CC BY
59
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Химико-ферментативная
обработка пищевых волокон растительного
сырья
В.В. Матреничева, Л.А. Иванова, О.Б. Волкова
Московский государственный университет пищевых производств
В высокоразвитых странах получило широкое распространение производство функциональных пищевых продуктов, улучшающих структуру питания, способствующих восстановлению здоровья и профилактике заболеваний современного человека. К одной из категорий функциональной пищи относятся пищевые продукты, обогащенные пищевыми волокнами.
К пищевым волокнам (ПВ) относят комплекс биополимеров растительного сырья, включающих целлюлозу, геми-целлюлозы, пектиновые вещества и лигнин. Пищевые волокна способны связывать и выводить из организма токсические вещества, поступающие с пищей, ускоряют время прохождения пищи по пищеварительному тракту, стимулируют моторную деятельность кишечника, препятствуют всасыванию холестерина, играют положительную роль в нормализации состава микрофлоры кишечника, в ингибировании гнилостных процессов, оказывают влияние на липидный обмен, адсорбируют желчные кислоты, способствуют снижению токсичности продуктов метаболизма [1, 2].
Основные источники пищевых волокон - зерновые продукты, овощи, фрукты, виноград, орехи. В то же время аналогичные комплексы, сформированные из целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, составляют основную часть клеточных стенок древесины, трав, стеблей злаков, кустарников, источник которых практически неисчерпаем.
Известные методы выделения ПВ основаны на удалении из измельченной растительной ткани низкомолекулярных веществ: моносахаридов, гликози-дов, алкалоидов, минеральных соединений путем экстракции и гидролиза сопутствующего крахмала. В зависимости от вида перерабатываемого сырья его обрабатывают водой при нагревании, разбавленными растворами минеральных кислот (серной, фосфорной), щелочами, солями сернистой кислоты, перекисями либо амилолитическими ферментами (крахмалсодержащее сырье). Выделение ПВ возможно при нагревании сырья с детергентами - поверхностно-активными веществами, используемыми в малых концентрациях при невысоких температурах.
В последние годы значительное внимание уделяется микробиологическим
способам получения ПВ, цель которых - избирательная деструкция лигнина под действием ферментных систем микроорганизмов и производство целлюлозы высокого качества.
Для биоконверсии лигноцеллюлоз-ных субстратов используют большое число культур различных систематических групп. Скрининг активных культур проводят различными методами. Обычно исследуемые культуры выращивают на древесных опилках, соломе и других лигноцеллюлозных материалах, контролируя убыль в них лигнина, целлюлозы и накопление биомассы.
Отдельные компоненты пищевых волокон нетрадиционного сырья (целлюлоза и лигнин древесины) в соответствии с разрешением органов здравоохранения используются в лечебно-профилактическом питании [3].
Медико-биологическая ценность ПВ во многом обусловлена особенностью их физико-химических свойств: водо-удерживающей способностью (ВУС), растворимостью, ионообменными и сорбционными свойствами. Так, некоторые ПВ сохраняют в 5-30 раз больше воды, чем их собственная сухая масса, что связано со степенью их гидрофиль-ности, количественным и качественным составом присутствующих в них биополимеров, характером поверхности и пористости частиц, их размерами.
Целью настоящего исследования было изучение биохимического состава различных представителей растительного сырья, подбор новых штаммов культур микроорганизмов, способных утилизировать в растительных отходах лигнин, а также выбор методов предварительной подготовки лиг-ноцеллюлозного сырья к ферментативной конверсии лигнина и получению целлюлозы в форме, доступной для ее дальнейшего использования.
Исследование биохимического состава нетрадиционного растительного
сырья, а именно образцов березовых и сосновых опилок, листьев березы и соломы хлебных злаков, показало, что сосновые опилки наиболее богаты целлюлозой, содержание которой в среднем составляет 47,0 %.
Выделенная из них и очищенная целлюлоза может быть использована в виде пищевой добавки, способной снижать калорийность пищи, быть диспергатором, улучшать товарный вид и качество пищевых продуктов.
