CC BY
467
ния разрушающих усилий к семянке подсолнечника. По нашему мнению, уменьшение механической прочности плодовой оболочки семянок подсолнечника является результатом изменения ее химического состава, а также морфологического строения при селекции на высокую масличность.
Из результатов наблюдений следует, что плодовые оболочки высокомасличных семянок подсолнечника менее прочны и разрушаются при меньших усилиях. Однако степень разнокачественно-сти семянок по прочности плодовых оболочек сохраняется, и поэтому в семенной массе встречаются семянки, требующие для своего разрушения относительно небольших усилий. Можно предположить, что плодовая оболочка таких семянок, если не учитывать недоразвитые, уже подвергалась механическому воздействию при уборке и имеет микротрещины, ослабляющие ее механическую прочность. Очевидно, в ходе послеуборочной обработки и транспортировании такие семянки травмируются в первую очередь. Уменьшение разрушающих
усилий у высокомасличных семянок подсолнечника свидетельствует о необходимости уменьшения или исключения механических (повреждающих) факторов в процессе технологической обработки семян.
Сохранение механической целостности семянок подсолнечника и их тканей перед закладкой на хранение позволило бы значительно увеличить их устойчивость к внешним повреждающим факторам и сохранить их технологическое качество.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ключкин В.В, Прочность плодовых оболочек высокомасличных семян подсолнечника / / Маслобойно-жировая пром-сть. — 1958. —• № 9. — С. 12.
2. Влияние покровных тканей на технологические свойства семян подсолнечника / Кудинов II.И.: Ред. журн. «Изв. вузов. Пищ. технолог.» — Краснодар, 1989. — 175 с. — Рус. ■— Деп. в АгроНИИТЭИпищепром,
Кафедра биохимии и технической микробиологии
Поступила 25,02.92
665.1.01+577.15.024
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МАСЛО-ЖИРОВОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
О.В. КИСЛУХИНА, В.Д. НАДЫКТА,
Н.М. МИНАСЯН
Московский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт пищевой промышленности Кубанский государственный аграрный университет Северо-Кавказский филиал НПО «Масложирпром»
Развитие сырьевой и производственной базы пищевой промышленности в значительной мере опирается на достижения биотехнологии. Пищевая биотехнология использует ферментные препараты и ферментные системы микроорганизмов в процессах производства пищевых продуктов. Ферментативные процессы — основа таких производств, как пивоварение, виноделие, сыроделие, хлебопечение, получение спирта и пищевых органических кислот; В последние десятилетия созданы принципиально новые технологические процессы с использованием ферментов: производство глюкозофрук-тозных сиропов из крахмала, глюкозогалактозных сиропов из молочной сыворотки, этанола из целлюлозосодержащего сырья.
Особое положение занимает масло-жировая промышленность, В технологию жиров не могут быть непосредственно перенесены достижения пищевой биотехнологии в других отраслях, поскольку ферментативные процессы в жирах и масличном сырье существенно отличны от протекающих в водных системах, например, при получении продуктов брожения. Сложность проведения биокатализа в гетерогенных системах и разделения фаз на завершающих стадиях технологии явилась причиной того, что серьезные достижения в применении ферментативных процессов в масло-жировом производстве появились лишь в последнее десятилетие.
Среди задач, которые могут быть решены биотехнологией жиров, выделяются две группы: модификация жиров (гидролиз, синтез, трансэтерифи-кация) и извлечение масел из растительного сырья. Первая группа задач решается с помощью ферментов липаз, которые могут использоваться как для расщепления, так и для синтеза липидов. Вторая требует привлечения широкого арсенала гидролитических ферментов для воздействия на структуры, маскирующие масла в растительном сырье.
. Гидр ность л глицерр
НЫХ ГЛ1
продую Ферї жет пр< центра! Г идрол: фаз, и сти >ки живаю' также эмулъг; и кони
СТИМ с
не выз: но под здание персии реакци Фер ски вь твердої
35" С 250-2 степей сэконо преим; внедре Возрос процес ного а няться мер, і жиров ния Э1< ции ж химич ществі ров 6і
НИИ гг
По/
атомої
эффек
таких
тромбі
ПОЛИН
питан
насып
МОЩЬЇ
ЖК, і
пазойї
1ечни-
ления
ощих)
|ботки
мянок ой на 1ТЬ их торам
экомас-
:ировая
!ойства . «Изв. 5 с. -
и
5.024
я пробыть девой фер-:ырье >дных з бро-гете-:рша-того, змен-цстве
био-лоди-ифи-)фья. )мен-;< для горая золи-укту-е.
ПРОЦЕССЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖИРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИПАЗ
Гидролиз жиров. Гидролитическая способность липаз используется в процессах получения глицерина и жирных кислот, для удаления неполных глицеридов из масел, ароматизации пищевых продуктов и напитков.
