CC BY
53
УДК 667.1/.3:663:577.15/.158:582.739(045)
Исследование биотрансформации углеводов соевой мелассы молочнокислыми бактериями
В.В. Евелева, канд. техн. наук; Е.А. Шиповская; Т.М. Черпалова, канд. техн. наук ВНИИ пищевых добавок - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Санкт-Петербург Н.В. Хабибулина, канд. техн. наук
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Реферат
Решение актуальной проблемы расширения ресурсных возможностей агропромышленного комплекса: использования отходов, образующихся при переработке сои, с получением молочной кислоты - основная задача. Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте пищевых добавок. Цель работы - провести исследования биотрансформации углеводов соевой мелассы молочнокислыми бактериями с использованием ферментных препаратов комплексного действия. В процессе исследований испытывали соевую мелассу и растворы, полученные на ее основе в процессе биосинтеза. В качестве продуцентов использовали индивидуальные штаммы молочнокислых бактерий из подгруппы термофильных палочек Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus lactis, а также их консорциум. Из ферментных препаратов комплексного действия исследовали Целлолюкс-F, Глюколюкс-F, Амилосубти-лин и Протосубтилин. В работе применяли общепринятые для производства пищевой молочной кислоты методы. Биосинтетическую активность продуцентов характеризовали скоростью образования лактата кальция. Процесс биотрансформации углеводов соевой мелассы оценивали по скорости сбраживания редуцирующих веществ. Показано, что наиболее активными из испытанных продуцентов являются индивидуальные штаммы Lactobacillus acidophilus и Lactobacillus helveticus. При использовании Lactobacillus acidophilus скорость образования лактата кальция составляет 0,62 г/(дм3ч), при использовании Lactobacillus helveticus - 0,59 г/(дм3ч). Представлены результаты сравнительного анализа показателей сбраживания соевой мелассы в молочную кислоту в зависимости от испытанных продуцентов и ферментных препаратов. Показано, что использование ферментного препарата Амилосубтилин способствует повышению эффективности процесса биосинтеза молочной кислоты из соевой мелассы. Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологии получения молочной кислоты ветеринарного назначения из соевой мелассы.
Ключевые слова
бактерии, биотрансформация углеводов, молочная кислота, соевая меласса, ферментные препараты Цитирование
Евелева В.В., Шиповская Е.А., Черпалова Т.М., Хабибулина Н.В. (2019). Исследование биотрансформации углеводов соевой мелассы молочнокислыми бактериями // Пищевая промышленность. 2019. № 3. С. 50-53.
Study of biotransformation of carbohydrates of soyal melasses with milk-bacteria
V.V. Eveleva, Candidate of Technical Sciences; E.A. Shipovskaya; T.M. Cherpalova, Candidate of Technical Sciences
All-Union Scientific Research Institute of Food Additives - a branch V.M. Gorbatov RAN, St. Petersburg
N.V. Khabibulina, Candidate of Technical Sciences
Russian University of Chemical Technology named after D.I. Mendeleeva
Abstracts
The article covers a topical problem of expanding agribusiness resource opportunities: using soybean processing by-products for veterinary lactic acid production. The work was done at the All-Russia Research Institute for Food Additives. The research objective was to study soybean molasses carbohydrates biotransformation by lactic acid bacteria using complex action enzyme preparations. Soybean molasses based solutions obtained by biosynthesis and soybean molasses itself were tested during investigation. Lactic acid bacteria specific strains Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus lactis as well as their consortium were used as producers. As complex action enzyme preparations the following ones were studied: Cellolux-F, Glukolux-F, Amilosubtilin and Protosubtilin. Standard methods for food lactic acid production were used. Lactate calcium formation rate characterized producers' biosynthetic activity. Soybean molasses carbohydrate transformation was estimated by reducing substances fermentation rate. Specific strains Lactobacillus acidophilus and Lactobacillus helveticus were most active among tested producers. When using Lactobacillus acidophilus calcium lactate formation rate is 0.64 g/(dm3xh), while using Lactobacillus helveticus it is 0.60 g/(dm3xh). Comparative analysis data for soybean molasses fermentation into lactic acid depending on tested producers and enzyme preparations are given. It is shown Amilosubtilin enzyme increases lactic acid biosynthesis efficiency from soybean molasses. Research results can be used when developing technology for veterinary lactic acid production from soybean molasses.
