %. Результаты всей серии экспериментов представлены на рис. 2.
При обработке светом видимой области спектра опытные образцы ферментного препарата «АПСубти-лин П» помещали в кюветоприемное отделение фотоэлектроколориметра ФЭК-56М и с помощью специального отражателя направляли пучок монохроматического света определенной длины волны на навеску обрабатываемого препарата. Продолжительность обработки составляла 60 мин, температура — комнатная. Контрольные образцы выдерживали в течение того же времени без защиты от солнечного/ электрического света. После этого определяли АС так же, как в опытных и контрольных образцах после проведения акустической обработки. Результаты данной серии экспериментов приведены на рис. 3.
Сопоставляя результаты акустической обработки двух разных ферментных препаратов амилолитиче-ского типа действия можно заключить, что звук слышимого диапазона по-разному воздействовал на АС: для препарата «АПСубтилин П» было достигнуто увеличение активности целевых ферментов более чем в 3,2 раза по сравнению с контрольным вариантом (при частоте 2000 Гц), тогда как
для препарата «Амилоризин П10х» такое увеличение составило лишь 60% при частоте, равной 20 000 Гц, то есть в области, пограничной с ультразвуковыми колебаниями. При этом наибольший ингибирующий эффект акустической обработки препарата «Амилоризин П10х», наблюдавшийся при воздействии звуком с частотой 8000 Гц, составил около 20% по сравнению с контролем, в то время как применение «неблагоприятных» частот (12 000 и 14 000 Гц) при обработке препарата «АПСубтилин П» привело к снижению АС на 50% и более. Таким образом, можно предположить, что амилазы препарата «АПСубтилин П» более чувствительны к воздействию звука, чем аналогичные ферменты грибного происхождения. В целом, приведенные данные позволяют предположить, что влияние акустической обработки существенно зависит не только от частоты используемого звука, но и от природы обрабатываемого объекта, в обсуждаемой ситуации — от природы и строения белков, обладающих биокаталитической способностью. Это, вероятно, означает невозможность выработки обобщенных рекомендаций по проведению акустической обработки, а параметры ее проведения, обеспечивающие наиболее значимый желаемый эффект, должны определяться применительно к каждому индивидуальному объекту, например, ферментному препарату.
Достаточно важные выводы, по нашему мнению, можно сделать и при сопоставлении результатов обработки двумя разными типами волновых воздействий — светом и звуком. И в
5•2017 ПИВО и НАПИТКИ 17
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для ПРОИЗВОДСТВА НАПИТКОВ8
том, и в другом случае наблюдали как активирующее, так и ингибирующее влияние волнового воздействия на АС ферментного препарата «АПСубтилин П» в зависимости от частоты звука или длины волны света, а также наблюдали «пики активации», в пределах которых обработка обеспечивала существенный прирост контролируемого показателя — амилолитической активности — по сравнению с контрольными образцами. В то же время, степень как активирующего, так и ингибирующего эффекта двух типов обработки заметно отличалась: обработка звуком при 2000 Гц обеспечила более чем 3-кратный прирост содержания крахмала, гидролизованного в ходе ферментативной реакции, а при 1200-14 000 Гц — его снижение примерно на 50%, тогда как при воздействии света с длиной волны 364 нм наблюдали почти 6-кратное увеличение АС, а с длиной волны 750 и 870 нм — 70%-ное снижение этого показателя. Это позволяет предположить большую «чувствительность» целевых ферментов препарата «АПСубтилин П» к воздействию света с длинами волн видимого спектра. Ве-
роятно, именно такой тип волнового воздействия в большей степени изменяет, в лучшую или худшую сторону, пространственную структуру белковых молекул биокатализаторов.
