CC BY
554
УДК 664.22
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ РЖИ НА КРАХМАЛ И САХАРИСТЫЕ ПРОДУКТЫ
Н.Р. АНДРЕЕВ, член-корреспондент Россельхоза-кадемии, директор
Н.Д. ЛУКИН, доктор технических наук, зам.дирек-тора
Т.В. ЛАПИДУС, зав. лабораторией З.М.БОРОДИНА, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
ВНИИ крахмалопродуктов Россельхозакадемии Н.К. ЛАПТЕВА, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией
Л.И. КЕДРОВА, доктор сельскохозяйственных наук, зав. отделом
НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого E-mail: [email protected]
Резюме. Проведена технологическая оценка разных сортов ржи. Разработана комплексная технология переработки озимой ржи на крахмал, сахаристые и углеводно-белковые продукты пищевого и кормового назначения, обеспечивающая возможность вовлечения невостребованных ресурсов ржи. В результате переработки с применением гидролаз целлюлолитического, протеолитического и амилолитиче-ского действия получены глюкозные и мальтозные сиропы, углеводно-белковый концентрат.
Ключевые слова: рожь, сорта ржи, ржаная мука, крахмал, ферменты, гидролиз, сиропы глюкозные, углеводно- белковый концентрат.
Рожь - одна из основных зерновых культур в России, по сбору зерна она занимает третье место после пшеницы и ячменя, а для производства хлеба - второе место. Такое положение ржи обусловлено особыми почвенно-климатическими условиями страны, поскольку это самая холодостойкая злаковая культура, которая созревает на 1...2 недели раньше остальных зерновых.
Зерно ржи используется для производства хлеба, спирта, комбикорма, ржаного солода и других продуктов, однако особенности химического состава ограничивают возможную сферу его применения.
В то же время рожь может выступать в качестве потенциального местного сырья для производства крахмала в северных районах России. Однако ее переработка на эти цели связана с определенными технологическими сложностями.
При целенаправленной селекции, проводимой в НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого, и отборе сортов с повышенной крахмалистостью (60 % более) рожь в качестве сырья для производства крахмала, может составить конкуренцию таким традиционным культурам, как кукуруза и пшеница [1].
Кроме того, несмотря на более низкое содержание белков в зерне ржи, по сравнению с пшеницей, их аминокислотный состав лучше сбалансирован, поэтому не менее актуально выделение и фракционирование белка этой культуры для дальнейшего производства пищевых и кормовых добавок.
Цель наших исследований - вовлечение в переработку нетрадиционного крахмалсодержащего сырья
- зерна ржи на основе создания комплексной технологии ее переработки на крахмал, углеводно-белковый гидролизат и сахаристые продукты.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили с применением международных методов, принятых ИСО: определение белка - на анализаторе ВивсЫ, аминокислотного состава - на анализаторе Lanbda 1010, углеводного состава ВЭЖХ - на анализаторе В18с1пс^, вязкости - на вискозиметре Реотест, определение РВ - методом Лейна и Эйнона.
В исследованиях процесса биоконверсии ржаной муки с применением ферментных препаратов, обладающих амилолитической, протеолитической и целлю-лолитической активностью в качестве катализаторов процесса гидролиза крахмала использовали амилоли-тические ферментные препараты Амилосубтилин Г10х, ВДЫ 480, С1агаве L, Ор^ех 400 L, для расщепления некрахмальных компонентов зернового сырья — ферментные препараты Се11и1ава 0С-440 Му!МеС Ху1апаве, БсИеагсуте, Distizym Prсtacid ехв^а, Ксиланаза, Целло-виридин Г20х и Амилопроторизин П10х. Ферментные препараты, в зависимости от оптимальных условий их действия, добавляли на стадии разжижения или оса-харивания крахмала, содержащегося в ржаной муке в соответствии с разработанной во ВНИИК технологией производства сахаристых крахмалопродуктов. В качестве сырья использовали муку ржаную хлебопекарную обдирную, муку ржаную цельную. Состав муки, промежуточных и конечных продуктов биоконверсии характеризовали путем определения показателей, принятых в крахмалопаточном производстве с использованием соответствующих методов анализа.
В расчете на сухое вещество зерна содержание крахмала в нем составляет 58.65 %, белковых веществ - 8.16, клетчатки - 1,8...2,7, липидов - 1,8...2,2, пентозанов - 6.8, золы - 1,7...2,2 %.
