CC BY
44
664.859.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА УГЛЕВОДОВ ВТОРИЧНОГО ЯБЛОЧНОГО СЫРЬЯ
И. М. Нигматуллина, студентка, e-mail: ida7991@gmail.com С. В. Агафонова, канд. техн. наук, доцент,
e-mail: svetlana.agafonova@klgtu.ru ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет»
Описаны возможные пути переработки яблочных выжимок. Исследовано влияние целлюлолитических ферментных препаратов на гидролиз сложных углеводов этих выжимок при различных дозировках и условиях протекания реакций с целью получения продукта с заданными физико-химическими свойствами. Экспериментально определены оптимальные условия ферментативного гидролиза яблочных выжимок для получения пастообразной массы.
яблочные выжимки, яблочная паста, вторичное яблочное сырье, ферментативный гидролиз, пектиновые вещества
Введение в России с 2014 г. продовольственного эмбарго привело к развитию российского садоводства. Правительство оказывает поддержку садовым питомникам и молодым предприятиям, нацеленным на переработку отечественного сырья, в том числе яблок. На территории Калининградской области существует крупное действующее производство по переработке яблок, выпускающее не менее 12 тыс. л сока в день. Вторичное яблочное сырье на данном предприятии не реализуется. Отходы при производстве яблочного сока составляют от 27 до 40 % от массы яблок. В регионе ориентировочно в 2022 г. планируется открытие ещё одного предприятия по изготовлению яблочного пюре и сока. Увеличение количества неиспользуемого вторичного сырья повлечет острую необходимость в его переработке, обеспечивая тем самым полноценное применение, а также повышение экономической эффективности от использования данного пищевого сырья.
Вторичное яблочное сырье представляет собой яблочные выжимки, которые состоят на 95 % из яблочной кожицы и мякоти, от 2 до 4 % семян и 1 % стеблей [1]. Выжимки имеют промышленное значение как пектинсодержащее сырье, богаты полифенолами, витаминами, макро- и микроэлементами. В химический состав сырого вторичного яблочного сырья на 100 г входят: белок 0,7 г, липиды от 1,3 г, зола 0,4 г, сахара 9,1 г, содержание пектиновых веществ составляет около 2,5 % в зависимости от сорта яблок [2].
Большая часть яблочных выжимок перерабатывается для получения пектиновых веществ, которое основано на гидролизе разбавленными кислотами и дальнейшем спиртовом осаждении полисахаридов. Главным моносахаридом, входящим в состав выделенных таким образом пектиновых веществ, является D-галатуроновая кислота, в малых количествах образуется Z-арабиноза и D-галактоза, реже Z-рамноза, D-ксилоза, Z-фукоза и др. Часть остатков уроновых кислот этерифицирована метиловым спиртом [3].
Возможно использование выжимки в качестве компонента ферментационной среды для твердофазной ферментации, так как она содержит высокий уровень углеводов, витаминов, пищевых волокон и многих других жизненно важных питательных веществ, необходимых для роста микроорганизмов, таких как мицелиальные грибы и дрожжи. Продуктами их метаболизма являются: лимонная кислота, молочная кислота, различные ферменты (например, целлюлаза, гемицеллюлаза, Р-глюкозидаза и пектиназа) [1].
Яблочные выжимки - это перспективное сырье для получения биотоплива. Известны способы их ферментативного гидролиза с применением комплекса ферментов, работающих в
синергии. Основными продуктами гидролиза яблочной выжимки являются галактуроновая кислота (78 %), глюкоза (75 %), арабиноза (90 %) и галактоза (87 %). Эти продукты - потенциальное сырье для получения биотоплива и биопрепаратов химического производства [4].
Переработка вторичного яблочного сырья для получения пектиновых веществ обоснована их широким применением в медицине и фармацевтике (производство суспензий, гелей, использование для придания вязкости эмульсиям, связывания ионов тяжелых металлов, лечения ран), косметической (производство масок для лица и гелей) и, главным образом, в пищевой промышленности (производство мармелада, конфитюров, джемов, колбасных изделий, соков, йогуртов др.) [5].
Целью данной работы является исследование влияния ферментных препаратов на гидролиз гликозидных связей в углеводах яблочных выжимок с целью получения пастообразной пектиновой массы.