Известно, что наименее деструкту-рированные пищевые волокна в максимальном количестве могут быть выделены биохимическими методами, поэтому проводили широкий скрининг среди грибных и бактериальных микроорганизмов по их способности гидролизовать отдельные полимеры растительных тканей.
Лигнин - растительный полимер, составляющий около 20-30 % от сухой массы древесины, наиболее устойчив к разлагающему действию микроорганизмов. Способность к разложению лигнина обнаружена у представителей бактерий родов Pseudomonas, Bacillus, Agrobacterium и актиномицетов родов Streptomyces и Thermomonospora. Некоторые дрожжи и дрожжеподобные грибы также способны расти на лигно-целлюлозных субстратах и осуществлять их деструкцию. Грибы Chaetomium, Allescheria, Fusarium вызывают мягкую гниль древесины, активно усваивая лигнин. Несовершенные грибы рода Penicillium и Trichoderma способны утилизировать гидролизный лигнин. Несмотря на способность микромицетов, бактерий и некоторых дрожжей к трансформации лигнина, основными деструкторами природных лигноцеллюлозных субстратов являются базидиомицеты [4].
Эффективное разложение лигноцеллюлозных субстратов происходит при совместном действии различных типов лигнолитических ферментов. Ферментные системы, продуцируемые различными микроорганизмами, отличаются друг от друга соотношением входящих в комплексы ферментов, уровнем их активностей и рядом других показателей. Поэтому одно из определяющих условий эффективности процесса конверсии лигнина - выбор высокоэф-
фективных штаммов микроорганизмов - продуцентов лигнинразрушаю-щих ферментов.
Структура лигнина такова, что он не может служить объектом непосредственной гидролитической атаки. Лигнин расщепляется с помощью оксидаз, окисление происходит кислородом воздуха и пероксида водорода. Комплекс ферментов, участвующих в деструкции лигнина включает фенолокида-зы, Мп2+-независимые и Мп2+-зависи-мые пероксидазы, а также ферменты, генерирующие перекись водорода.
В работе было испытано более 100 культур грибов, относящихся к родам Aspergillus, Penicillum, Trichoderma, Fusarium, Mucor, Rhizopus, Oospora, бактерии родов Bacillus, Pseudomonas, Enterobacter, Micrococcus, дрожжей родов Candida, Endomycopsis, Trichosporon, и актиномицеты рода Streptomyces из коллекции кафедры «Биотехнология» Московского государственного университета пищевых производств и выделенных из различных почв Москвы и Московской области.
Выращивание микроорганизмов осуществляли в условиях глубинного и поверхностного культивирования. Глубинное культивирование проводилось на среде следующего состава (% АСВ): растительное сырье - 10, кукурузный экстракт - 2; KH2PO4 - 0,5; MgSO4 • 7H2O - 0,05; NH4NO3 - 0,5. Поверхностное культивирование осуществляли в кюветах на питательной среде, содержащей (% АСВ): растительное сырье -26,95, кукурузный экстракт - 2, KH2PO4 -0,5; MgSO4 • 7H2O - 0,05, NH4NO3 -0,5, влага до 70 %. рН среды соответствовал оптимальному значению для роста биомассы бактерий и грибов.
Способность культур к деградации лигноцеллюлозного сырья оценивали визуально по наличию хорошего роста на средах с сосновыми, березовыми опилками, листьями и соломой, а также микроскопированием препаратов «раздавленная капля».
Первичный отбор культур-продуцентов показал, что только 20 из 100 исследуемых культур обладали высокой способностью расти и расщеплять лигноцеллюлозное сырье питательной среды. Наиболее активный рост наблюдался при глубинном культивировании на сосновых опилках культуры Streptomyces mersei.
Для определения изменения качественного и количественного состава пищевых волокон в растительном субстрате - сосновых опилках под действием ферментных систем микроорганизмов проводилось глубинное культивирование 12 культур, показавших при предварительных исследованиях хороший рост биомассы.