Key words
soybean molasses, bacteria, enzyme preparations, carbohydrate biotransformation, lactic acid Citation
Eveleva V.V., Shipovskaya E.A., Cherpalova T.M., Habibulina N.V. (2019). Carbonhydrate soybean molasses biotransformation by lactic acid bacteria // Food processing industry = Pishhevaya promyshlennost. 2019. № 3. P. 50-53.
Проблема расширения ресурсных возможностей пищевой и перерабатывающей промышленности может быть решена за счет внедрения технологий, позволяющих рационально использовать сырьевые ресурсы и комплексно их перерабатывать с получением новых полезных продуктов. К числу экономически выгодных относятся продукты, вырабатываемые микробным синтезом из возобновляемого сырья [1].
При получении концентрата белка сои традиционным методом водно-спиртовой промывки соевого «белого лепестка» образуется соевая меласса, представляющая собой сиропообразную жидкость коричневого цвета с содержанием сухих веществ от 45% до 70%, включающих углеводы, фосфолипи-ды, белки и минеральные компоненты. На долю углеводов приходится 75-80%, фосфолипидов - 9-12%, низкомолекулярных белков - 3-6% и минеральных веществ - 5-7%. Углеводы представлены моносахаридами (65%) и олигосаха-ридами (от 5 до 7% раффинозы и от 30 до 32% стахиозы) [2]. В состав мелассы входят такие компоненты сои, как изо-флавоноиды и сапонины [3].
Из известных способов переработки соевой мелассы можно выделить использование ее в биотехнологических производствах. Так, из соевой мелассы с использованием облигатно анаэробных бактерий Clostridium beijerinckii производят бутанол [4], дрожжей Candida bombicola - софоролипиды [5], дрожжей Saccharomyces cerevisiae - биоэтанол [6], пробиотических молочнокислых бактерий Lactobacillus salivarius - молочную кислоту [7]. Соевая меласса может служить основой для сред при культивировании бактерий Lactoccocus lactis и Streptococcus thermophilus в производстве поверхностно-активных биосурфак-тантов, используемых для удаления нефтепродуктов из объектов окружающей среды, очистки емкостей от нефтяных фракций и увеличения добычи нефти [8].
Последовательное культивирование нескольких видов микроорганизмов позволяет повысить коэффициент биконверсии углеводов соевой мелассы. Так, при культивировании Lactobacillus plantarum и Lactobacillus acidophilus на культураль-ной жидкости, образующейся при культивировании Endomycopsis fibuligera, обеспечивает снижение содержания неиспользованных углеводов в 1,8 раза. вместе с тем отмечено, что присутствие нередуцирующих веществ ограничивает ее использование в производствах, основанных на микробном синтезе [9].
Компанией «Партнер-М» разработана технология производства концентрата соевого белка с получением концентрата экстрактивных веществ (соевой мелассы нового поколения), представляющего
собой порошкообразный продукт светло-бежевого цвета, включающий углеводы различной молекулярной массы, низкомолекулярные белки, минеральные компоненты, изофлавоноиды и другие вещества.
Исследованиями, проведенными авторами ранее, показана целесообразность получения кормового пробиотика из концентрата экстрактивных веществ (соевой мелассы нового поколения). Пробиоти-ческие кормовые добавки, полученные из этого продукта с использованием Lactobacillus acidophilus и Lactobacillus helveticus, соответствуют требованиям ГОСТ Р 57072-2016 и дополнительно обогащены биодоступным кальцием [10].