На основании приведенных выше данных сделан ряд выводов:
• несмотря на большие трудности при масштабировании устройства для активации светом именно такой тип обработки более перспективный, по крайней мере, для обработки ферментного препарата «АПСубтилин П» по сравнению с акустической обработкой, хотя и этот тип волнового воздействия способен значительно повысить активность амилолитических ферментов вышеупомянутого препарата;
• изучение результатов обработки ферментных препаратов волновыми воздействиями следует продолжить, проводя его в нескольких направлениях: расширяя спектр ферментных препаратов различного типа действия и происхождения, подвергаемых обработке такого типа, а также уточняя параметры проведения этой обработки (дли-
на волны, частота, продолжительность, расстояние от источника до обрабатываемого объекта и ряд других), апробация обработки в условиях, признанных наилучшими, и приближенных к производственным, например, при приготовлении затора при высокой дозе несоложеного зернового сырья или проводимого в более мягких условиях; • целесообразно рассмотреть результаты поочередного воздействия световых и звуковых воздействий на один и тот же объект — возможно, такой подход обеспечит синер-гетический эффект двух типов обработки.
Исследования в данном направлении будут продолжены.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данько, С. Ф. Звуковая обработка ячменя на разных стадиях солодоращения / С. Ф. Данько, Т. Н. Данильчук, Д. Н. Юрьев, В. В. Егоров// Пиво и напитки. — 2000. — № 5. — С. 50-51.
2. Jayakumar, M. K. Remote activation of biomolecules in deep tissues using near-infrared-to-UV up conversion nanotransdu-
Современные технологии д.
для ПРОИЗВОДСТВА НАПИТКОВ
cers / M. K. Jayakumar, N. M. Idris, Y. Zhang // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2012. -Vol. 109. - P. 8483-8488.
3. Ryu, M. H. Engineering adenylatecyclases regulated by near-infrared window light / M. H. Ryu // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2014. - Vol. 111. - P. 10167-10172.
4. Gasser, C. Engineering of a red-light-activated human cAMP/cGMP-specific phosphodiesterase / C. Gasser // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2014. - Vol. 111. - P. 8803-
5. Карпенко, Д.В. Изучение влияния акустических колебаний на качество пивоваренного ячменного солода / Д. В. Карпенко, М. А. Беркетова // Пиво и напитки. — 2012. — № 5. — С. 14-16.
6. Карпенко, Д.В. Оптимизация параметров акустической обработки пивоваренно-
го ячменного солода / Д. В. Карпенко, М. А. Беркетова // Пиво и напитки. — 2012. — № 4. — С. 8-10.
7. Грачев, Н.А. Использование звука слышимого диапазона для улучшения качества сырья и полупродуктов пивоваренного производства / Н. А. Грачев, Е. Ф. Мельник, Е. А. Лившиц, Д. В. Карпенко // Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки»: Сб. матер. — М.: ИК МГУПП, 2014. — Ч. IV. — С. 89-94.
8. Карпенко, Д. В. Повышение экстрактив-ности хмеля с помощью акустической обработки / Д. В. Карпенко, И. Э. Позднякова // Пиво и напитки. — 2016. — № 6. — С. 46-49.
9. Супрунюк, А. Ю. Влияние обработки монохроматическим светом на характери-
стики пивных дрожжей / Д. В. Карпенко, А. Ю. Супрунюк // Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки»: Сб. матер. — М.: МГУПП, 2016. — Ч. II. — 181 с.
10.Буртасова, И.В. Влияние обработки монохроматическим светом на активность амилаз ферментного препарата Амило-ризин П10х / И. В. Буртасова, И. С. Шевченко, Д. В. Карпенко // Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки»: Сб. матер. — М.: МГУПП, 2016. — Ч. II. — 181 с.
11. Карпенко, Д. В. Способ активации амило-литического ферментного препарата / Д. В. Карпенко, Т.А. Тихонова, К. К. Ходарев, Ю. Б Овчинников, В. В. Безгубов // Пиво и напитки. — 2015. — № 4. — С. 42-44. <®
2 ш
I
0
1
<
I ш Ь
Активация амилолитического ферментного препарата волновыми воздействиями
Ключевые слова
активация амилаз; амилолитическая активность;
волновые воздействия; обработка звуком слышимого диапазона;
обработка светом видимого спектра; ферменты.
