Научная статья на тему 'Применение крахмалосодержащего сырья в биотехнологической промышленности'

Применение крахмалосодержащего сырья в биотехнологической промышленности Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
1123
249
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЗЕРНО / КЛУБНЕПЛОД / КРАХМАЛ / БИОТЕХНОЛОГИЯ / GRAIN / TUBER CROP / STARCH / BIOTECHNOLOGY

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Ягофаров Д. Ш., Канарский А. В., Сидоров Ю. Д., Канарская З. А.

Проведен обзор литературы применения крахмалосодержащего сырья в биотехнологической промышленности. Показана целесообразность и перспективность применения картофеля как источника углерода.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The review of literature of application of starch-containing raw materials in biotechnology industry has been implemented. The expediency and availability of application of potato starch as the source of carbon has been shown.

Текст научной работы на тему «Применение крахмалосодержащего сырья в биотехнологической промышленности»

ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 543.4:544.2

Д. Ш. Ягофаров, А. В. Канарский, Ю. Д. Сидоров,

З. А. Канарская

ПРИМЕНЕНИЕ КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: зерно, клубнеплод, крахмал, биотехнология.

Проведен обзор литературы применения крахмалосодержащего сырья в биотехнологической промышленности. Показана целесообразность и перспективность применения картофеля как источника углерода.

Keywords: grain, tuber crop, starch, biotechnology.

The review of literature of application of starch-containing raw materials in biotechnology industry has been

implemented. The expediency and availability of applic

В настоящее время для России увеличение производства биопродуктов является важным элементом восстановления и подъема экономики. Развитие этой отрасли должно базироваться на использовании прогрессивных технологий

воспроизводства и переработки

крахмалосодержащего сырья [1,2,3,4].

Все виды крахмалосодержащего сырья, пригодного для биотехнологической

промышленности по массовой доле сухих веществ (СВ) можно подразделить на две основные группы [1,5,6,7,8]:

- корнеклубнеплоды и стебельные растения - 20-30 % СВ: картофель, батат, маниок, саговая пальма и др. [7,9,10].

- зерновые и зернобобовые - 85-90 % СВ: наиболее богатые крахмалом кукуруза, сорго, пшеница, ячмень, рожь, рис, горох и др.[7,11,12].

Технологические свойства крахмалоносов в значительной мере определяются их структурой, химическим составом и анатомическим строением. Особенности строения плодов и семян крахмалоносов оказывают решающее влияние на организацию и ведение технологических процессов и биопроизводства и извлечения крахмала.

Наиболее характерный представитель клубнеплодов - картофель (Solanum tuberosum). Химический состав клубня картофеля зависит от сорта, условий выращивания: почвы, внесения

удобрений и климата; условий созревания, сбора и хранения урожая и от факторов связанных с его анализом [13]. Картофель содержит крахмала от 13 до 37 % сухого вещества; общее содержание углеводов от 13 до 30 %; содержание крахмала от 8.5 до 29 %; содержание сахаров до 4 %, в том числе глюкозы от 0.10 до 0.50 %, фруктозы от 0.06 до 0.70 %, сахарозы от 0.14 до 0.50 %; содержание клетчатки от 0.7 до 3.5 %; содержание пектиновых веществ от 0.7 до 1.5 %; содержание сырого протеина от 0.5 до 4.5 %; общее содержание азота от 0.15 до 0.75 %; содержание золы от 0.45 до 1.90 % и жиров от 0.02 до 0.20 % [14,15].

of potato starch as the source of carbon has been shown.