Промышленные технологии молочной кислоты основаны на сбраживании углеводов молочнокислыми бактериями. Возросший спрос на молочную кислоту в связи с расширением сфер ее применения обусловил развитие научных исследований прикладного характера по созданию новых технологий ее получения. их создание предполагает поиск новых углеводсодержащих сырьевых источников и подбор продуцентов, способных осуществлять интенсивную и полную конверсию углеводов в востребованный продукт. Применение молочной кислоты, полученной из вторичных сырьевых ресурсов, имеет перспективы в производстве ветпрепаратов, кормовых добавок и средств для санитарной обработки технологических помещений, оборудования и инвентаря на предприятиях агропромышленного комплекса.
Цель работы - проведение исследования биотрансформации углеводов концентрата экстрактивных веществ (соевой мелассы нового поколения) молочнокислыми бактериями с использованием ферментных препаратов в процессе получения молочной кислоты ветеринарного назначения.
Объектами исследования служили:
- концентрат экстрактивных веществ (соевая меласса нового поколения) производства ЗАО «Партнер-М» с массовой долей общих сахаров 60,1 % на сухие вещества (далее соевая меласса);
- индивидуальные штаммы молочнокислых бактерий из подгруппы термофильных палочек рода Lactobacillus (L. acidophilus AT-I, L. bulgaricus 298, L. helveticus 30510, L. lactis 3657), адаптированные к сбраживанию соевой мелассы;
- ассоциация молочнокислых бактерий L. acidophilus AT-I и L. helveticus 30510;
- ферментные препараты комплексного действия Целлолюкс-F, Глюколюкс-F, Амилосубтилин и Протосубтилин производства ООО ПО «Сиббиофарм»;
- лактатсодержащие растворы, полученные в процессе биотрансформации углеводов соевой мелассы молочнокислыми бактериями с использованием
ферментных препаратов комплексного действия или без них.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием общепринятых методов испытаний лактатсодержа-щих растворов в производстве пищевой молочной кислоты. Процесс биотрансформации углеводов мелассы в молочную кислоту характеризовали скоростью образования лактата кальция, определяемого трилонометрическим методом; скоростью сбраживания редуцирующих веществ, определяемых методом Бертрана, и выходом целевого продукта, определяемым расчетным путем.
Ферментативный гидролиз соевой мелассы проводили в шейкере-инкубаторе Multitron компании INFORS HT при 100 об /мин и температуре 50 °С в течение 1 ч.
В рамках решения проблемы переработки соевой мелассы с получением молочной кислоты, предназначенной для использования в ветеринарии, проведены исследования по сбраживанию соевой мелассы, выбору продуцента с наибольшей биосинтетической активностью и ферментного препарата, обеспечивающего наибольшую эффективность процесса биосинтеза молочной кислоты. Полученные экспериментальные данные, отражающие изменение скорости образования лактата кальция, коэффициента биоконверсии и выхода лактата кальция в зависимости от вида используемого продуцента, свидетельствуют о том, что из испытанных индивидуальных штаммов молочнокислых бактерий по совокупности определяемых показателей наиболее активными являются молочнокислые бактерии L. acidophilus AT-I и L. helveticus 30510 (табл. 1). При использовании этих продуцентов достигаются наибольшие средние величины скорости образования лактата кальция от 0,59 до 0,62 г /(дм3ч), коэффициента биоконверсии от 0,56 до 0,55 и выхода лактата кальция от 41,9% до 48,2%. Использование ассоциации наиболее активных штаммов молочнокислых бактерий L. acidophilus AT-I и L. helveticus 30510 не обеспечивает достижение более высокой эффективности биотрансформации углеводов соевой мелассы по сравнению с индивидуальными штаммами молочнокислых бактерий, что свидетельствует о факультативном типе их взаимодействия, когда каждый штамм существует самостоятельно.