Ферментативный гидролиз жиров липазами может проходить лишь при достаточно высокой концентрации воды в бинарной системе жир—вода. Гидролиз жиров происходит на границе раздела фаз, и скорость его зависит от степени дисперсности жира. Высокую степень дисперсности поддерживают перемешиванием реакционной среды, а также добавлением эмульгаторов. Применение эмульгаторов требует тщательного выбора их вида и концентрации Эмульгатор должен быть совместим с липазой, т.'е. не снижать ее активности, и не вызывать образования стойких эмульсий, трудно поддающихся разделению Другой путь создание однородных систем замораживанием дисперсии липидов в растворе фермента и проведение реакции гидролиза в твердой фазе.
Ферментативный гидролиз жиров энергетически выгоднее термического, но ненамного Так, твердофазный процесс гидролиза жиров при 30— 35° С в сопоставлении с термическим — при 250—260° С и давлении 55 кг/см^, при равной степени гидролиза субстрата (98—99%) позволяет сэкономить 20% энергии [1]. Долгие годы такое преимущество не побуждало к промышленному внедрению ферментативного гидролиза жиров. Возросший в последнее время интерес к этому процессу объясняется тем, что он не требует сложного аппаратурного оформления и может применяться на мелких и средних предприятиях, например, мыловаренных. Ферментативный гидролиз жиров предпочтительнее химического с точки зрения экологии. Кроме того, он не вызывает деградации жирных кислот ЖК, как это имеет место при химическом гидролизе. Однако основным преимуществом считают возможность получения из жиров биологически активных ЖК при использовании позиционно специфичных липаз.
Полиненасыщенные ЖК с числом углеродных атомов более 20, например, эйкозопентаеновая, эффективны при лечении возрастных заболеваний, таких как атеросклероз, инфаркты сердца и мозга, тромбоз и связанные с ним болезни Препараты полиненасыщенных ЖК используют в лечебном питании пожилых людей. Для выделения полиненасыщенных ЖК очищенный рыбий жир с помощью этанолиза превращают в смесь этиловых ЖК, на которую затем воздействуют грибной липазой, не гидролизующей эфиры полиненасыщен-
ных ЖК. При этом эфиры других ЖК расщепляются с образованием свободных ЖК, которые после омыления отделяют и получают концентраты этиловых эфиров полиненасыщенных ЖК [1].
Исследованы процессы гидролиза масел и жиров растворимыми и иммобилизованными микробными липазами.
Грибные позиционно неспицифичные липазы из А. гидег и С. г'^оза гидролизуют оливковое, кокосовое. масла и животный жир в системе, содержащей 67—72% воды , при pH 5. Процесс соответствует кинетике реакций первого порядка. При комнатной температуре кокосовое масло гидролизуется липазой С. rigosa на 35—85% в зависимости от концентрации липазы, изменяющейся в пределах от 3 до 30 ед/мэкв масла. На скорость липолиза не влияет температура в пределах 26—46° С. Оливковое масло расщепляется несколько быстрее, чем кокосовое масло и жир. Липаза А. п!дег гидролизует кокосовое масло за 16 ч при комнатной температуре на 64—98% при концентрации липазы от 29 до 293 ед/мэкв масла. Значительно медленнее гидролизует субстраты 1,3—специфичная липаза /?. аггЫгиь. Фермент полностью превращает триглицериды в глицерин и ЖК, однако реакция лимитируется неферментативной изомеризацией нерас-щепляемых 2—МГ в 1—МГ и 1,2—ДГ в 1,3—ДГ. При концентрации липазы 23 ед/мэкв масла оливковое масло за 16 ч расщепляется на 45%, тогда как в сходных условиях липазой А.пл^ег — на 63% [21.
Для проведения ферментативного гидролиза масел свободными формами липаз (неиммобилизо-ванными) рекомендуют использовать реакторы капельного типа. В водный раствор липазы из дис-персора в нижней части реактора поступает масло. Капли масла поднимаются вверх, в ходе флотации происходит гидролиз. Липиды удаляются из верхней части колонны и далее освобождаются от воды с помощью микрофильтрации. Глицерин растворяется в воде. Водно-глицериновый раствор, содержащий липазу, поступает на ультрафильтрационную установку, где регенерируется липаза. Из пермеата на установке обратного осмоса получают концентрированный раствор глицерина и воду. Регенерированные липаза и вода возвращаются в сферу реакции.
В работе [3] описан гидролиз липидов с помощью иммобилизованной позиционно неспецифичной липазы Р 5. /Ыогеэсепз. Фермент иммобилизован на анионообменной смоле Даункс МША—1 путем сшивки глутаровым альдегидом. Гидролиз проводили в колонном реакторе обычного типа и в флуи-дизированном четырехступенчатом реакторе. Реактор обычного типа заполняли иммобилизованным ферментом и смесью оливкового масла и воды.
Непрерывный процесс гидролиза осуществлялся подачей воды в верхнюю и масла — в нижнюю части реактора, соотношение скоростей протока воды и масла 2:3. В верхней части колонны собирали гидрофобные компоненты, в нижней — водорастворимые. Гидролиз проводили при 60° С. Средняя степень гидролиза масла в интервале 116— 708 ч составила 75%. Во флуидизированном реакторе при соотношении скоростей протока воды и масла 1:2 степень липолиза оливкового масла •— 83%, а концентрация глицерина •— 15%. Расход иммобилизованной липазы 19,8 ед/кг ЖК.