Наружный слой картофеля - перидерма (называемый также кожицей или пробкой) состоит из клетчатки, под которой находится тонкий пробковый слой клеток, наполненных высохшей плазмой, затем слой тонкостенных клеток с протоплазмой и за ними - клетки, наполненные протоплазмой и плавающими в ней гранулами крахмала. Тканевый слой между перидермой и сосудистым кольцом называется кортексом. Слой кортекс содержит наибольшее количество крахмала и протеинов [16]. Сосудистое кольцо служит транспортирующим механизмом и состоит из ксилемы и флоэмы. Ксилема транспортирует воду и растворенные нутриенты, в то время как флоэма ответственна за транспортировку органических веществ, в частности, сахарозы. Зона вокруг сердцевины, или внешняя флоэма, расположена между сосудистым кольцом и сердцевиной. Этот слой составляет около 75 % от общего объема клубня картофеля и характеризуется клетками паренхимы для накопления крахмала, за что и обозначается как накопительная паренхима. Однако, кортекс и сердцевина тоже имеют клетки паренхимы. Сердцевина, или водное ядро, занимает центральную часть клубня. В ней содержание крахмала и протеина мало [16], следовательно, соотношение веществ клеточной стенки в сухом веществе сердцевины больше по сравнению с другими зонами ткани паренхимы.

Стенки клеток обеспечивают механическую поддержку клубня. Главной составляющей клеточных стенок и средней ламеллы является пектин (55-60 %); целлюлоза(28 %), гемицеллюлозы (7-10 %) и протеины (2-10 %) [17,18]. Толщина клеточной стенки составляет приблизительно 1 мкм [7,19]. Механические свойства клубня способствуются трехуровневой структурой [20].

Картофельный крахмал по сравнению с другими видами крахмала имеет ряд уникальных особенностей: молекулярная и морфологическая структура с большими и ровными гранулами, высокое содержание ковалентно связанного

фосфата, наличие длинных амилопектиновых цепей и высокомолекулярной амилозы. Эти особенности картофельного крахмала позволяют использовать его в качестве функционального биополимера для пищевых и технических целей. В частности, картофельный крахмал находит свое применение в производстве высококачественной бумаги [21] и для образования вязких гидроколлоидных систем (загустители, коллоидные стабилизирующие вещества, желирующие вещества, наполнители и водоудерживающие вещества) [22]. По сравнению с зерновым крахмалом, вполне упорядоченная и плотная структура гранул картофельного крахмала, делают его резистентным к ферментативному гидролизу [23]. Однако, некоторые свойства картофельного крахмала, такие как низкая устойчивость к сдвиговым деформациям и низкое термическое сопротивление, а также высокая склонность к ретроградации ограничивают

применение картофельного крахмала в некоторых областях пищевой биотехнологии. Эти ограничения преодолеваются путем модификации крахмала: этерификацией, эстерификацией, сшиванием и трансплантацией крахмала, кислотным или

ферментативным гидролизом и окислением

крахмала; а также физической обработкой крахмала

- тепловой обработкой в водной среде под избыточным давлением и т. п.

В настоящее время наблюдается тенденция применения биотехнологических методов в создании новых сортов картофеля с целью

повышения не только урожая картофеля, но и модификации свойств крахмала. В частности, получены сорта картофеля крахмал которых,

содержат преимущественно амилопектин. Разработаны сорта картофеля с высокой урожайностью. Данные сорта картофеля как источники крахмала весьма перспективны в биотехнологии.

Из корнеплодов основным видом сырья для промышленной переработки является маниок (Manihot esculenta) (имеющий также название

тапиока (Индия, Малайзия) или кассава (Африка и Юго-Восточная Азия) - в зависимости от страны где он произрастает). Структура корнеплода маниока такая же, как и у картофеля, но имеются и существенные отличия: во-первых, форма его -вытянутая, стрелообразная, и по размерам он превышает клубень картофеля в 5-10 раз, во-вторых, наружная кожица корнеплода менее прочная, чем у картофеля, поэтому сравнительно легко снимается при мойке, и в третьих, среднеарифметический размер гранул крахмала маниока в два раза меньше среднего размера гранул крахмала картофеля [7,24,25].