Исследованиями по выбору комплексного ферментного препарата, обеспечивающего наибольшую эффективность процесса биосинтеза молочной кислоты, установлено, что использование Амило-субтилина способствует как увеличению скорости образования лактата кальция, так и повышению коэффициента биоконверсии и выхода лактата кальция по сравнению с контролем. так, при ис-
Таблица 1
Показатели процесса биотрансформации углеводов соевой мелассы при варьировании продуцента
Продуцент Скорость образования лактата кальция, г/(дм3хч) Коэффициент биоконверсии Выход лактата кальция, %
L. acidophilus AT-I 0,62 ± 0,04 0,55 ± 0,02 48,2 ± 2,6
L. bulgaricus 298 0,52 ± 0,01 0,51 ± 0,02 41,1 ± 3,7
L. lactis 3657 0,48 ± 0,06 0,46 ± 0,05 33,9 ± 3,5
L. helveticus 30510 0,59 ± 0,05 0,56 ± 0,01 41,9 ± 1,5
Ассоциация (L. acidophilus AT-I L. helveticus 305m) 0,48 ± 0,04 0,44 ± 0,02 37,0 ± 1,5
Таблица 2
Показатели процесса биотрансформации углеводов соевой мелассы ассоциацией молочнокислых бактерий L. acidophilus AT-I и L. helveticus 305ш в зависимости от вида используемого ферментного препарата (ФП)
Ферментный препарат Скорость образования лактата кальция, г/(дм3хч) Коэффициент биоконверсии Выход лактата кальция, %
Контроль (без ФП) 0,48 ± 0,13 0,43 ± 0,03 38,0 ± 1,8
Амилосубтилин 0,68 ± 0,13 0,55 ± 0,02 47,1 ± 2,7
ГлюкоЛюкс-F 0,52 ± 0,11 0,49 ± 0,01 43,0 ± 3,2
ЦеллоЛюкс-F 0,53 ± 0,14 0,49 ± 0,02 42,7 ± 2,3
Протосубтилин 0,48 ± 0,10 0,45 ± 0,01 41,9 ± 1,5
пользовании ассоциации молочнокислых бактерий L. acidophilus AT-I и L. helveticus 30510 и ферментного препарата Ами-лосубтилин перечисленные выше показатели процесса биотрансформации углеводов соевой мелассы возрастают по сравнению с контролем по абсолютной величине на 41 %, 27% и 23% соответственно (табл. 1, 2).
Проведены исследования по сбраживанию растворов соевой мелассы с начальными значениями редуцирующих веществ от 3% до 5% с внесением в них солодовых ростков (1,0 %), ферментного препарата (0,6%) и посевного материала L. acidophilus AT-I (от 5 % до 10%) при поддержании оптимальных величин температуры от 40 °С до 42 °С и титруемой кислотности от 0,3 % до 0,6% и введением в сбраживаемые растворы сахарного сиропа до достижения содержания лактата кальция от 12 % до 14 % и редуцирующих веществ не более 0,3 %. Выделение молочной кислоты из сброженных растворов осуществляли по традиционной технологии, предусматривающей очистку растворов, разделение твердой и жидкой фаз, кристаллизацию лактата кальция и разложение его серной кислотой. При анализе экспериментальных данных отмечено, что полученная по такой технологии молочная кислота не выдерживает испытания по редуцирующим сахарам при соответствии их содержания в конце процесса сбраживания технологическим требованиям.
Выявленные отклонения качества молочной кислоты из соевой мелассы производства ЗАО «Партнер-М» определяют направления совершенствования технологии получения, а именно: подготовка сырья к сбраживанию, выделение молочной кислоты и очистка растворов.