Авторы [3] отмечают, что иммобилизованные липазы целесообразно применять для гидролиза неэмульсионных форм субстратов, например, три-ацетина. Активность иммобилизованной липазы в эмульсии оливкового масла составила менее 1% по отношению к взятому на иммобилизацию ферменту, а в растворе триацетина — 44%. Низкая активность иммобилизованной липазы в эмульсиях субстратов объясняется малой площадью контакта, фиксированного на носителе фермента с каплями эмульгированного масла, а также ограничением диффузии воды и масла внутри частиц ферментного препарата.
Для гидролиза масел иммобилизованной липазой могут использоваться мембранные реакторы, представляющие собой трубку, разделенную на две части мембраной. Фермент иммобилизуется на микропористой, гидрофобной мембране в процессе циркуляции его водного раствора с одной стороны мембраны, С другой ее стороны в противоположном направлении движется субстрат. Реакция гидролиза протекает в порах мембраны. Продукты гидролиза разделяются по сродству, так что глицерин растворяется в водной фазе. Последняя циркулирует через систему ультрафильтрации и обратного осмоса, где регенерируется водный раствор фермента и происходит очистка и концентрирование глицерина.
Гидролиз жиров используется в пищевой промышленности для придания аромата и вкуса продуктам и напиткам. Ароматизация достигается за счет освобождения жирных кислот С'4—Сю. Из молочного жира с помощью панкреатической эсте-разы получают ароматизаторы сыра. Сливочное масло, гидролизованное на 66%, содержит свободные ЖК в концентрации, в 150—200 раз большей, чем негидролизованное. Для придания аромата пищевым продуктам гидролизованное сливочное масло добавляют в количестве 0,2—0,5%. При изготовлении японского саке рис предварительно обрабатывают водным раствором липазы. В процессе приготовления пасты мисо дрожжевая липаза освобождает из соевого масла ЖК и катализирует
образование их этиловых эфиров, что создает специфический вкус и аромат мисо.
Липазы, специфичные в отношении моно- и диглицеридов, как липаза С из Р. сусЬршт, могут использоваться для снижения содержания МГ и ДГ в маслах. Так, в системе вода-пальмовое мас-ло:н-гексан = 1:1:3 при концентрации липазы 4 ед/мл происходит избирательный гидролиз ДГ пальмового масла. Содержание последних снижается с 8 до 0,5%, и после удаления из масла продуктов гидролиза (свободных ЖК и глицерина) концентрация триглицеридов в нем возрастает с 87 до 99,3%.
Синтез глицеридов. Реакции синтеза глицеридов с помощью липазы протекают в системах с низкой концентрацией воды [4, 5, 6|. Наличие воды в реакционной среде необходимо для проявления каталитической активности липаз, поэтому полностью исключить воду из реакционной среды невозможно. Состав сред для синтеза глицеридов оптимизируется с учетом сохранения активности липазы и смещения направления реакции в сторону синтеза.
В работе [5] приведена схема использования липаз в системах с различной концентрацией воды. Реакции гидролиза превалируют в гетерогенных системах с уровнем влажности выше 1%, реакции этерификции — в гомогенных микроводных средах с уровнем влажности 0,1 % и ниже. Дана основная концепция ультрамикроводного биореактора для синтеза триглицеридов 7Т:
влажность < 130рр ДГ +ЖК . ТГ + Н20.
влажность > 150/7/7
Поскольку в реакциях синтеза образуется вода, контроль влажности являемся существенным моментом технологического процесса. Для удаления воды применяют такие приемы, как продувание инертным газом, снижение давления, сорбция воды на молекулярных ситах.
При проведении реакций в микроводных средах предпочитают использовать иммобилизованные липазы. Иммобилизация на соответствующих носителях повышает совместимость липаз с гидрофобными средами, их операционную стабильность при низкой концентрации воды, что позволяет расширить ассортимент ферментных препаратов для осуществления реакций этерификации. Дополнительная стабилизация липаз в микроводных средах достигается с помощью активаторов, таких как лецитин, эфиры сахаров, сорбита, полиглицерола и другие полиолы.
Для иммобилизаций липаз используют твердые носители — диатомит, хитин, церамид, ионообменные смолы, фотопоперечносшитые полимеры, гидрофобные мембраны, а также альгинат кальция.
г спе-
но- и могут МГ и : мас-шазы із ДГ шжа-масла эина) т с 87
цери-лах с воды
ІЄНИЯ
олно-
ІЄВОЗ-
опти-
липа-
>рону
іания
воды.
иных
кции
задах
>вная
! ДЛЯ
вода, і мо-ения ■ание я во-
зедах е листе-бны-при сши-; осу-тель->едах как ірола
рдые
гооб-
[еры,
>ция.
При иммобилизации в пористых частицах или в геле альгината кальция необходимое для проведения реакции этерификации количество воды может быть введено в ферментный препарат, который помещают в безводную органическую фазу. Это представляет определенные технические достоинства, однако резкое изменение влажности на границе раздела фаз снижает операционную стабильность фермента.