В растительном сырье, прошедшем биоконверсию, гидролитическими методами определяли содержание раз-
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Изменение состава пищевых волокон сосновых опилок под действием ферментных систем
микроорганизмов
Микроорганизм Выход препарата, % Целлюлоза, % Гемицеллюлоза, % Лигнин, %
Исходный состав ПВ (контроль) 100 47,0 26,0 27,0
Aspergillus awamori 85,5 54,9 24,1 21,0
Aspergillus terrícola 82,6 56,9 20,4 22,2 22,7
Rhizopus oryzae 91,3 51,5 23,9 24,9
Trichoderma viride 94,0 94 5 50,0 49 7 27,6 25 4 26,2 22,4 24,9
Pseudomonas putida 90,0 85 0 52,2 55 3 23,4 25 9 24,4 18,8
Streptomyces globisporus 80,5 58,4 23,7 17,9
Streptomyces mersei 70,0 67,2 20,3 12,5
личных фракций (клетчатка, лигнин и гемицеллюлоза) пищевых волокон [5].
Результаты исследования приведены в таблице.
Как видно из представленных данных, наибольшая активность при биоконверсии сосновых опилок была отмечена у культуры Streptomyces mersei, в процессе роста которой относительное содержание целлюлозы увеличилось на 42,9 %, а содержание гемицеллюлозы и лигнина уменьшается на 21,9 и 53,7 % соответственно.
Растительные материалы резистентны к действию различных гидролизую-щих агентов. Чистая природная целлюлоза и лигноцеллюлоза являются субстратами с низкой реакционной способностью. Это обусловлено их нерастворимостью, высокой степенью кристалличности природной целлюлозы, наличием защитной матрицы, образованной лигнином и гемицеллюлозой, в которую погружены целлюлозные волокна. Размеры пор лигнифицирован-ных тканей растений слишком малы для прохождения молекул ферментов. Поэтому повышение реакционной способности сырья по отношению к ферментам возможно только при наличии эффективных методов предварительной обработки, которая должна приводить к уменьшению содержания ге-мицеллюлоз, увеличению удельной поверхности лигнина, доступной для ферментов. К таким методам относятся гидролитические методы обработки растворами кислот и щелочей.
Предобработку сосновых опилок проводили 0,001; 0,01; 0,1; 1,0 и 5,0%-ными растворами ЫаОИ при температуре 100 оС в течение 15, 30 и 60 мин. После высушивания материала до постоянной массы в нем определялся фракционный состав пищевых волокон. Установлено, что обработка растительного субстрата 0,01%-ным раствором ЫаОИ в течение 60 мин позволяет снизить содержание в нем
лигнина на 51,8 % и одновременно увеличить относительное содержание целлюлозы на 38,3 %.
Для проведения наиболее полного гидролиза растительного сырья использовали сочетание химического (щелочной гидролиз) и биологического воздействия (культивирование Streptomyces mersei - продуцена ферментов, способных гидролизовать полимеры растительных тканей).
Согласно результатам, комбинированная химическая и ферментативная обработка растительного материала с использованием штамма-делигнификатора, способствует увеличению содержания целлюлозы в исследуемом образце до 81 %, доля лигнина снижается до 7 %, гемицеллюлозы - до 12 % от АСВ.
Комбинированная обработка растительного материала слабым раствором щелочи и ферментативным комплексом культуры Streptomyces mersei, обеспечивает максимальную структурную модификацию сырья, которая позволяет получать ПВ с повышенным содержанием целлюлозы благодаря гидролизу лигнина и гемицеллюлоз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мартинчик А.Н., Маев И.В., Петухов А.Б. Питание человека (основы нутрициологии). - М.: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ, 2002.
2. Погожаева А.В. Пищевые волокна в лечебно-профилактическом питании // Вопросы питания. 1998. № 1. С. 39-42.
3. Дудкин М.С., Щелкунов Л.Ф. Новые продукты питания - М.: МАИК «Наука», 1998.
4. Грачева И.М., Кривова А.Ю. Технология ферментных препаратов. -М.: Элевар, 2000.
5. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. -М.: Экология, 1991.