Таким образом, можно констатировать, что:
- наиболее активными из испытанных продуцентов, адаптированных к сбраживанию соевой мелассы производства ЗАО «Партнер-М», являются индивидуальные штаммы молочнокислых бактерий L. acidophilus AT-I и L. helveticus 30510; использование ассоциации активных штаммов молочнокислых бактерий не обеспечивает достижение более высокой эффективности биотрансформации углеводов мелассы;
- применение комплексного ферментного препарата Амилосубтилин способствует повышению эффективности биосинтеза молочной кислоты из соевой мелассы производства ЗАО «Партнер-М»;
- молочная кислота, полученная из исследуемого углеводсодержащего сырья по испытанной технологии, характеризуется повышенным содержанием редуцирующих сахаров при соответствии их содержания в конце процесса сбраживания технологическим требованиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ревин, В. В. Получение бактериальной целлюлозы на отходах пищевой промышленности/ В. В. Ревин [и др.] // Актуальная биотехнология. - 2014. - № 3 (10). -С. 112-113.
2. Qureshi, N. Soy molasses as fermentation substrate for production of butanol using Closridium beijerimkii/ N. Qureshi, А. Lolas., А. Blaschek // Journal of industrial Microbiology and biotechnology. - 2011. -№ 26. - P. 290-295.
3. Хабибулина, Н.В. Получение фракций олигосахаридов и изофлавоноидов из соевой мелассы/ Н. В. Хабибулина, [и др.] // Хи-
мия растительного сырья. - 2014. - № 3. -С. 115-124.
4. Abdullah, Al Soybean carbohydrate as fermentation feedstock for production of biofuels and value-added chemicals/ Al Abdullah, Lu Loman, Ju Kwang // Process Biochemistry. - 2016. - Volume 51. - Issue 8. -P. 1046-1057.
5. Vivek, K. Morya Sophorolipids: Characteristics, production, and Applications/ K. Vivek Morya and Eun-Ki Kim // Biosurfactants. Research Trends and Applications/Editied by Catherine N. Mulligan, Saniay K. Sharma, Ackmez Mudhoo. - CRC Press. Boca Raton London, New York. - 2014. -P. 105-124.
6. Paula, F. Production of bio-ethanol from soybean molasses by Saccharomyces cerevisiae at laboratory, pilot and industrial scales/ F. Paula, [et al.] // Bioresource Technology. - 2008. - № 99. - P. 8156-8163.
7. Ming-Lun Chiang Optimizing Production of Two Potential Probiotic Lactobacilli Strains Isolated from Piglet/Ming-Lun Chiang [et al.]// Asian-Australas J Anim Sci. - 2015. - № 28 (8). - P. 1163-1170.
8. Пирог, Т.П. Биоконверсия смеси технического глицерина и мелассы в поверностно-активные вещества Nocardia vaccinia 1MB B-7045/Т. П. Пирог, Н. В. Кудря, [и др.] // Мжробюл. - 2015. - Т. 77. - № 3. - С. 28-35.
9. Смирнова, В.Д. Биотехнологический путь переработки отходов производства соевого белка/В.Д. Смирнова, [и др.] // Экология и промышленность России. - 2010. -С. 14-16.
10. Евелева В. В. Исследование биотехнологической переработки соевой мелассы в кормовой пробиотик/ В. В. Евелева, [и др.] // Сборник трудов XX Международной научно-практической конференции, посвященной памяти В.М. Горбатова, «Актуальные вопросы развития устойчивых, потребитель-ориентированных технологий пищевой и перерабатывающей промышленности АПК». -М.: ВНИИМП, 2017. - С. 109-110.
REFERENCES
1. Revin, V. V. Poluchenie bakterial'noj ceUjubzy na othodah pishhevoj promyshlen-nosti/V.V. Revin [i dr.] // Aktual'naja bioteh-nologija. - 2014. - № 3 (10). - S. 112-113.
2. Qureshi, N. Soy molasses as fermentation substrate for production of butanol using Closridium beijerimkii/ N. Qureshi, A. Lolas., A. Blaschek // Journal of industrial Microbiology and biotechnology. - 2011. - №. 26. -P. 290-295.