В качестве иммобилизованных препаратов липаз можно применять также биомассу продуцентов фермента — сухую или с остаточной влажностью.
Примером применения липаз для синтеза глицеридов является ферментативная конверсия диглицеридов в триглицериды в пальмовом масле [5]. В сыром пальмовом масле благодаря наличию собственных липаз происходит гидролиз по схеме:
ТГ -* ДГ + ЖК. Наличие ДГ в масле препятствует его кристаллизации,снижает содержание твердого жира, затрудняет фракционироваИНе. Химическая очистка масла от ДГ сложна и дорогостояща. В ультрамикроводных условиях в присутствии 5% лецитина и 10% (по объему) липаз, иммобилизованных на целите, за 24 ч было достигнуто содержание ТГ в пальмовом масле до 95,9%. Из восьми исследованных грибных липаз наиболее высокие результаты дали лйгГаЗы марки Р, Г, в (95,1—95,9% ТГ).
Липаза Р. сус1оршт, специфичная в отШатеИии моно- и диглицеридов, использовалась при получении моноглицеридов из олеиновой кислоты и глицерина. Реакционная смесь содержала 300 г олеиновой кислоты, 1348 г глицерина, 10 мл воды ”и 3000 ед. липазы. Процесс вели при 40° С, постоянном перемешивании (400 об/мин) в течение 160 ч. По окончании процесса в составе глицеридов обнаружено 90% моноолеина и не ббйре 10% диолеина [5].
Липаза из Масог т/е/гег, иммобилизованная на микропористом ионоо'бйённике, катал,ШТгрует синтез восков в реакционной среде, содержащей Жирную кислоту и 0,05 М. жирного спирта. Чер"ез 6 ч при 70°С достигалось равновесное состояние,, соответствующее степени конверсии 86—90%, в ТОМ числе в системах пальмитиновая или стеариновая кислота—олеиновый спирт — 88%, олеиновая кислота—олеиновый спирт — 87%, пальмитиновая кислота—октадекан-1-ол — 90%, олеиновая кислота—октадекан-1-ол — 88%. Фермент далоак-тивен в системах с каприновой кислотой. .
Трансэтерификация. Липазы катализируют процессы трансэтерификации жиров :— ацидолиз, алкоголиз, интерэтерификацию. Эти процессы, основанные на трансферазном действии липаз, протекают в средах с низким содержанием воды.
2 Пищевая технология 1—2
Рассмотрим конкретные примеры трансэтерификации липидов.
Ацидолиз используется для получения заменителей масла какао из подсолнечного, сафлорового и пальмового масел. Пальмовое масло содержит ТГ с пальмитиновой кислотой в позициях 1 и 3 и олеиновой — 2. В присутствии 1,3—специфичной липазы, например, из Л?, піиеііз, в системе пальмовое масло—стеариновая кислота происходит трансэтерификация с образованием триглицеридов, содержащих стеариновую кислоту -в позициях 1 и 3. Так получают эквивалент масла какао, главными компонентами которого являются триглицериды видов РОБ и БОБ. Реакцию ациДолиза проводят в течение 2—3 дней при 40° С, после чего полученные продукты фракционируют гексаном. Ключевым фактором процесса ацидолиза является влажность. Промышленное получение заменителей масла какао из менее ценных Масел освоено несколькими японскими фирмами [1].
Примером алкоголиза является глицеролиз триглицеридов. Глицерин может заменять воду как полярный компонент в тжр о эмульсионных средах, Это позволяет осуществлять преобразование глицеридов без выделения свободных ЖК, что •представляет существенное технологическое преимущество перед гидролизом [7]. Глицеролиз позиционно специфичной лиггазой идет по схеме:
р -он - Р г он
- Р +2 Г ОН - — 2 - ОН + - р
Т- Р -ОН -ОН -ОН
Реально полностью исключить, образование свободных жирны* кислот невозможно, поскольку в полностью безводных средах скорость глицеролиза очень мала: проявление ферментативной активности. липаз требует- лрис'у¥с1'в.й'я воды,. Относительные скорости глицеролиза и Гидролиза зависят от соотношения глицерина и воды. В опытах с меченым глицерином показано, что при равном молярном соотношении глицерина и воды скорости глицеролиза и гидролиза одинаковы [7].
Авторы проводили глицеролиз в смеси пальмового масла с изооктаном 1:20, к которой добавляли в различных соотношениях глицерин, водный буферный раствор, липазу и АОТ-№-бис-/2-этилгек-сил/ —сульфосукци нат. Использовали, микробные липазы из культур1 грибов р. Р1игорих и панкреатическую- липазу. Установлено, что 'соотношение МГ:ЖК в продуктах реакции зависит только от состава реакционной смеси, но не от источника
липазы, и увеличивается по мере снижения соотношения вода:глицерин. При концентрации воды 0,5—1% и температуре 37° С максимальное количество МГ накапливается в среде, содержащей изначально 4% глицерина. На моль глицерина образуется 1,2—1,4 моля, МГ и 0,8 моля свободных ЖК.
