ГИДРОЛИЗ ИНУЛИНА ФЕРМЕНТНЫМ ПРЕПАРАТОМ ЭНДОИНУЛИНАЗЫ МАРКИ "НОВОЗИМ 960" ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОЛИГОФРУКТОЗЫ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

doi: 10.24411/0235-2451-2020-10617 УДК 547.458.412.65:663.9413

Гидролиз инулина ферментным препаратом эндоинулиназы марки «Новозим 960» для производства олигофруктозы

Н. Д. ЛУКИН, Т. С. ПУЧКОВА, Д. М. ПИХАЛО, О. М. КАРАСЕВА

Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация

Резюме. Исследования проводили с целью изучения влияния ферментного препарата эндоинулиназы марки «Новозим 960» на эффективность гидролиза раствора инулина для определения оптимальных параметров процесса. Использовали инулин марки «Рафтилин» (Бельгия). Гидролиз осуществляли при t=55...58 оС; рН=4,7...5,2 ед.; содержание сухих веществ 19,6 %; продолжительность процесса составляла 24, 48, 72 ч; дозировки препарата - 0,3; 0,4; 0,5; 1,2; 5,0 ед. INU/г СВ раствора инулина. Контролем служил образец олигофруктозы марки «Рафтилоза» (Бельгия), следующего углеводного состава: массовая доля фруктоолигосахаридов (ФОС) - 70,12 %; олигофруктозидов - 24,79 %; дисахаридов - 2,11 %; фруктозы - 2,98 %. Углеводный состав олигофруктозы после гидролиза инулина определяли на жидкостном хроматографе с рефрактометрическим датчиком фирмы Gilson. Для получения олигофруктозы с оптимальным соотношением углеводов необходима дозировка препарата 0,3.0,4 ед. INU/г СВ раствора, продолжительность гидролиза 22.24 ч. Массовая доля ФОС в образце олигофруктозы, выработанном в этом варианте составила 73,04 %; олигофруктозидов - 22,79 %; дисахаридов - 1,74 %; фруктозы - 2,43 %, сумма ФОС и олигофруктозидов - 95,83 %; ди- и моносахаридов - 4,17 %. Углеводный состав произведенного образца соответствовал по качеству олигофруктозе марки «Рафтилоза». Увеличение дозировки препарата инулиназы до 1, 2 и 5 ед. INU/г СВ раствора инулина приводит к повышению суммы ди- и моносахаридов до 17,22.18,57 %, что более чем в 3 раза превышает величину этого показателя в контрольном образце.

Ключевые слова: инулин, олигофруктоза, сироп, гидролиз, инулиназа, фруктоолигосахариды (ФОС), углеводный состав. Сведения об авторах: Н. Д. Лукин, доктор технических наук, директор (e-mail: vniik@arrisp.ru); Т. С. Пучкова, кандидат технических наук, зав. лабораторией; Д. М. Пихало, старший научный сотрудник; О. М. Карасева, младший научный сотрудник. Для цитирования: Гидролиз инулина ферментным препаратом эндоинулиназы марки «Новозим 960» для производства олигофруктозы / Н. Д. Лукин, Т. С. Пучкова, Д. М. Пихало и др. // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 6. С. 89-91. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10617.

Hydrolysis of inulin by the enzyme endoinulinase preparation of Novozim 960 for the production of oligofructose

N. D. Lukin, T. S. Puchkova, D. M. Pikhalo, O. M. Karaseva

All-Russian Research Institute of Starch Products, branch of the Gorbatov Federal Science Center of Food Systems, Russian Academy of Sciences, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation

