Получение мальтознои и глюкознои паток из некоторых видов крахмалов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 664.23:631.147 В.В. Аксёнов, А.В. Максименко, Е.А. Фёдорова

ПОЛУЧЕНИЕ МАЛЬТОЗНОЙ И ГЛЮКОЗНОЙ ПАТОК ИЗ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ КРАХМАЛОВ

Работа посвящается сравнению кислотного и ферментативного способов гидролиза крахмалов и получению глюкозной и мальтозной паток из местных видов крахмала с использованием различных способов интенсификации процессов биоконверсии крахмалов. Для интенсификации двойного ферментативного гидролиза крахмалов использовались газовихревой способ перемешивания и электроактивированные растворы, получаемые методом электродиализа.

Сегодня во многих промышленно развитых странах тростниковый и свекловичный сахар при производстве различных пищевых продуктов все больше замещается сахаристыми продуктами, вырабатываемыми из растительного крахмалосодержащего сырья. По разным оценкам, это замещение составляет от 30 до 50% объема рынка сахара в зависимости от степени развитости переработки крахмала в сахаристые крах-малопродукты в этих странах.

Производство крахмала в таких странах базируется на переработке местных видов крахмалосодержащего сырья. В странах Евросоюза таким сырьем служат картофель, пшеница, отчасти кукуруза, на американском континенте - это исключительно кукуруза, странах Юго-Восточной Азии - главным образом маниок и рис.

Для России, по нашему мнению, наиболее перспективными промышленными источниками крахмалов могли бы быть такие зерновые крахмалоносы, как фуражная пшеница, рожь, ячмень.

Таблица 1

Химический состав основных видов крахмалосодержащего сырья [1-8]

Компонент Корнеклубнеплод, % к общей массе Зерновые и зернобобовые, % к СВ*

Карто- фель Маниок Куку- руза Сорго Яч- мень Рожь Пше- ница Рис Горох

Вода 75-78 70,3-72,5 - - - - - - -

Крахмал 14,0-18,5 19,0-21,5 67-76 58-76 56-68 57-66 58-76 64-77 47-50

Протеины 1,9-2,1 1,1-1,4 9-13 10-14 11-13 7-13 10-25 8,7-8,9 25-32

Клетчатка 1,1-1,4 1,1-1,2 2,5-3 1,5-3,5 1,9-6,3 2,2-2,8 2,2-3,5 9,4-9,8 5-7

Пентозаны 0,6-0,8 4,4-4,5 2,1 -2,3 9-12 9-11 5-8 1,5-1,7 -

Сахара 0,4-0,6 4,5-5,1 2,5-3,5 3-5 3-5 3-6 3,2-4,3 3,2-3,6 -

Жиры 0,2-0,3 0,3-0,4 4,5-7 3-6 1,7-2,2 1,7-2,2 1,7-2,3 2,0-2,2 1,3-2,9

* СВ - сухие вещества.

Крахмал является стратегическим сырьем, превосходящим по своему промышленному значению нефть. Он широко используется в пищевой промышленности, входя в состав более семи тысяч продуктов, в целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей, текстильной, сталелитейной, фармацевтической и ряда других отраслей. Следует отметить, что сферы применения крахмалов постоянно расширяются. Так, например, на основе крахмалов можно получать кровезаменители, которые индифферентны к группе крови человека и не заражены опасными вирусными заболеваниями, такими, как СПИД, гепатит и т.п. Последние достижения по использованию крахмалопродуктов - это получение на их основе биоразлагаемых полимеров [9].

Первое место по объемам производимого крахмала принадлежит кукурузному крахмалу, который занимает около 74% всего рынка крахмалов. Далее идут тапиоковый (маниоковый), картофельный и пшенич-

ный крахмалы, на долю каждого приходится 3-5% [10]. В Юго-Восточной Азии также выпускается незначительное количество рисового крахмала, который занимает менее 1% рынка крахмала. Ржаной, сорговый, ячменный и гороховый крахмалы на рынке отсутствуют. Это обусловлено многими причинами: агрономическими, техническими, экономическими и даже политическими.