Интерэтерификация так же, как и ацидолиз, используется для изменения состава и точки плавления жиров. Интерэтерификация с помощью позиционно неспицифичных липаз дает продукты,сходные по составу с подучаемыми при химическом процессе, для которого характерно статистическое. раепределёние' ЖК в глицеридах. При использовании I, 3-—специфичнее липаз можно получать ТГ, которые не возникают в нормальной химической рандомизации. Преимуществом фер-ментативной интерэтерификации является и то, что не образуются трансизомеры*. Дополнительным фактором регуляции интерэтерификации может служить температура реакции: при достаточно низкой температуре происходит кристаллизация более насыщенных ТГ, которые таким образом выводятся из сферы реакции, и ЖК распределяются неслучайно [8].
При проведении тралсэтерификаций в смесях соевого масла с говяжьим жиром или пальмовым стеарином в присутствий 1, 3—специфичной липазы из Мж1еке{ наблюдали снижение количества низко- и йысокоплавких ТГ и увеличение фрак-, дии ТГ со средней температурой плавления. Изменение температуры плавления происходит также за счет образования некоторого количества дигли-церидОв, что неизбежно, поскольку реакции транс-этерификации протекают в присутствии воды.
При проведении трансэтерификации в смеси 60% говяжьего жира и 40% соевого масла в колонне с иммобилизованной липазой ЗА в течение 50 сут при 60° С производительность фермента составила 2400 кг жиров на 1 кг липазы. Содержание ДГ в продуктах реакции —6,4%.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ МАСЕЛ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ
В клетках семян масличных культур липиды локализуются в виде сферосом различной величины. Сферосомы окружены мембранами, состоящими из белков и полярных липидов. Мембраны сферосом высокомасличных клеток контактируют, образуя непрерывную систему в значительной части объема клетки. В эту систему включены орга-неллы клетки и локальные скопления запасных элементов, прежде всего белка, с которым мемб-
ранная система связана на основе ионных и гидрофобных взаимодействий.
Для извлечения масла из клетки необходимо разрушить клеточную стенку, дезинтегрировать скопления запасных веществ и мембранную систему, после чего при наличии достаточного количества воды образуется эмульсия масла. Процесс завершается разделением эмульсии на дискретные фазы, отделением и очисткой масла.
Наиболее сложной задачей является преодоление бел'ково-липидных взаимодействий в мембранной системе клетки, а также связей, возникающих между белками и липидами, освобождающимися из липбсом после дезинтеграции их мембран. В образований связей с белками участвуют преимущественно полярные липиды и ненасыщенные жирные кислоты глицеридов. Влажность и повышенная температура способствуют упрочению комплексов. Особо активно взаимодействуют с белками окисленные липиды.
В классической технологии для разрушения клеточных структур в растительном сырье используют механическую и влаготепловую обработку, после чего путем прессования выделяют сырое пищевое масло. Остаточное масло извлекают из шрота экстракцией углеводородными растворителями с последующим разделением мисцеллы. Технология имеет ряд недостатков. Пищевое масло (прессовая .фракция) содержит побочные продукты, образующиеся на стадии влаготепловой обработки, что снижает физиологическую ценность масла. Извлечение масла из шрота углеводородными растворителями создает пожаро- и взрывоопасность на производстве. Разделение мисцелл и очистка масла от растворителей сложны, а получаемый продукт пригоден лишь для технических целей.
Ферментативная обработка растительного сырья позволяет извлекать масла в мягких условиях, сохраняя физиологическую и питательную ценность масел. Отпадает необходимость применения углеводородных растворителей, существенно повышается экологическая безопасность производства.
В основе ферментативных способов извлечения растительных масел лежит гидролитическое расщепление нелипидных компонентов сырья в водных средах с последующим выделением масла из эмульсий.
■ При подготовке сырья для гидролиза необходимо по возможности полно освободить семена от покровных тканей, в которых содержится большое ■ количество трудногидролизуемых полймербв — целлюлозы, гемицеллюлозы. Если для извлечения подсолнечного масла по классической технологии используют сырье с лузжистостью около 10%, то для ферментативной обработки пригодны лишь партии с лузжистостью ниже 1%.
Фак1 ции ра фузии исполь сокойс чения ния в щихся тельно Часть 1 ходим
Вид<
Копра 1
Кукур
зарсу
Лен, я]
Подсол
ник,
Клещ
семе
Клещ ядро Мак, С'
Арахис
семе
Рапс
эру
сорт
семе
Горчи!
семе
Хлоп1
ядро
Соя,
сем*
Пит
заро
В с основ и пек лоза котор
СЯ ЛИ!