Abstract. The purpose of the research was to study the effect of the enzyme endoinulinase preparation of Novozyme 960 on the efficiency of hydrolysis of an inulin solution to determine the optimal process parameters. Hydrolysis was conducted at the temperature of 55-58 C and pH of 4.7-5.2 units; solids content was 19.6%; the duration of the process was 24, 48, and 72 hours; dosages of the preparation were 0.3 INU/g, 0.4 INU/g, 0.5 INU/g, 1.2 INU/g, and 5.0 INU/g of the dry matter of the inulin solution. As a control, we used a sample of oligofructose of the Raftilose brand of the following carbohydrate composition: mass fraction of fructooligosaccharides (FOS) was 70.12%; mass fraction of oligofructosides was 24.79%; mass fraction of disaccharides was 2.11%; mass fraction of fructose was 2.98%. The carbohydrate composition of oligofructose after inulin hydrolysis was determined on a liquid chromatograph with a Gilson refractometric sensor. An optimal ratio of carbohydrates in oligofructose was achieved at the dosage of 0.3-0.4 INU/g of the dry matter of the solution and at the hydrolysis duration of 22-24 hours. The mass fraction of FOS in the oligofructose sample produced in this option was 73.04%; the mass fraction of oligofructosides was 22.79%; the mass fraction of disaccharides was 1.74%; the mass fraction of fructose was 2.43%; the sum of FOS and oligofructosides accounted for 95.83%; di- and monosaccharides accounted for 4.17%. The carbohydrate composition of the produced sample corresponded to the quality of oligofructose of the Raftilose brand. An increase in the dosage of the inulinase preparation to 1 INU/g, 2 INU/g, and 5 INU/g of the dry matter of the inulin solution led to an increase in the sum of di- and monosaccharides to 17.22-18.57%, which was 3 times higher than the value of this indicator in the control sample.

Keywords: inulin; oligofructose; syrup; hydrolysis; inulinase; fructooligosaccharides (FOS); carbohydrate composition

Authors Details: N. D. Lukin, D. Sc. (Tech.), director (e-mail: vniik@arrisp.ru); T. S. Puchkova, Cand. Sc. (Tech.), head of laboratory;

D. M. Pikhalo, senior research fellow; O. M. Karaseva, junior research fellow.

For citation: Lukin ND, Puchkova TS, Pikhalo DM, et al. [Hydrolysis of inulin by the enzyme endoinulinase preparation of Novozim 960 for the production of oligofructose]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2020; 34(6):89-91. Russian. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10617.

В мировой практике среди функциональных продуктов питания значительное место занимают инулин и продукт его частичного ферментативного гидролиза - олигофруктоза из цикория и топинамбура, которые известны как пребиотики [1, 2].

Результаты анализа мирового производства функциональных продуктов питания с инулином и олигофруктозой свидетельствуют, что за последние 15 лет организовано производство более 2000 разнообразных пищевых продуктов с этими ингредиентами. Главными потребителями выступает молочное производство, далее - зерновое, детское питание,

хлебопродукты и др. [3, 4].

В ведущих странах Западной Европы, Японии, США для гидролиза инулина производят ферментные препараты инулиназы с использованием штаммов грибных культур Aspergillus, Penicillium, Fusarium, дрожжевых культур Candida species [5, 6, 7].

Инулиназа из штамма Aspergillus niger марки «Фруктозим», выпускаемая компанией «Новозаймс» (Дания), представляет собой смесь эндо- и экзоину-линазы, что позволяет проводить наиболее эффективный гидролиз инулина. Ее испытания во ВНИИ крахмалопродуктов показали, что при соблюдении

4P 0s 70

СО о 60

д

о 50

со

е

л

» 40

и

л о 30

д

и я 20

со

о 10

с

с

я

s 0

3 4 5 24

1

3 4

48

2

5

з j.D

72

Продолжительность, ч

Рис. 1. Влияние продолжительности гидролиза на углеводный состав олигофруктозы при дозировке инулиназы 0,5 ед.^и/г СВ: 1 - ФОС, 2 - олигофруктозиды, 3 - дисахариды, 4 - глюкоза, 5 - фруктоза.

оптимальных условий за 48 ч полного гидролиза удаётся получить высокофруктозный сироп, а при частичном гидролизе - олигофруктозный сироп [8].

В последние годы олигофруктозные сиропы в странах ЕС производят методом направленного частичного ферментативного гидролиза с использованием водорастворимого препарата эндолинулиназы из Aspergillus niger марки «Новозим 960». Произведенный в промышленных условиях продукт представляет собой смесь олигомеров, в состав которых входит от 2 до 10 остатков D-фруктозы. В составе углеводов олигофруктозы марки «Рафтилоза» компании «Орафти» (Бельгия) в соответствии с сертификатом массовая доля суммы фруктоолигосахаридов (ФОС) и олигоф-руктозидов находится на уровне 93,2...97,5 %, ди- и моносахаридов - 2,5.6,8 %. Компания «Косукра» (Бельгия) производит пищевое волокно марки «Фи-брулоза» с содержанием олигофруктозы 95.99 %; суммы ди- и моносахаридов - не более 5 %.

Цель исследований - изучение влияния ферментного препарата эндоинулиназы марки «Новозим 960» на эффективность гидролиза раствора инулина для определения оптимальных параметров процесса.