Созревшие корни маниока содержат в среднем 60-70 % воды, 30-35 % углеводов, 1-2 % жира, 1-2 % волокна и 1-2 % протеина, следы витаминов и минералов. В зависимости от климата и времени урожая содержание крахмала варьируется от 15 до 33 % [26]. Несмотря на низкое содержание в корнях кассавы протеина, витаминов и минералов, они все же остаются хорошими источниками

энергии и являются массовыми продуктами питания в некоторых регионах земного шара.

Крахмал тапиока отличается от других видов крахмала низким содержанием остаточных веществ (жиры, протеина, зола), амилозы по сравнению с другими амилозосодержащими крахмалами и высокой молекулярной массой амилозы и амилопектина [27]. Содержание фосфора в крахмале тапиока незначительно и связей в виде эфиров фосфатной кислоты с амилопектином как у картофельного крахмала не установлено [3]. Низкое содержание амилозы, липидов и протеина, а также способность клейстера крахмала тапиока медленно образовывать слабые гели, зависящие от высокой молекулярной массы амилозы, подчеркивают

особенность непосредственного применения

крахмала тапиока среди нативных крахмалов как в пищевых, так и в технических целях.

Пшеница (Triticum) — род травянистых, в основном однолетних, растений семейства Злаки, или Мятликовые, ведущая зерновая культура во многих странах, в том числе и России. Лидерами по выращиванию пшеницы являются Китай, Индия, США, Канада и Россия.

Зерно пшеницы представляет собой

твердое, коллоидное, капиллярно - пористое тело, включающее различные вещества. Крахмал имеет частично кристаллическую структуру, так же, как и клетчатка, которая содержится в значительном количестве в оболочках зерна. Белковые вещества обладают аморфной структурой. В эндосперме гранулы крахмала также заключены в клетки, но, в отличие от корнеплодов, они прочно скреплены белковыми веществами, не поддающимися механическому отделению [7,11,12].

Кукуруза, маис (Zea mays), вид однолетних травянистых растений семейства злаков. Лидерами по выращиванию кукурузы являются США и Китай.

Кукурузный крахмал содержит зерна двух форм в зависимости от сорта кукурузы. Некоторые мучнистые сорта, такие как кукуруза сорта Мандан, содержат практически только зерна круглой формы. Кремнистые сорта, такие как, например, Кутиас, содержат лишь зерна многоугольной формы. В каждом типе имеются различные по размеру гранулы, однако среднеарифметический размер для обоих типов составляет в среднем 15 мкм. Крахмал, полученный на современных производствах, содержит лишь небольшую часть очень мелких гранул размером около 5 мкм. Наиболее крупные гранулы достигают 20-25 мкм [7,24].

Сорго (Sorghum) — род однолетних и многолетних травянистых растений семейства Злаки, или Мятликовые (Poaceae). Зерно сорго перерабатывают на крупу, муку и крахмал, из соломы изготовляют плетёные изделия, бумагу, веники. Зелёная масса идёт на силос (молодые растения многих видов сорго ядовиты).

Особенностью зерновок кукурузы и сорго является наличие относительно крупного зародыша, занимающего более 1/3 площади продольного разреза зерна, с массовой долей до 14 % от общей массы. В зародыше зерна как кукурузы, так и сорго

находится более 30 % жира, или до 5 % от общей массы зерновики, в то время как в зародыше зерна других зерновых культур массовая доля жира не превышает 2 % [1,7,24].

Рис (Отую) — род однолетних и

многолетних травянистых растений семейства Злаки; крупяная культура. Из рисового зерна производятся крупа и крахмал, из рисовых зародышей получают масло. Традиционное рисовое вино популярно в Китае. В Японии из риса производят национальный спиртной напиток сакэ, лепёшки и особые сладости для чайной церемонии. Из рисовой соломы производят рисовую бумагу, картон, плетёные изделия. Рисовые отруби используются в животноводстве как корм для животных. В Корее рис и отходы его приготовления являются основой многих традиционных напитков, таких как сикхе и суннюн.