Реферат
Повышение активности целевых ферментов, содержащихся в ферментных препаратах - важная задача в пивоварении, так как ее решение обеспечивает достижение технологических и экономических преимуществ, повышение безопасности готовой продукции. Активация ферментов может быть проведена различными способами, среди них достаточно перспективны волновые воздействия. В данной работе изучали целесообразность и эффективность осуществления и проводили сопоставление результатов обработки ферментного препарата микробного происхождения «АПСубтилин П» звуком определенной частоты в диапазоне 20-20 000 Гц и светом с определенной длиной волны в диапазоне 315-970 нм. Эффективность таких способов обработки опытных образцов ферментного препарата оценивали по количеству гидроли-зованного крахмала, сравнивая с таковым в контрольных образцах, не подвергавшихся волновым воздействиям. Было установлено, что оба вида волновых воздействий могут разнонаправленно влиять на активность амилаз микробного происхождения, повышая или понижая ее в зависимости от частоты звука или длины волны света, применяемого для обработки. Определены параметры обработки, обеспечивающие существенное увеличение амилолитической активности. Так, воздействие звуком с частотой 2000 Гц обеспечило в условиях экспериментов возрастание содержания гидролизованного крахмала в 3,2 раза по сравнению с контролем, а светом с длиной волны 364 нм - более, чем в 5,5 раз. Таким образом, полученные экспериментальные данные и результаты предыдущих исследований, приведенные в статье, позволяют заключить, что волновые воздействия могут быть использованы для активации ферментов, по крайней мере, амилолитического типа действия.
Авторы
Карпенко Дмитрий Валерьевич, д-р техн. наук, доцент; Кравченко Вячеслав Сергеевич, студент; Шалагинов Кирилл Васильевич, студент
Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское ш., д. 11,
[email protected], [email protected], [email protected]
Activation of Amylolytic Enzyme Preparation by Wave Influences
Key words
activation of amylases; amylolytic activity; wave effects;
treatment with sound of the audible range; treatment with visible light;
enzymes.
Abstract
Increasing the activity of target enzymes of enzyme preparations is an important task in brewing, as its solution ensures the achievement of technological and economic advantages, increasing the safety of finished products. Activation of enzymes can be carried out in various ways, among them wave effects are quite promising. In this paper, the evaluation of practicability and effectiveness of carrying out and comparing of the treating results of the enzyme preparation of microbial origin «APSubtilin P» with a sound of a certain frequency from a range of 20 to 20,000 Hz and light with a certain wavelength from the range of 315 to 970 nm were realized. The effectiveness of these methods of treatment of the enzyme preparation experimental samples was evaluated by the amount of hydrolyzed starch, comparing with that in control samples that were not subjected to wave influences. It was found that both types of wave influences can affect on the activity of amylases of microbial origin in different directions, increasing or decreasing it depending on the frequency of sound or the wavelength of light used for treatment. The treatment parameters were determined, which provided a significant increase of the amylolytic activity. Thus, exposure to sound with a frequency of 2,000 Hz provided under the experimental conditions the increase in the amount of hydrolyzed starch by 3.2 times in comparison with the control, and by light with a wavelength of 364 nm - by more than 5.5 times. Thereby, the experimental data obtained and the results of previous studies, given in the article, allow us to conclude that wave treatment can be used to activate enzymes, at least amylolytic type of action.
Authors
Karpenko Dmitrij Valerievich,
Doctor of Technical Science, Associated Professor;
Kravchenko VjacheslavSergeevich, Student;
ShalaginovKirill Vasilievich, Student
Moscow State University of Food Productions,
11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russia,
[email protected], [email protected], [email protected]
5•2017 ПИВО и НАПИТКИ 19