3. Habibulina, N.V. Poluchenie frakcij oli-gosaharidov i izoflavonoidov iz soevoj melassy/ N. V. Habibulina, [i dr.] // Himija rastitel'nogo syr'ja. - 2014. - № 3. - S. 115-124.
4. Abdullah, Al Soybean carbohydrate as fermentation feedstock for production of biofuels and value-added chemicals/Al Abdullah, Lu Loman, Ju Kwang // Process Biochemistry. -2016. - Volume 51. - Issue 8. - P. 1046-1057.
5. Vivek, K. Morya Sophorolipids: Characteristics, production, and Applications/Vivek K. Morya and Eun-Ki Kim // Biosurfactants. Research Trends and Applications / Editied by Catherine N. Mulligan, Saniay K. Sharma, Ackmez Mudhoo. - CRC Press. Boca Raton London, New York. - 2014. - P. 105-124.
6. Paula, F. Production of bio-ethanol from soybean molasses by Saccharomyces
cerevisiae at laboratory, pilot and industrial scales/F. Paula, [et al.] // Bioresource Technology. - 2008. - № 99. - P. 81568163.
7. Ming-Lun Chiang Optimizing Production of Two Potential Probiotic Lactobacilli Strains Isolated from Piglet/Ming-Lun Chiang, [et al.] // Asian-Australas J Anim Sci. - 2015. - №. 28 (8). - P. 1163-1170.
8. Pirog, T. P. Biokonversija smesi teh-nicheskogo glicerina i melassy v povernostno-aktivnye veshhestva Nocardia vaccinia 1MB B-7045/T. P. Pirog, N.V. Kudrja, [i dr.] // Mikrobiol. - 2015. - T. 77. - № 3. - S. 28-35.
9. Smirnova, V.D. Biotehnologicheskij put' pererabotki othodov proizvodstva soevogo belka/V.D. Smirnova, [i dr.]// Jekologija i pro-myshlennost' Rossii. - 2010. - S. 14-16.
10. Eveleva V.V. Issledovanie biotehnolog-icheskoj pererabotki soevoj melassy v kormo-voj probiotik/V.V. Eveleva, [i dr.] // Sbornik trudov XX Mezhdunarodnoj nauchno-prak-ticheskoj konferencii, posvjashhennoj pamjati V.M. Gorbatova, «Aktual'nye voprosy razvitija ustojchivyh, potrebitel'-orientirovannyh teh-nologij pishhevoj i pererabatyvajushhej pro-myshlennosti APK». - M.: VNIIMP, 2017. -S. 109-110.
Авторы
Евелева Вера Васильевна, канд. техн. наук,
Шиповская Елена Алексеевна,
Черпалова Татьяна Михайловна, канд. техн. наук
ВНИИ пищевых добавок - филиал ФНЦ пищевых систем
им. В.М. Горбатова РАН, 191014, Санкт-Петербург, Литейный пр-т,
д. 55, v.eveleva@yandex.ru, а1епа. shipovskaja@ yandex.ru,
vniipakk55@mail.ru
Хабибулина Наталья Викторовна, канд. техн. наук Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9, khabibulina.natalia@partnermk.ru
Authors
Eveleva Vera Vasil'evna, Candidate of Technical Sciences Shipovskaya Elena Alekseevna,
Cherpalova Tatyana Michailovna, Candidate of Technical Sciences All-Russian Research Institute for Food Additives - Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of RAS, 55, Liteyny pr., St. Petersburg, 191014, Russia, v.eveleva@yandex.ru, alena. shipovskaja@ yandex.ru, vniipakk55@mail.ru
Khabibulina Natalia Victorovna, Candidate of Technical Sciences
Russian University of Chemical Technology named
after D.I. Mendeleeva, 9, Miusskaya sq., Moscow, 125047, Russia,
khabibulina.natalia@partnermk.ru