Производится также воздушный рис, по консистенции похожий на попкорн, однако имеет гладкую поверхность и округлую форму. Иногда его формируют в виде карамелизированных плиток, как козинаки.

Гранулы рисового крахмала - наиболее мелкие из всех вырабатываемых крахмалов (длиной от 3 до 8 мкм). Крупные гранулы почти одинаковы по размеру, но более угловатые, чем мелкие гранулы кукурузного крахмала. Их форма многогранная и они часто бывают собранными в кисти или в сложные гранулы, состоящие из многочисленных мелких гранул; форма агрегата бывает либо круглой, либо многогранной. Из-за мелкого размера гранул такие черты, как глазок, бороздки и линии, нельзя различить в поляризованном свете [7,24].

Ячмень (Идгйвит) — род растений

семейства Злаки, один из древнейших злаков, возделываемых человеком. Зерно ячменя в настоящее время широко используют для продовольственных, технических и кормовых целей, в том числе в пивоваренной промышленности, при производстве перловой и ячневой круп. Ячмень относится к ценнейшим концентрированным кормам для животных, так как содержит полноценный белок, богат крахмалом. В России на кормовые цели используют до 70 % ячменя.

Ячменный крахмал вообще представляет собой смесь крупных и очень мелких гранул. Они имеют форму кружка или эллипса; размер крупных гранул колеблется от 25 до 30 мкм и мелких от 2 до 6 мкм. Трещины и бороздки неразличимы даже в крупных гранулах. В поляризованном свете гранулы обычно равномерно освещены и не показывают каких-либо линий [7,24].

Для зерновок риса и ячменя характерно наличие цветковой пленки (колосковой чешуи), прочно связанной с эпикарпом и семенной оболочкой.

Г орох (П^ит) — род травянистых растений из семейства Бобовые. Из зернобобовых видов крахмалоносов наиболее распространен горох; к особенностям его зерновки относятся: высокое содержание белков (до 30 %), толстая семенная

оболочка - до 14 % общей массы и потому сравнительно низкая массовая доля крахмала - до 55 % [1].

Существуют и другие перспективные для биопромышленной переработки в условиях России крахмалоносы, к которым можно отнести рожь, просо, гречиху, амарант. Весьма перспективно применение гибридной культуры тритикале (гибрид ржи и пшеницы), содержание крахмала в которой достигает 65 %. При определении целесообразности применения того или иного сырья в биотехнологической промышленности необходимо учитывать не только высокую массовую долю крахмала в сырье, но и его химический состав (табл. 1). Для создания безотходных технологий биопродуктов не менее важно определить ценность и значимость каждого компонента

крахмалосодержащего сырья, их соотношение и формы связи с крахмалом для последующего разрушения этой связи, повышения доступности крахмала для ферментов или извлечения крахмала.

Зерновые культуры и корнеклубнеплоды используются в пищевой биотехнологии при производстве солода, пива, кваса, глюкозы, патоки и в производстве этанола.

Таблица 1 - Химический состав основных видов зерновых и зернобобовых культур [8,9,10,11,28,29,30]

Зерновые и зернобобовые, % к СВ

Компонент кукуруза сорго ячмень рожь пшеница рис горох

Крахмал 67-76 58-76 56-68 57-66 58-76 64- 77 50

Протеины 9-13 10-14 11-13 7-13 10-25 8.7 25-32

Клетчатка 2.5-3.0 1.5-35 1.9-6.3 22-28 2.2-3.5 9.4 5-7

Пентозаны 4.0-4.5 2.1 9-12 9-11 5-8 1.5 -

Сахара 3-.5 3-5 3-5 3-6 3.2-4.3 3.6 -

Жиры 4.5-7.0 3-6 1.7-2.2 1.7-22 1.7-23 2.0 1.3- 2.9

Реализовать задачу извлечения крахмала из зернового крахмалосодержащего сырья достаточно сложно, что обусловлено его структурой и химическим составом. При изолировании крахмала из зерновых культур, кроме крахмала получают и вторичный продукт в значительных количествах, в частности глютен, мезга, которая содержит значительное количество клетчатки. Поэтому переработка мезги зерновых культур на биопродукты является весьма сложным и трудоемким процессом.