ковые пекти на с теми: толит стенк связу Стеш ми да 2*
И гид-
кодимо
[ровать
систе-
;оличе-
роцесс
эетные
зодоле-
Мбран-
ающих
1ИМИСЯ
ран. В реиму-[енные повы-ю ком-белка-
1Я кле-гсьзуют после [Щевое га экс-[ с по-элогия ссовая разую-и, что Извле-твори-[а прочла от :т при-
сырья
овиях,
) цен-нения повы-цства. 1чения е рас-в вод-:ла из
одимо от по-льшое ов — ченйя логии %, то лишь
Фактором, лимитирующим процессы ферментации растительного сырья, является скорость диффузии продуктов гидролиза. Поэтому эффективное использование ферментов возможно лишь при высокой степени измельчения сырья. Степень измельчения ограничивается возможностью формирова ния в сырье микроэмульсий масла,трудно поддающихся разделению. Измельчение сырья в значительной мере решает задачу дезинтеграции клеток. Часть клеток сохраняет'целость, и их стенки необходимо разрушить с помощью ферментов.
Таблица
Вид сырья Масличность Сырой протеин Жиры: протеин Целлюло- за
Копра кокоса 65-72 8 8,5 5,9
Кукурузные зародыши 55—58 12-19 3,6 15-18
Лен, ядро 59 19 3,1 1,3
Подсолнечник, семена 45—55 16—20 2,8 1,8—3,8
Клещевина, семена 54 19 2,8 20,5
Клещевина, ядро 68 27 2,5 0,35
Мак, семена 40—55 12—23 2,7 5—16
Арахис, семена 56 25 2,2 2,0
Рапс без-эруковых сортов, семена 42—45 23—25 1,8 8,8—9,3
Горчица, семена 32—42 20—30 1,5 8,2—11,1
Хлопчатник, ядро 37—40 34—38 1,1 1.2—2,1
Соя, семядоли 21 41 0,5
Пшеничные зародыши 15 41 0,36 2,5
В структуре растительной клеточной стенки три основных полимера — целлюлоза, гемицеллюлоза и пектин — связаны следующим образом. Целлюлоза образует микрофибриллы, на поверхности которых с помощью водородных связей фиксируются линейные части гемицеллюлозных молекул. Боковые ветви гемицеллюлоз ковалентно связаны с пектином, причем одна молекула пектина соединена с несколькими окружающими ее молекулами гемицеллюлозы. Гидролиз пектина с помощью пек-толитических ферментов вызывает разрыхление стенки, поскольку из ее структуры выпадает звено, связующее, фокусирующее другие полимеры. Стенка распадается на комплексы целлюлоза—гемицеллюлоза, способные скользить относительно 2*
друг друга в пространстве, освободившемся от пектина. В тонких стенках этого может быть достаточно для последующего их разрушения под действием осмотических сил.
Действие пектолитических ферментов приводит также к мацерации растительной ткани, так как отдельные клетки соединены пектиновыми веществами.
Если эффект пектиназы недостаточен для разрушения клеточных стенок, следует ввести в комплекс гидролитических ферментов целлюлазу и гемицеллюлазы. Эти ферменты могут оказаться необходимыми при обработке мелких семян — горчицы, рапса, мака, а также кукурузных зародышей, где содержание целлюлазы относительно велико, % к СВ (таблица).
Второй задачей ферментативного гидролиза является расщепление белка — основного внутриклеточного компонента, маскирующего липиды. Масличное сырье содержит до 40% белка. Белок представлен в основном фракцией глобулинов, составляющей у подсолнечника и арахиса 97, хлопчатника и клещевины — 90, сои — 85—90, кунжута — 80—85% [9]. Глобулины растворимы в солевых растворах (5—10% №С1), и с целью повышения их доступности ферментам гидролиз можно проводить в солевых, например, буферных растворах, реакция которых соответствует оптимуму действия применяемого фермента.
Все белки хорошо растворяются в щелочной среде, и при наличии щелочной протеазы гидролиз проводится при pH 9—11, что позволяет расщепить все белковые фракции. Щелочная обработка может применяться и до гидролиза ферментами для извлечения белка с целью получения пищевых белковых концентратов.
При проведении ферментативного гидролиза важно правильно выбрать фермент и определить оптимальную степень гидролиза белка, обеспечивающую высокий выход масла из сырья и переход масла в водную фазу. Для дезинтеграции локальных скоплений запасного белка и разрушения белков мембран с Целью дестабилизации последних предпочтителен гидролиз протеазами эндотипа, расщепляющими белок на крупные фрагменты. Применение экзопротеаз как единственных проге-олитических ферментов нецелесообразно, поскольку в этом случае длительное время сохраняются крупные фрагменты белков, препятствующие полной дезинтеграции клеточных структур. При использовании комплекса эндо- и экзопротеаз наряду с дезинтеграцией материала происходит накопление низкомолекулярных продуктов — аминокислот и коротких пептидов. Целесообразность такого пути гидролитического расщепления белков опре-
деляется заданными характеристиками вторичных продуктов переработки масличного сырья.