Кукуруза в благоприятных условиях дает высокие урожай, и ее переработка имеет высокий уровень рентабельности. Помимо крахмала из кукурузы выделяют масло, получают кормовые добавки и глютен. В России товарная кукуруза выращивается главным образом в Южном федеральном округе.

При получении пшеничного крахмала кроме масла зародышей пшеницы и отрубей выделяют нативную клейковину, которая является ценным белковым продуктом. Пшеничный крахмал, однако, сильно загрязнен белковыми соединениями, от которых достаточно трудно избавиться. Эти примеси отрицательно влияют на ферментативный гидролиз крахмала при получении патоки, значительно снижая выход конечного продукта, увеличивая цветность и загрязненность готовой продукции белковыми примесями.

Картофельный крахмал по сравнению с зерновыми крахмалами является самым дорогим крахмалом, но с другой стороны он дает самые прозрачные и прочные клейстеры. Это обусловлено наличием незначительного количества белковых и липидных примесей в товарном крахмале. Основные производители картофельного крахмала: Германия, Бельгия, Голландия, Республика Беларусь.

На наш взгляд, рентабельным промышленным крахмалоносом могла быть рожь, особенно для регионов Уральского, Сибирского и Дальневосточного регионов России.

Рожь содержит до 70% крахмала, дает высокие и стабильные урожаи в этих регионах, является хорошим предшественником для многих сельскохозяйственных культур. В связи с тем, что рожь является озимой культурой, ее посев не связан с пиковыми нагрузками в период посевной и уборочной страды, и уборка идет на 2-3 недели раньше, чем пшеницы.

30

25

га 20

5

X

а

15

о

аэ

Ї

й 10 п

5

о

а

с

5

0

2

3

4

5

□ 1985г. □ 1995г.

Мировое производство различных типов крахмала:

1 - кукуруза; 2 - маниок; 3 - пшеница; 4 - картофель; 5 - рис, батат и др.

Одним из крупных по объемам переработки крахмалов является их биоконверсия крахмалов в патоки различного назначения, а также глюкозу и глюкозно-фрутозные сиропы.

Из трех существующих способов гидролиза крахмалов: кислотного, кислотно-ферментативного и двойного ферментативного - последний является наиболее перспективным как с экономической, так и с экологической точек зрения. Это подтверждается сведениями, приведенными в таблице 2.

Таблица 2

Сравнительный анализ кислотного и ферментативного способов гидролиза крахмалов

Кислотный гидролиз

Достоинства Недостатки

Относительная дешевизна и доступность катализатора. Хорошая фильтруемость гидролизатов Плохая контролируемость гидролиза. Загрязнение гидролизатов продуктами реверсии. Загрязнение конечного продукта ядовитыми соединениями (метилфурфурол, фурфурол, оксиме-тилфурфурол). Сильное окрашивание гидролизатов. Неполное осахаривание крахмала. Экологическая опасность процессов. Увеличение зольности гидролизатов. Затрудненный процесс кристаллизации глюкозы. Перевод белковых примесей в растворимое состояние, загрязнение патоки белками. Узкий ассортимент получаемых паток

Ферментативный гидролиз

Достоинства Недостатки

Хорошая управляемость процессом гидролиза. Направленность и специфичность воздействия катализатора. Минимальное количество побочных продуктов реверсии и гидролиза. Высокая чистота гидролизатов. Прозрачность растворов патоки. Высокий выход конечного продукта. Экологическая чистота процесса гидролиза. Более лучшие технико-экономические показатели. Возможность получения широкого ассортимента продукции. Проведение процесса гидролиза в мягких условиях (низкая температура, нормальное давление Относительная дороговизна катализатора. Недостаточно хорошая фильтруемость гидролизата

При сравнении кислотного и ферментативного способов гидролиза крахмалов видно, что ферментативный гидролиз обладает рядом значимых преимуществ, главными из которых являются получение экологически безопасной продукции, высокий выход продуктов, хорошая управляемость процессом, чего при кислотном гидролизе добиться невозможно. Это также подтверждается данными таблицы 3 и доказывает, что наибольшая конверсия крахмалов достигается при двойном ферментативном гидролизе. Получаемые продукты содержат меньшее количество растворимых протеинов, неорганических примесей и вредных соединений, а также являются более прозрачными, что очень важно для потребителей.