Основная задача технологического процесса извлечения крахмала из корнеклубнеплодов картофеля и маниока - разорвать стенки клеток, высвободить гранулы крахмала и отмыть их от клеточной жидкости. Вторичных продуктов мезги и сока в данном случае образуется значительно меньше по сравнению с переработкой зернового

крахмалосодержащего сырья. Соответственно для организации биотехнологической переработки корнеклубнеплодов на биопродукты требуется меньше капитальных затрат. В этой связи применение корнеклубнеплодов в

биотехнологической промышленности для

получения биопродуктов целесообразнее по сравнению зерновым крахмалосодержащим сырьем [1,2,7,9,24,31,32,33].

Литература

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

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

3. Андреев Н.Р. Вовлечение новых видов

крахмалосодержащего сырья для промышленной переработки на крахмал и крахмалопродукты // Тез. докл. III Международной конф. «Пища. Экология. Человек.»- М. -1999.- с.99

4. Tegge, G. Starke und Starkederivate.- Detmold: Behr's Verlag, 1984.- c.24-47

5. Официальный сайт продовольственной и

сельскохозяйственной организации ООН (FAO),

[Электронный ресурс] // Режим доступа:

http://www.fao.org/, свободный

6. Официальный сайт ведущего производителя

сельхозтехники России Amazone Евротехника, [Электронный ресурс] // Режим доступа:

http://eurotechnika.ru/, свободный

7. Whistler, R.L., Starch chemistry and technology. // R.L. Whistler, J.N. Be Miller / 3rd Ed.- New York: Academic Press,- 2009.- 894 p.

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

9. Трегубов, Н.Н., Жарова, Е.Я., Жушман, А.И., Сидорова,

Е.К. Технология крахмала и крахмалопродуктов // Н.Н. Трегубов и др. - М.: Легкая и пищевая

промышленность, 1981. - 472 с.

10. Jane J., Kasemsuwan T., Leas S., Zobel H., Robyt J.F. Anthology of starch granule morphology by scanning electron microscopy // Starch/ Starke.- 1994.- V.46.- P.121-129.

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

12. Егорова, Г.А. Технология муки, крупы и комбикормов// М.: Колос, 1984.- 376 с.

13. Es van A., Hartmans, K.J. Structure and chemical composition of the potato// The Netherlands: Pudoc, Wageningen; 1981.

14. Hoover, R. Composition, molecular structure, and physicochemical properties of tuber and root starches: a review // Carbohydrate polymers, 45, 2001.- p.253-267.

15. Hartmann, R., Buning-Pfaue, H. NIR determination of potato constituents// Potato Research, 41, 1998. -p.327-334.

16. Karlsson M.E., Eliasson A.C. Gelatinization and retrogradation of potato (Solanum tuberosum) starch in situ as assessed by differential scanning calorimentry (DSC)// Lebensm.-Wiss. u.- Technol.,36, 2003.- 735-741

17. Carpita, N.C, Gibeaut , D.M (1993) Structural models of primary cell walls in flowering plants: Consistency of molecular structure with the physical properties of the walls

during growth// Plant J.,3,1993.-p. 1-30

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

18. Van Dijk, C., Beekhuizen, J.G., Gibcens, T., Boeriu, C., Fischer M.& Stolle-Smiths, T. Texture of cooked potatoes (Solanum tuberosum). 2. Changes in pectin composition during storage of potatoes// Journal of Agriculture and Food chemistry,50, 2002.- p.5089-5097

19. Karlsson, M., Starch in Processed Potatoes. Influence of the tuber structure, Thermal treatments an Amylose/Amylopectin ratio, doctoral thesis, Media - Tryck, Lund University, Lund,2005.

