CC BY
14
УДК 664.151.3
Бонарева В.К., Хабибулина Н.В., Красноштанова А.А.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ НА УГЛЕВОДНУЮ СОСТАВЛЯЮЩУЮ СОЕВОЙ МЕЛАССЫ НОВОГО ТИПА
Бонарева Вера Константиновна, студентка 3 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии;, Хабибулина Наталья Викторовна, кандидат технических наук, ведущий инженер кафедры биотехнологии, email: ernestine@yandex.ru;
Красноштанова Алла Альбертовна, доктор химических, доцент, профессор кафедры биотехнологии, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Подобраны оптимальные условия ферментативной обработки соевой мелассы нового типа. Показано, что наиболее эффективное расщепление полисахаридов субстрата с высвобождение простых сахаров наблюдается под действием ферментного препарата Целлолюкс А. Изучено влияние ферментативного гидролиза на реологические свойства исходного сырья.
Ключевые слова: соевая меласса, ферментные препараты, углеводы, гидролиз, вязкость
STUDYING OF THE EFFECT OF ENZYMATIC TREATMENT ON CARBOHYDRATES OF SOY MOLASSES OF A NEW TYPE
Bonareva V.K, Khabibulina N.V., Krasnoshtanova A.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The optimal conditions for the enzymatic treatment of soy molasses of a new type were selected. It is shown that the most effective degradation of substrate polysaccharides with the release of simple sugars is observed under the action of the enzyme preparation Cellolux A. The effect of enzymatic hydrolysis on the rheological properties of the feedstock has been studied.
Keywords: soy molasses, enzymes, carbohydrates, hydrolysis, viscosity
Введение
Традиционный способ получения концентрата белка сои предполагает экстракцию соевой муки водно-спиртовыми растворами. На стадии вакуум-выпаривания экстракта образуется отход - соевая меласса, представляющая собой коричневый сироп с содержанием сухих веществ от 45 % до 70 %. Сухие вещества представлены углеводами, фосфолипидами, белками,
минеральными компонентами. Углеводы
представлены моносахаридами, олигосахаридами раффинозы и стахиозы [1 - 3].
Применение соевой мелассы возможно в различных отраслях промышленности, прежде всего - кормопроизводство, микробиологическая отрасль, улучшение здоровья за счет наличия в соевой мелассе компонентов, способных
интенсифицировать рост пребиотических штаммов, а также других биологически активных веществ. В составе соевой мелассы - небольшое количество моносахаридов, ди- и олигосахариды, полифенольные соединения (например,
изофлавоноиды), ингибиторы пищеварительных ферментов, фосфолипиды и фенольные кислоты. Таким образом, благодаря богатому биохимическому составу,она может рассматриваться как богатый источник нутрицевтиков, являющихся полезными для профилактики и лечения различных патологических состояний. Кроме того, компоненты соевой мелассы представляют большую ценность для местного наружного применения и в косметических целях [4, 5].
Основным компонентов питательной среды для большинства микроорганизмов являются углеводы, по этой причине как в лабораторной практике, так и в промышленном производстве и различных биотехнологических процессах (в производстве ферментов, антибиотиков,
аминокислот и др.), используют моносахариды (глюкозу, фруктозу), дисахариды (сахарозу, лактозу, мальтозу) и другие углеводы. Однако углеводы в очищенной форме достаточно дороги, в связи с чем при приготовлении питательных сред для культивирования микроорганизмов ведется поиск альтернативных источников углерода, то есть индивидуальные углеводы заменяют более доступными по стоимости продуктами: отходами крахмало-паточного производства (меласса, гидрол), гидролизатами торфа и растительных отходов, побочными продуктами молочной промышленности и др. В качестве субстрата для роста микроорганизмов меласса может быть использована для получения микробного белка [6], молочной и лимонной кислот [7], культивирования бифидобактерий с целью получения пробиотических препаратов [8], биоэтанола и биобутанола. В настоящее время интенсивно развиваются технологии производства автомобильного топлива -биоэтанола - из углеводсодержащего сырья и биодизеля - из масличных культур [9, 10].
Помимо традиционной водно-спиртовой экстракции, соевая меласса может быть получена по технологии ЗД-экстракции. Данная технология заключается в формировании объемно-пористых
гранул из соевого сырья с последующей экстракцией низкомолекулярных водорастворимых компонентов чистой водой [11, 12]. Вследствие использования иного метода предподготовки сырья, а также другого экстрагента, углеводный состав соевой мелассы нового типа отличается от традиционного другим углеводным профилем, который, помимо моно-, ди- и олигосахаров включает водорастворимую часть некрахмалистых соевых полисахаридов (гемицеллюлозы, пектиновые вещества).
Таким образом, целью данной работы явилось изучение изменения углеводного профиля соевой мелассы нового типа под действием гидролитических ферментных препаратов.
Методики
В качестве объекта исследования в работе использовали соевую мелассу, полученную методом водной промывки ЗД-гранул производства ЗАО «Партнер-М». Ферментативную обработку проводили с использованием ферментных препаратов отечественного и импортного производства в оптимальных условиях (температура, рН) для каждого препарата индивидуально. Использовали такие ферментные препараты, как трансглюкозидазу L-2000, Ладозим, Veron BA, Rohalase Barley, Rohalase SEP, Целлолюкс А в различных концентрациях.
Определение количества общих сахаров проводили фенол-серным методом. Определение количества редуцирующих сахаров проводили модифицированным методом Бертрана. Титрование смешанного раствора Фелинга пробой проводили как исходным раствором, так и после гидролиза 1н соляной кислотой в соотношении 1:1 (проба:соляная кислота) в течение 10-60 минут. Для калибровки использовали глюкозу, сахарозу, раффинозу, крахмал и пектин.