Таблица 3

Показатели качества глюкозной патоки, полученной различными способами гидролиза [3]

Показатель Кислотный Кислотно- ферментативный Двойной ферментативный

Содержание РВ, % на СВ 91,0 95,0 98,0

Глюкоза, % на СВ 86,0 93,0 97,0

Зола, % на СВ 1,60 0,4 0,1

Протеин, % на СВ 0,08 0,08 0,1

5-оксиметилфурфурол, % на СВ 0,30 0,08 0,03

Цветность, при 2оБоме 10,0 0,3 0,2

Примечание: РВ - редуцирующие вещества, СВ - сухие вещества.

В настоящее время наиболее востребованными на рынке сахаристых продуктов являются мальтозная и глюкозная патоки.

Мальтозная патока широко применяется для полной или частичной замены сахара при выработке хлебобулочных изделий, фруктовых и молочных консервов, пива, плодово-ягодных вин и других пищевых продуктов.

Из глюкозной патоки выделяется кристаллическая глюкоза. Глюкоза сама по себе является важным продуктом и широко используется в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности. В США, Японии, Таиланде развито производство глюкозно-фруктозных сиропов (ГФС), получаемых путем изомеризации глюкозы во фруктозу [11].

Целью настоящей работы было получение глюкозных и мальтозных паток из местного крахмалосодержащего сырья (пшеничного и ржаного крахмалов), а также поиски путей интенсификация ферментативного гидролиза крахмалов физическими методами.

В последнее время все более широко в производстве внедряются различные методы физических воздействий с целью интенсификации химических и биологических процессов.

Из известных физических методов, применяемых для интенсификации химических и биохимических процессов, нами в первую очередь были использованы механические и электрохимические методы.

Так, при механическом способе интенсификации процесса ферментативного гидролиза крахмалов был использован газовихревой способ перемешивания реакционных смесей вместо классического механического способа перемешивания.

Экспериментальная часть. Проведенные эксперименты выполнялись по следующей схеме. Крахмал (кукурузный, пшеничный или ржаной) размешивали с растворителем (дистиллированная вода рН 4,55,0 или электроактивированный раствор), после этого добавляли рассчитанное количество промышленного препарата, содержащего а-амилазу (амилосубтилин ЕА-1300 (глюкозная патока) или Liquozyme Supra NBPG0028 производства «novozymes» (мальтозная патока)), и загружали в газовихревой реактор. Нагревали до 90-92оС и выдерживали в течение 0,5-2 ч в зависимости от конечного продукта. Затем охлаждали до 60-62оС и добавляли рассчитанное количество промышленного препарата, содержащего глюкоамилазу (глюка-ваморин, ЕА-5000 (глюкозная патока) или Dextrozyme DX NCNP3008 производства «novozymes» (мальтозная патока)) и продолжали гидролиз в том же режиме в течение 72 ч. На протяжении всего эксперимента через определенные промежутки времени отбирались пробы для определения состава реакционной смеси.

Оперативный контроль динамики биоконверсии полисахаридов осуществляли методом ВЭЖХ на хроматографе фирмы Bruker (Германия).

Глубина протекания гидролиза крахмалов определялась по содержанию в реакционной смеси углеводов: моноуглевода - глюкозы, диуглевода - мальтозы.

Таблица 4

Влияние реакционной среды на скорость ферментативного гидролиза некоторых видов крахмала

№ п/п Продолжительность, ч Выход углеводов, % Вид крахмала Примечание

Глюкоза Мальтоза

Глюкозная патока

1 24 95 - Ржаной Обычная среда

2 16 99 - Ржаной Электроактивирован-ная среда

3 49 94 - Пшеничный Обычная среда

4 22 96 - Пшеничный Электроактивирован-ная среда

М альтозная патока

5 45 23 51 Кукурузный Обычная среда

6 25 18 58 Кукурузный Электроактивирован-ная среда

7 60 26 48 Пшеничный Обычная среда

8 38 20 59 Пшеничный Электроактивирован-ная среда

Проведенные исследования показали, что самый высокий выход глюкозы получается при использовании электроактивированной среды, который составил 96-99%. При этом сократилось время гидролиза в