20. Waldron, K.W., Smith, A.C., Parr, A.J., Ng, A.&Parker, M.L. New approaches to understanding and controlling cell separation in relation to fruit and vegetable texture. Trends in Food Science &Tecnology, 8, 1997.- p.213-221.

21. Blennow, A., Bay-Smidt, A. M., Leonhardt, P., Bandsholm, O., & Madsen, H. M. Starch paste stickiness is a relevant native starch selection criterion for wet-end paper manufacturing. Starch, 55, 2003.-p. 381-389.

22. Wiesenborn, D. P., Orr, P. H., Casper, H. H., & Tacke, B. K. Potato starch paste behavior as related to some physical/chemical properties. J. Food Sci., 59, 1994.-p. 644648.

23. Rocha, T.S., Carneiro A.P.A., Franco, C.M.L. Effect of enzymatic hydrolysis on some physicochemical properties of root and tuber granular starches// Cienc. Tecnol. Aliment., Campinas, 30(2), 2010.-p. 544-551

24. Керр, Р.Ф. Химия и технология крахмала // Р.Ф. Керр.-М.: Пищепромиздат, 1956.-565 с.

25. Андреев Н.Р., Морозов М.А., Андреева Т.В. Особенности организации производства крахмала из маниока.- М.: АгроНИИТЭИПП,1989.- Сер.19.- Вып.9.-17с.

26. Sriroth, K., Santisopasri, V., Petchalanuwat, C., Kurotjanawong, K., Piyachomkwan, K., Oates, C.G. Cassava starch granule structure-function properties: influence of time and conditions at harvest on four cultivars of cassava starch. Carbohydr. Polym.,38, 1999.-p. 161-170.

27. Swinkels, J.J.M. Composition and properties of commercial native starches // Starch/Starke, 37 - 1985.- p.1-5

28. Oscarson M., Parkkonen T., Autio K., Aman P. Composition and microstructure of waxy, normal and high amylose barley samples// J. Cereal Sci.- 1997.- v.26.- p.259-264

29. Sahai, D., Jackson, D.S. Structure and chemical properties of native corn starch granules// Starch/ Starke.- v.48.- 1996.-№7/8.

30. Tester R.F., Morisson W.R. Swelling and gelatinization of cereal starches// Cereal Chem., - 1990.-67.-p.558-563.

31. Рихтер, М. Избранные методы исследования крахмала // М. Рихтер, З. Аугустат, Ф. Ширбаум.; пер. с нем. Л.В.Бабиченко [и др.]; под ред. Н.П.Козьминой и В.С.Грюнера / М.: Пищевая. промышленность 1975. -184 с.

32. Скотникова, Т.А. и [др.]. Проектный подход в создании инновационных биотехнологических препаратов // Т.А. Скотникова, Л.А. Неминущая, Н.К. Еремец, О.В. Провоторова, И.В. Бобровская, М.А. Малышева, З.А. Канарская // Вестник Казан. технол. унта.- 2012. Т.15, № 4. - С. 82 - 87.

33. Неминущая, Л. А. и [др.]. Перспективные биотехнологии получения новых синбиотиков для сельскохозяйственных животных // Л. А. Неминущая, Т.А. Скотникова, Е.И. Титова, О.В. Провоторова, Н.К, Еремец, И.В. Бобровская, З. А. Канарская // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2012. Т.15, № 4. - 69 - 74.

© Д. Ш. Ягофаров - инж. каф. пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, ЬМеЛ^Щ@таП.ги;А. В. Канарский - д-р техн. наук. проф. той же кафедры, [email protected]; Ю. Д. Сидоров - канд. техн. наук, ст. препод. той же кафедры; З. А. Канарская - канд. техн. наук, доц. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.