Кинематическую вязкость измеряли на капиллярном вискозиметре типа ВПЖ-2 с внутренним диаметром капилляра 0,99 мм. Хроматографические исследования проводили с использованием жидкостного хроматографа Agilent 1220 с рефрактометрическим детектором. Экспериментальная часть
На первом этапе работы необходимо было выбрать ферментный препарат, обеспечивающий наибольшее накопление простых сахаров после ферментативного гидролиза. Предварительные исследования показали, что наибольшей обладают препараты Ладозим, и Целлолюкс А. Накопление сахаров в зависимости от продолжительности предобработки с соляной кислотой представлено на рис. 1.
эффективностью Rohalase Barley редуцирующих
а)
в)
Исходный субстрат Целлолюкс А 1% Целлолюкс 2%
0 20 40 60
продолжительность гидролиза с 1нНС1
Рисунок 1. Накопление редуцирующих сахаров по модифицированному методу Бертрана до и после ферментативной обработки с использованием различных ферментов: а) Ладозим, б) Rohalase Barley, в) Целлолюкс А.
Исходя из полученных данных, при использовании ферментного препарата Целлолюкс А в концентрации 2% от субстрата концентрация редуцирующих веществ при 60 минутах обработки соляной кислотой достигает 2,4 г/л, что составляет 37% от сухих веществ субстрата. В ходе выполнения
работы также установлено, что при проведении ферментативных обработок содержание общих сахаров остается постоянным, то есть происходит только изменение содержания отдельных углеводных фракций, но не их общего количества.
Данные хроматографического исследования подтверждают полученные результаты. Содержание глюкозы после проведения ферментативной обработки в подобранных условиях увеличивается на 5,38%, фруктозы - на 0,85%, сахарозы - на 9,78%. Общее содержание суммы глюкозы, фруктозы и сахарозы увеличивается на 16% по сравнению с исходным субстратом.
концентрация сухих веществ, %
Рисунок 2. Изменение вязкости соевой мелассы до и после гидролиза при различной концентрации сухих веществ
На следующем этапе изучали влияние ферментативного гидролиза Целлолюксом А на реологические свойства субстрата при различных начальных концентрациях соевой мелассы (рис. 2). Установлено, что проведение ферментативного гидролиза приводит к резкому снижению вязкости соевой мелассы во всем исследованном диапазоне концентраций, причем эффективность
ферментативной обработки с точки зрения высвобождения свободных сахаров не снижается существенно вплоть до концентрации сухих веществ в субстрате на уровне 25%.
Также было исследовано изменение реологических свойств соевой мелассы в динамике при проведении ферментативного гидролиза при концентрации субстрата 17,5% сухих веществ. Показано, что наиболее существенное снижение вязкости наблюдается в течение первых 2 часов гидролиза и достигает минимума при продолжительности процесса 6 часов. Изменение реологических свойств связано с расщеплением полисахаридных компонентов соевой мелассы, в том числе гемицеллюлаз, в негидролизованном состоянии поддерживающих вязкую консистенцию субстрата.
Выводы:
1. Подобраны оптимальные условия
ферментативного гидролиза для расщепления полисахаридов соевой мелассы нового типа (Целлолюкс А, 2% от субстрата, 6 часов),
обеспечивающее максимальное накопление простых сахаров.
2. Установлено, что в подобранных условиях возможно проведение эффективного гидролиза вплоть до содержания сухих веществ в субстрате 2025%, что приводит к снижению вязкости соевой мелассы в 2,6 раза.
Список литературы
1. N. Qureshi, A. Lolas, A. Blaschek, Soy molasses as fermentation substrate for production of butanol using Closridium beijerimkii//Journal of industrial Microbiology and biotechnology. - 2011. - № 26. - P. 290 - 295.
2. Ralph L. Obendorf et al., Soluble Oligosaccharides and Galactosyl Cyclitols in Maturing Soybean Seeds In Planta and In Vitro//Crop. Science/ - 1998. - vol. 38. - P. 78-84.
3. Patent US005871743A. Topical application of soy molasses / Daniel Chajuss // 1999. February 16.
4. Pat. № WO 1997007811 A1. A novel use of soy molasses / D. Chajuss // 1997. March 03.
5. A. Miletic at al., The soybean molasses in diets for dairy cows // Mljekarstvo. - 2017. - №67(3). - P. 217225.
6. K. Spalvins, K. Ivanovs and D. Blumberga. Single cell protein production from waste biomass: review of various agricultural by-products// Agronomy Research. - 2018. - Volume 16(S2). - P. 1493-1508.
7. Jiang Yangjuan, Xu Li, Chen Meisi et al., Lactic Acid Production by Fermentation of Soybean Molasses with Lactic Acid Bacteria and Carbohydrate Metabolism//Food Science. - 2018. - Volume 39, Issue 6. - P. 130-134.
8. Edward Farnworth, Nancy Gardner, Growth of probiotic bacteria and bifidobacteria in a soy yogurt formulation// International Journal of Food Microbiology. - 2007. - №116(1). - P. 174-181.
9. Luis A.J. Letti et al., Ethanol production from soybean molasses by Zymomonas mobilis// Biomass And Bioenergy. - 2012. - Vol. 44. - P. 80-86.
10. Lucas Caldeirao et al., Modeling and kinetic study of bio-ethanol production from soy protein concentrate by-product// Food Science and Technology. - 2016. -Volume 36, №2. - P. 369-374.
11. Пономарев В. В., Бикбов Т. М. Белковый концентрат и способ его производства // Патент РФ № 2406372, 2010. — МПК: A 23 J 3 14.
12. Пономарев В. В., Бикбов Т. М. Концентрированные белковые продукты и способ их производства // Патент РФ № 2409971, 2011. — МПК: A 23 J 3 00.