Условия, материалы и методы. Экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях во ВНИИ крахмалопродуктов. Углеводный состав олигофруктозы определяли на жидкостном хроматографе с рефрактометрическим датчиком фирмы Gilson, массовую долю влаги, инулина и оли-гофруктозы - на весовом влагомере марки MF-50 компании AND (Япония), сухого вещества - на рефрактометре марки ИРФ-454Б2М; протеина - по методу Кьельдаля на аппарате марки К-424, золы - сжиганием в муфельной печи при температуре 600.650 °С (Технологический контроль производства сахаристых крахмалопродуктов: методическое пособие / Н.Д. Лукин и др. М., 2007).

Объекты исследований - инулин марки «Раф-

тилин» и олигофруктоза марки «Рафтилоза» компании «Орафти» (Бельгия); препарат эндоинулиназы из Aspergillus niger марки «Новозим 960» компании «Новозаймс» (Дания). Активность фермента - 400 ед. INU/г препарата.

Углеводный состав инулина марки «Рафти-лин» выглядел следующим образом: массовая доля инулина - 89,25 %; оли-гофруктозидов - 4,99 %; дисахаридов - 5,76 %. Массовая доля золы составляет 0,03 %, протеин

отсутствует.

В качестве контроля для сравнения результатов, полученных при гидролизе инулина, использовали образец олигофруктозы марки «Рафтилоза». Он имел следующий углеводный состав: массовая доля фруктоолигосахаридов (ФОС) - 70,12 %; олигофрук-тозидов - 24,79 %; дисахаридов - 2,11 %; фруктозы -2,98 %. Согласно сертификату качества компании «Орафти» сумма ФОС и олигофруктозидов - 94,91 %; ди- и моносахаридов - 5,09 %.

Оптимальную дозировку ферментного препарата для гидролиза инулина и время его проведения определяли при следующих условиях: t = 55.58 оС; рН = 4,7.5,2 ед.; сухие вещества (СВ) = 19,6 %; продолжительность - 24, 48, 72 ч; дозировки препарата -0,3; 0,4; 0,5; 1,2; 5,0 ед. INU/г СВ раствора инулина. Рекомендуемая компанией дозировка ферментного препарата 0,5 ед. INU/г СВ раствора.

Результаты гидролиза оценивали по углеводному составу продуктов. Все опыты проводили не менее чем в трех повторностях. Результаты экспериментов обрабатывали с помощью программ Microsoft Exel 2007 и Statistika 10.0.

Результаты и обсуждение. После 24 ч гидролиза раствора инулина массовая доля ФОС в олигофрук-тозном сиропе составляла 60,75 %, олигофрукто-

Рис. 2. Влияние дозировки препарата инулиназы на массовую долю углеводов оли-гофруктозного сиропа: 1 - фруктоолигосахариды, 2 - олигофруктозиды, 3 - дисахариды, 4 - глюкоза, 5 - фруктоза.

2

2

5

Рис. 3. Влияние дозировки ферментного препарата на раствора инулина.

зидов - 30,54 %, дисахаридов - 2,36 %, глюкозы -2,40 %, фруктозы - 3,95 % (рис. 1). То есть сумма ФОС и олигофруктозидов была ниже, чем в контрольном образце, а ди- и моносахаридов - выше. При увеличении продолжительности гидролиза содержание ФОС снижалось, а ди- и моносахаридов возрастало. Таким образом, для оптимального соотношения углеводов необходимо уменьшить или дозировку препарата, или продолжительность процесса.

Исследование влияния дозировки инулиназы на гидролиз инулина при продолжительности процесса 24 ч показало, что оптимальной дозировкой можно считать 0,3.0,4 ед. !Ы11/г СВ сиропа (рис. 2). Углеводный состав олигофруктозного сиропа в этом случае соответствовал качеству контрольного образца «Рафтилоза» и характеризовался следующими величинами: ФОС - 73,04.65,39 %, олигофруктозиды - 22,79.27,36 %, дисахариды -

продолжительность гидролиза

1,74.1,96 %, глюкоза -0,00.2,27 %, фруктоза -2,43.3,02 %.

Важно отметить, что при дозировке препарата 0,3 ед. INU/г СВ сиропа глюкоза в процессе гидролиза не образовывалась. При повышении дозировки ферментного препарата до 5 ед. INU/г СВ массовая доля фруктозы в сиропе возрастала до 10 %, а сумма ди-и моносахаридов до 18,57 %.