1,5-2 раза. Подобное наблюдается и при получении мальтозной патоки. Самый высокий выход мальтозы -

58-59% - при использовании электроактивированной среды, и время биоконверсии также сокращается в

несколько раз. Таким образом, целесообразно, экономично и эффективно использовать электроактивиро-

ванную среду для получения мальтозной и глюкозной паток путем биоконверсии различных видов крахмала.

Литература

1. Андреев, Н.Р. Структура, химический состав и технологические признаки основных видов крахмалосодержащего сырья / Н.Р. Андреев, В.Г. Карпов // Хранение и переработка с.-х. сырья. - 1999. - №7. -С. 30-33.

2. Козьмина, Н.П. Биохимия зерна и продуктов его переработки / Н.П. Козьмина. - М.: Колос, 1976. - 520 с.

3. Технология крахмала и крахмалопродуктов / Н.Н. Трегубое [и др.]. - М.: Легкая и пищевая пром-сть,

1981. - 472 с.

4. Anthology of starch granule morphology by scanning electron microscopy / J.-L. Jane [and oth.] // Starch. Stqrke. - 1994. - V.46. - P. 121-129.

5. Composition and microstructure of waxy, normal and high amilose barley samples / M. Oscarson, T. Parkkonen, K. Autio, Р. Aman // J. Cereal Sci. - 1997. - V. 26. - P. 259-264.

6. Sahai, D. Structural and chemical Properties of Native Corn Starch Granules / D. Sahai, D.S. Jackson // Starch.

Stqrke. - V.48. - 1996. - №7/8.

7. Tester, R.F. Swelling and gelatinization of cereal starch / R.F. Tester, W.R. Morrison // Cereal Chem, 1990. -67. - P. 558-563.

8. Winstler, R.L. Starch chemistry and technology.-2nd Ed. / R.L. Winstler, J.N. Be Miller, E.F. Pashall. - New York: Academic Press, 1984. - 718 p.

9. Фомин, В.А. Биоразлагаемые полимеры, состояние «перспективы использования» / В.А. Фомин, В.В. Гузеее // Пластические массы. - 20О1. - №2. - С. 42-46.

10. Андреев, Н.Р. Основы производства нативных крахмалов / Н.Р. Андреев. - М.: Пищепромиздат, 2001. -289 с.

11. Нахапетян, Л. Получение глюкозно-фруктозных сиропов из крахмалосодержащего сырья / Л. Нахапе-тян, И.И. Меняйлова // Биотехнология. - 1988. - Т.4. - №5. - С. 564-574.

-----------♦--------------

УДК 637. 146. 3: 641. 85 И.В. Мацейчик, Т.А. Лебедева

ВЛИЯНИЕ ЯГОДНЫХ И ОВОЩНЫХ ПОРОШКОВ ИК-СУШКИ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТВОРОЖНОГО ДЕСЕРТА

В работе представлена пищевая ценность порошков ИК-сушки: клюквенного, облепихового, свекольного и тыквенного. Доказано, что введение ягодных и овощных порошков улучшает реологические и органолептические показатели творожных десертов. Снижается их плотность за счет пектиновых веществ овощей и органических кислот ягод, которые способствуют пенообразованию. Десерты приобретают цвет, вкус и аромат натуральных ягод и овощей, повышается их пищевая ценность.

В настоящее время предприятия молочной промышленности выпускают достаточно большой ассортимент комбинированных молочных продуктов. Приоритетным направлением в этой области является использование отдельных продуктов или композиций, полученных из местного растительного сырья.

В данной работе при производстве творожных десертов в качестве поливитаминной функциональной добавки использовались клюква, облепиха, свекла и тыква.

Плодовые, ягодные и овощные культуры занимают значительную долю в рационе питания населения, являясь источником целого ряда необходимых организму веществ, прежде всего, витаминов, клетчатки и минеральных элементов [1].