Для производства продукта с заданными физико-химическими свойствами необходимо разрушить связи в высокомолекулярных углеводах - целлюлозы и гемицеллюлозы для получения низкомолекулярных углеводов - целлобиозы, глюкозы, галактозы, арабинозы, ксилозы и маннозы [6]. Также следует перевести нерастворимую форму пектиновых веществ - протопектин - в растворимую форму. Для достижения результатов целесообразно использование целлюлолитических ферментов.
Исследовали влияние на гидролиз выжимок двух ферментных препаратов (ФП) - бе-та-глюканаза («Микробиопром», Россия) и Viscozyme L. (Novozymes, Дания) при различных дозировках и условиях ферментолиза.
Бета-глюканаза - фермент, катализирующий 1,3- и 1,4-гликозидные связи из ß-глюканов, разбивает макромолекулы вязкого полимера до низковязких изомальтозы и маль-тотриозы. Фермент обладает значительным уровнем побочных активностей к расщеплению гемицеллюлозы, ксиланов и целлюлозы. Оптимум действия рН 4,0-7,0. Ферментная активность 10000 ед./мл.
Viscozyme L. - мультиферментный комплекс, содержащий арабиназу, целлюлазу, ß-глюканазу, гемицеллюлазу и ксиланазу, выделен из гриба Aspergillus sp. Оптимум действия рН 3,3-5,5. Температура 40-50 °C.
Эксперимент проводили на сырых яблочных выжимках с содержанием сухих веществ 19,8 %. Испытывали различные дозировки ФП - 0,25 и 0,5 % к общей массе яблочного сырья и жидкой фазы. Гидролиз вели при естественном рН яблочного сырья, при рН 4,5 для ФП бета-глюканаза и 4,0 для ФП Viscozyme L. (слабый раствор органической кислоты). Параллельно исследовали процесс гидролиза в контрольном образце без добавления фермента при нейтральном рН (дистиллированная вода). Гидролиз проводили при температуре 50 °С на лабораторном шейкере в течение 60 мин. Содержимое колб центрифугировали со скоростью 3500 об/мин и отделяли жидкую фракцию. В полученной жидкой фракции определили содержание сухих веществ термогравиметрическим методом на экспресс-анализаторе OHAUS MB23.
Количество жидкой фракции во всех образцах, полученных в ходе первого эксперимента, было примерно одинаковым и составило порядка 80 г. Условия опытов, а также результаты исследования количества воды и сухих веществ в жидкой фракции образцов представлены в табл. 1.
Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что внесение ФП бета-глюканаза в количестве 0,25 % к общей массе сырья и раствора кислоты не способствует существенному увеличению количества сухих веществ в жидкой фазе (эксперимент № 6). Наиболее глубокого гидролиза удалось добиться при обработке яблочных выжимок ФП бета-глюканаза в количестве 0,5 % в условиях кислой среды (эксперимент № 4).
Визуальная оценка образцов (рис. 1) показала более насыщенный цвет жидких фракций в образцах с применением бета-глюканазы, кроме образца № 5. Видимых изменений в консистенции яблочных выжимок не было обнаружено.
Таблица 1 - Содержание воды и сухих веществ в жидкой фракции, полученной после гидролиза с использованием ФП бета-глюканаза
Номер эксперимента 1(контроль) 2 3 4 5 6
Количество добавленного ФП, % 0 0 0,5 0,5 0,25 0,25
Среда ферментолиза Естеств. pH 5,0 Естеств. pH 5,0 Естеств. pH 5,0
Содержание сухих веществ в жидкой фрак-ции,% 3,9 3,9 3,9 5,4 3,9 4,6
Содержание воды в жидкой фракции, % 96,1 96,1 96,1 94,6 96,1 95,4
Рисунок 1 - Отделенная жидкая фракция исследуемых образцов (гидролиз с ФП бета-глюканаза)
В аналогичных условиях проводили ферментолиз с применением ферментного препарата Viscozyme L. (табл. 2).
Из данных, приведенных в табл. 2, следует, что внесение ФП Viscozyme L. увеличивает содержание сухих веществ. При этом препарат работает как в естественной среде яблочных выжимок, так и в более кислой среде, однако во втором случае можно судить о более глубоком гидролизе, о чем свидетельствуют большее содержание сухих веществ и цвет жидкости в этих образцах (эксперимент № 4, 6).