Гидролиз сопровождается гидрофобизацией белковых соединений вследствие демаскировки алифатических цепей аминокислот, экранированных в нативных белковых молекулах. Результатом является повышение жироудерживающей ЖУС, жироэмульгирующей ЖЭС способности белковых продуктов и стойкости эмульсии СЭ жиров в присутствии этих продуктов.Исследование функциональных свойств гидролизатов соевых белков показало, что протеолитическое расщепление их нейтральной и щелочной протеазами В. зиЫШь, а также комплексом протеаз актиномицета 5Гг. сапатусе115 приводит к существенному увеличению ЖУС, ЖЭС и СЭ. Так, при расщеплении соевых белков на 5—6% нейтральным протосубти-лином Г20Х ЖУС возросла со 190 до 355%, ЖЭС — с 74 до 88%, СЭ — с 65 до 87%. Одновременно понизилась водоудерживающая способность белков с 437 до 159% [9],
Гидрофобизация белковых соединений способствует упрочению белково-липидных комплексов в гидролизуемом материале. В процессе гидролиза белка происходит как освобождение липидов в результате разрушения белковых структур на субклеточном уровне, так и связывание липидов с вновь возникающими белковыми продуктами. Это создает большие трудности при (выделении растительных масел из гидролизатов сырья. Задача^раз-. деления белков и липидов тем сложнее, чем ниже соотношение жиры:белок.
При проведении гидролиза масличного сырья необходимо учитывать наличие ингибиторов протеаз. Протеолитические ингибиторы широко представлены у бобовых (соя, арахис), они есть и у злаков. В соевых бобах около 6% общего содержания белка приходится на долю ингибитора трипсина [10]. Ингибиторы протеаз поливалентны и могут подавлять активность различных протеаз, хотя и в неравной степени. Ингибиторы имеют прочную структуру и трудно подвергаются инактивации. Термическая инактивация довольно эффективна, но нужно учитывать, что при термической обработке масличное сырье изменяет структуру и становится менее доступным последующему гидролизу. Кроме того, при высокой температуре возникают побочные продукты, снижающие пищевую ценность выделяемых масел.
При извлечении масел из некоторых видов растительного сырья необходимо гидролизовать запасные углеводы, которые могут содержаться в клетках, богатых липидами, или в сопутствующих растительных тканях с низким содержанием масла. В отрубях и зародышах злаков содержится крахмал, главным углеводом кокосового ореха является ман-
нан. Присутствие даже небольших количеств крахмала создает высоковязкие системы при температуре его клейстеризации. Пшеничный крахмал клейстеризуется в интервале температур 50— 901' С, кукурузный — при 66—86° С, рисовый — при 56—86” С. При переработке крахмалсодержащего масличного сырья можно выбрать варианты; I — предварительная клейстеризация крахмала, его разжижение <Х - амилазой с последующим охлаждением гидролизата и проведением второй стадии гидролизата (расщепление полимеров клеточных стенок и белков); II — гидролиз сырья полным комплексом ферментов, включающим амилолитические ферменты, способные гидролизовать сырой крахмал, при температуре ниже порога клейстеризации.
Некрахмальные запасные углеводы гидролизуются при умеренных температурах и для их удаления не требуется проведения отдельной стадии гидролиза.'
Заключительной стадией выделения масел является разделение фаз в ферментолизате сырья и получение'сырого масла.
Масло в гидролизатах сырья присутствует в виде эмульсии и в связанном состоянии. Задача выделения масла из эмульсии сводится к понижению степени ее дисперсности, что достигается за счет дестабилизации мембран масляных капель на границе масло—вода. Частичная дестабилизация происходит в процессе гидролиза мембранных белков. Для полной дестабилизации применяют приемы, способствующие увеличению растворимости белков в водной фазе V} текучести мембран, например, введение горячего раствора поваренной соли. Для дестабилизации мембран могут использоваться комплексообразователи, связывающие белки и двухвалентные металлы. Последние определяют прочность взаимодействия белков и полярных липидов в мембранах. Дестабилизированные эмульсии масел разделяют центрифугированием.
Значительно труднее выделить масло из связанного состояния, т.е. из белково-липидных комплексов. Они образуются за счет гидрофобных, ионных взаимодействий и ковалентных связей и обладают большой прочностью. Для извлечения связанного масла применяют экстракцию органическими растворителями. Из сухих гидролизатов масла можно экстрагировать неполярными растворителями, например, гексаном. Экстракцию из влажных масс целесообразно вести полярными растворителями, предпочтительно этанолом. Состав экстрагируемых продуктов зависит от концентрации спирта в водно-спиртовой смеси. Эффективная экстракция масел происходит при температуре кипения азеотроп-ной смеси [11].
Степень извлечения масла из гидролизатов рас-
тительнс
гировані
КИМ COOT
масла nf
сравнит!