Оптимального соотношения углеводов при получении олигофруктозы из инулина в вариантах с дозировками препарата 0,3; 0,4; 0,5; 1, 2 и 5 ед. INU/г СВ раствора достигали при продолжительности гидролиза соответственно 24, 22, 20, 14 и 6 ч (рис. 3).

Выводы. При гидролизе раствора инулина марки «Рафтилин» для получения олигофруктозы оптимальная дозировка эндоинулиназы марки «Новозим 960» составляет 0,3.0,4 ед. INU/г СВ сиропа, продолжительность процесса - 22.24 ч. Произведенный при таком режиме образец олигофруктозы характеризуется следующим углеводным составом: массовая доля фруктоолигосахаридов - 73,04 %; олигофруктозидов - 22,79 %; дисахаридов - 1,74 %; фруктозы -2,43 %; сумма ФОС и олигофруктозидов - 95,83 %; ди- и моносахаридов - 4,17 %, что соответствует качеству олигофруктозы марки «Рафтилоза» (сумма ФОС и олигофруктозидов составляет 93,2.97,5 %; ди- и моносахаридов - 2,5.6,8 %).

Литература.

1. Рынок инулина в России: базы и необходимые ресурсы для создания современного отечественного производства / В. Г. Кайшев, Н. Д. Лукин, С. Н. Серегин и др. // Пищевая промышленность. 2018. № 5. С. 8-17.

2. Будько Д. Рынок инулина: Европа лидирует в мировом производстве, Россия подсчитывает упущенные возможности // Бизнес пищевых ингредиентов. 2019. № 2. С. 46-47.

3. Перковец М. В. Влияние инулина и олигофруктозы на снижение риска некоторых «болезней цивилизации» // Пищевая промышленность. 2007. № 5. С. 22-23.

4. Донская Г. А., Асафов В. А., Андреева Е. А. Влияние пищевых добавок в составе молочного десерта на антиоксидантную систему биообъектов // Техника и технология пищевых производств. 2016. Т. 43. № 4. С. 5-10.

5. Fructose Syrup: A Biotechnology Asset / D. M. Lima, P. Fernandes, D. S. Nascimento, et al. // Food Technology Biotechnology. 2011. Vol. 49. No. 4. P. 424-434.

6. Fructose production by chicory inulin enzymatic hydrolysis: a kinetic study and reaction mechanism / E. Ricca, V. Calabro, S. Curcio, et al. // Process Biochemistry. 2009. Vol. 44. No. 4. P. 466-470.

7. Baston O., Neagu (Bonciu) C., Bahrim G. Establishing the optimum conditions for inulin hydrolysis by using commercial inulinase // Revista de chimie. 2013. Vol. 64. Is. 6. P. 649-653.

8. Гулюк Н. Г., Пучкова Т. С., Пихало Д. М. Исследование совместного гидролиза инулина и крахмала //Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 12. С. 28-30.

References

1. Kaishev VG, Lukin ND, Seregin SN, et al. [The inulin market in Russia: bases and necessary resources for creating modern domestic production]. Pishchevaya promyshlennost'. 2018;(5):8-17. Russian.

2. Bud'ko D. [Inulin Market: Europe leads the world in production, Russia calculates missed opportunities]. Biznes pishchevykh ingredientov2019;(2):46-7. Russian.

3. Perkovets MV. [The effect of inulin and oligofructose on reducing the risk of some "diseases of civilization"]. Pishchevaya promyshlennost'. 2007;(5):22-3. Russian.

4. Donskaya GA, Asafov VA, Andreeva EA. [The effect of food additives in the composition of milk dessert on the antioxidant system of biological objects]. Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. 2016;43(4):5-10. Russian.

5. Lima DM, Fernandes P, Nascimento DS, et al. Fructose Syrup: A Biotechnology Asset. Food Technology Biotechnology. 2011;49(4):424-34.

6. Ricca E, Calabro V, Curcio S, et al. Fructose production by chicory inulin enzymatic hydrolysis: a kinetic study and reaction mechanism. Process Biochemistry. 2009;44(4):466-70.

7. Baston O, Neagu (Bonciu) C, Bahrim G. Establishing the optimum conditions for inulin hydrolysis by using commercial inulinase. Revista de chimie. 2013;64(6):649-53.

8. Gulyuk NG, Puchkova TS, Pikhalo DM. [The study of the combined hydrolysis of inulin and starch]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya. 2011;(12):28-30. Russian.