В данном случае количество жидкой фракции, отделенной после центрифугирования, было различным. В образцах с использованием ФП выделилось на 28 % больше жидкости по сравнению с образцами без его применения (рис. 2).
В этих же образцах заметно осаждение гидролизованных яблочных выжимок, в условиях эксперимента с добавлением 0,5 % ФП осадка образовалось больше (№ 3, 4). Более насыщенный цвет жидких фракций заметен в образцах с применением ФП в условиях кислой среды (№ 4 и 6). Также было выявлено изменение структуры яблочного сырья, образовалась размягченная консистенция. В образцах № 3 и 4 произошла гомогенизация массы выжимок (рис. 3). Аналогичный результат, но с меньшим эффектом заметен в образцах № 5 и 6.
Таблица 2 - Содержание воды и сухих веществ в жидкой фракции, полученной после гидролиза с использованием ФП Viscozyme L._______
Номер эксперимента 1(контроль) 2 3 4 5 6
Количество добавленного ФП, г 0 0 0,25 0,25 0,125 0,125
Среда ферментолиза Естеств. pH 4,0 Естеств. pH 4,0 Естеств. pH 4,0
Содержание сухих веществ в жидкой фракции, % 4,8 4,8 6,3 7,0 5,8 6,5
Содержание воды в жидкой фракции, % 95,2 95,2 93,7 93,0 94,2 93,5
Рисунок 2 - Отделенная жидкая фракция исследуемых образцов (гидролиз с ФП Viscozyme L.)
Рисунок 3 - Исследуемые образцы после ферментолиза
Результаты исследования позволяют сделать вывод о возможности применения ферментного препарата Viscozyme L. для получения пастообразной пектиновой массы из вторичного яблочного сырья, поскольку требуется внесение небольшого количества фермента к массе сырья для размягчения выжимки до необходимой консистенции, а также проявления активности при естественном pH сырья. Применение ферментного препарата бета-глюканаза требует внесения как большого количества его к массе сырья, так и кислоты для лучшего протекания реакции гидролиза, что в масштабах производства является экономически нецелесообразным. Поэтому, несмотря на то, что ФП Viscozyme L. зарубежного производства, его использование является более выгодным и эффективным. В дальнейшем возможно уменьшение дозировки ферментного препарата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Camila A. Perussello, Zhihang Zhang, Antonio Marzocchella, Brijesh K. Tiwari Valorization of Apple Pomace by Extraction of Valuable. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2017, vol.16, i. 5, pp. 776-796. DOI: 10.1111/1541-4337.12290
2. Перфилова, О. В. Яблочные выжимки как источник биологически активных веществ в технологии продуктов питания / О. В. Перфилова // Новые технологии. - 2017. - № 4. - С. 65-71.
3. Химия углеводов / Н. К. Кочетков [и др]. - Москва: Химия, 1967. - 674.
4. Repson Gama, J. Susan van Dyk, Brett Ivan Pletschke Optimisation of enzymatic hydrolysis of apple pomace for production of biofuel and biorefinery chemicals using commercial enzymes. 3 Biotech, 2015, vol. 5(6), pp 1075-1087. DOI: 10.1007 / s13205-015-0312-7.
5. Чалдаев, П. А. Применение яблочных выжимок для производства продуктов питания / П. А. Чалдаев, А. Ю. Свечников // Пищевая промышленность. - 2014. - № 4. - С. 4041.
6. Петров, К. П. Методы биохимии растительных продуктов: учеб. пособие / К. П. Петров. - Киев: «Вища школа», 1978. - 224 с.
STUDY OF THE PROCESS OF ENZYMATIC HYDROLYSIS OF CARBOHYDRATES OF
SECONDARY APPLE RAW MATERIALS
I. M. Nigmatullina, student, e-mail: ida7991@gmail.com S. V. Agafonova, PhD. tech. Sciences, docent, e-mail: svetlana.agafonova@klgtu.ru Kaliningrad State Technical University
Possible ways of processing Apple pomace are described. The effect of two enzyme preparations beta-glucanase and Viscozyme L. on the hydrolysis of complex carbohydrates of Apple pomace at different dosages and conditions of reactions in order to obtain a product with specified physical and chemical properties was studied. The optimal conditions for enzymatic hydrolysis of Apple pomace to obtain a paste-like mass were experimentally determined.
apple pomace, Apple paste, secondary Apple raw materials, enzymatic hydrolysis, pectin substances