получен
соотнош
тативны
дили пр
течение
протеаз}
окончен
масла («
ролизат;
дополни
жидкосі
шиеся в
ченные
центрис
предусм
МЄНТН0І
масличї
Нами
семян
0,3% и
гидромс
50° С. с
азу и ц 0,5 и 1
COOTHOU
ния маї ции эм; нее, Ч( окончаї ляют гс концен1 85—95' ляется вую, ВС ящую I воримо ставлж раство[ осадка около S Фері
•в крах-:мпера-рахмал 50-вый — щержа-«анты; !хмала, ующим второй ов кле-сырья
1ЮЩИМ
эолизо-
порога
золизу-
удале-
.стадии
л явля-ырья и
• в виде шделе-жению за счет на граня про-эелков. риемы, ги бел-ример, [и. Для )ваться !ЛКЙ и целя ют
[ЫХ ли-эмуль-
связан-
мплек-
10ННЫХ
ладают 'энного ми рас-можно ми, на-х масс елями, эуемых в вод-[ия ма-ютроп-
тительного сырья зависит от соотношения эмульгированной и связанной фракций. В сырье с высоким соотношением жирькбелок значительная часть масла представлена в виде эмульсии и может быть сравнительно легко выделена. Примером служит получение кокосового масла [12]. В копре кокоса соотношение жирькбелок составляет 8,5. Ферментативный гидролиз мятки кокосового ореха проводили при гидромодуле 1:4, температуре 50° С в течение 1,5 ч. Ферментативный комплекс включал протеазу, а - амилазу, маннаназу и пектиназу. По окончании гидролиза фракцию эмульгированного масла («сливки») выделяли путем отстаивания гидролизата и декантации, после чего в гидролизат дополнительно подавали воду до исходного объема, жидкость перемешивали и повторяли цикл. Оставшиеся в мятке «сливки» отделяли на прессе. Полученные фракции объединяли и выделяли масло центрифугированием. Выход масла в варианте, предусматривающем рециклизацию воды и ферментного раствора, составил около 80% к исходной масличности сырья.
Нами предложен способ извлечения масла из семян подсолнечника. Семена с лузжистостью 0.3% измельчают и проводят ферментацию при гидромодуле 1:1 или 1:2 в течение часа при 40— 50° С. Ферментативный комплекс включает протеазу и целлюлазу из расчета соответственно 0,1 — 0,5 и 1—3 ед. на 1 г сырья. Подсолнечник имеет соотношение жиры:белок = 2,8, и задача выделения масла в виде эмульсий, а также дестабилизации эмульсий в'данном случае значительно сложнее, чем при получении кокосового масла. По окончании гидролиза в реакционную среду добавляют горячий раствор поваренной соли (конечная концентрация 10%) и повышают температуру до 85—95°. После центрифугирования система разделяется на четыре фазы: масляную, масляно-белковую, водный раствор белка и твердую фазу, состоящую из фрагментов клеточных структур, нерастворимого белка и масла. Масличность осадка составляет 25—30%. Повторная экстракция горячим раствором ІМаСІ позволяет снизить масличность осадка до 10% и получить суммарный выход масла около 90% от исходной масличности сырья.
Ферментные способы могут применяться для
извлечения эфирных масел из растительного сырья. Экстракции эфирных масел из биомассы растений препятствуют клеточные стенки, поэтому для интенсификации извлечения применяют препараты с целлюлазной и п.ектиназной активностью. Обработка /3-глюкозидазами, к числу которых относятся целлюлазы, позволяет также повысить содержание ценных монотерпеновых спиртов за счет гидролиза их гликозидов. После обработки цветков эфиромасличной розы препаратами целлюлаз выход розового масла повысился в 2—2,5 раза, увеличилось содержание ценных его компонентов — цитронеллола, нерола, гераниола. Процесс выделения масла из гидролизата включает гидродистилляцию, сорбцию на активированном угле, элюцию растворителями и их отгонку [13]. Аналогичная ■технология может быть использована для получения других видов эфирных масел из растительного сырья.
ЛИТЕРАТУРА
I. Hirano J. // Chemical Ekonomy a Engineering Reviem. —1986,—Hi 7—8. P. 9—1.3.
2 Lindfield W.M., Baraus Kas R.A., Sivieri L.A. //J. AOCS. —1984;— № 2. — P. 191 — 195
3. Kostigu Tanaka H., Tomizuka N. // Biotechnol. a. Bioeng. — 1990. — 36.— P. 617—622.
4. YarianeT.//J. AOCS. — 1987; — № 12. — P. 1657—1662,
5. Kurashige J., Matsuraki N., Makabe K. // J. Dispersion Science a. Tech. — 1989, — № 4—5. — P. 531—559.
6. Cahtarelli C. / / Jlal J. Pood Sci. — 1990. — № 1. — P. 9—24.
7. Hoimbefg K., Lassen B., Stark M. // J. AOCS. — 1989,
12. — P. 1796—1800.
8. Chobanov D.G., Topalava M.R. // J. AOCS. — 1979. — 56. — P.581.
9. Доморощенкова М.Л., Ступакова Л.Ф., Красильников B.H. // Тез. 2-й Всес. конф. «Новые источники пищевого бейка». — Кобулети, 1986, —• С.27.
10. Щербаков В.Г. Биохимия -и товароведение масличного сырья. — М.: Агропромиздат, 1991. — 304 с,
II. Нгоп R.J., Koltun S.P., Grari A.V. // J.AOCS. — 1982.' — 9 — P.674-684.
12. Barrious V.A.. Oimos D.A., Noyala R.A., Loper-Munguia C. // Oleagineus. — 1990. — №1. — P.35-42.
13. A.c. 907060, СССР, 1982.
Кафедра технологии хранения и переработки сельхозпродукции
Поступила 04.02.93
ов рас-