Главная особенность зерна ржи - высокое содержание слизистых веществ, основную часть которых составляют пентозаны, а также более высокое общее содержание водорастворимых веществ (12.17 % от общего количества), что определяет его качество и технологические свойства [2].
Результаты и обсуждение. Для производства крахмала и его гидролиза с целью получения сахаристых продуктов наиболее пригодны сорта ржи с высоким содержанием крахмала и низким - протеина и пентозанов. Технологическая оценка сортов Вятка 2, Крона 2, Дымка 2, Кировская 89, Фаленская 4 и Снежана показала, что содержание крахмала в их зерне составляет 58.60 %, протеина - 13.15 %.
Совместные исследования, проводимые в течение ряда лет, позволили улучшить технологические качества зерна сортов озимой ржи, как сырья для производства крахмала. В частности его содержание в зерне сортов Вятка 2 и Фаленская 4 удалось повысить на 2,5 %, Кировская 89 - на 0,8 %, а концентрацию белка снизить на 1,4, 3,5 и 4,8 % соответственно.
Для дальнейшего увеличения степени извлечения крахмала проведена технологическая оценка различных по толщине фракций зерна из питомников размножения первого года. Это позволило установить, что массовая доля крахмала при толщине зерновок 2,5. 3,0 мм выше, чем во фракции 2,0.2,5 мм, на 0,1.0,2 %,
а по сравнению с фракцией 1,7...2,0 мм, на 0,3...1,9 %. В результате при переработке на лабораторной установке «завод на столе» выход крахмала из зерна крупной фракции разных сортов ржи на 0,3...1,9 % больше, чем из зерна мелкой фракции. При этом оптимальный выход крахмала А составил 35 %, а концентрация крахмала Б в крахмалсодержащем продукте для производства спирта - 65.70 %.
Исследования показали, что на крахмалистость зерна ржи влияют в первую очередь его сортовые особенности, затем климатические и почвенные условия.
Гранулометрический состав зерен крахмала ржи довольно значительно отличается от свойственного другим видам крахмалов. В частности, на долю фракции 30.60 мкм приходится около 50 %, что близко к картофельному крахмалу. Более крупные размеры крахмальных зерен позволяют получать продукцию высокого качества благодаря улучшению очистки от примесей.
Результаты сравнительного анализа свидетельствуют, что наименьшей начальной температурой клейстеризации характеризуются ржаной и ячменный крахмал, а наиболее высокой - кукурузный и рисовый, что определяет допустимую температуру технологических процессов при измельчении исходного сырья и извлечении крахмала [3].
Образование высоковязких ржано-мучных суспензий ухудшает технологические свойства зерна ржи, как в хлебопечении [4], так и при переработке на крахмал и спирт, а также приготовлении и использовании кормов. Исследования по снижению их вязкости с применением ферментного препарата Целловиридин Г10Х показали, что при температуре 40 0С она уменьшается до 30 мПа.с, или более чем в 10 раз. При этом суспензия достаточно легко разделяется на 3 фазы, что позволяет с высокой эффективностью осаждать зерна крахмала в центробежном поле.
Предварительное замачивание зерна ржи в слабой сернисто-кислотной среде для растворения белковых композиций и ферментативная обработка с применением препарата Целловиридин Г10Х обеспечивает переход в водорастворимое состояние до 15 % сухих веществ ржано-мучной суспензии.
Проведенные исследования процесса получения белково-углеводного концентрата из зерна ржи с применением ферментных препаратов позволили получить продукт с глюкозным эквивалентом 30 %, содержащий до 30 % белка, а также минеральные вещества и витаминные комплексы.
Выделенный ржаной крахмал с применением ранее разработанных технологий можно подвергать переработке на сахаристые продукты и модифицированные крахмалы [6, 7].
Во ВНИИ крахмалопродуктов проведены исследования по разработке технологии глубокой переработки ржи как крахмалсодержащего сырья без выделения крахмала. Она включает биоконверсию некрахмальных компонентов ржаной муки с использованием гидролаз целлюлолитического и протеолитического действия. Разработан технологический режим экстрагирования ржаной муки с получением белково-углеводного продукта, содержащего 20.30 % белка, 15.30 % редуцирующих веществ, минеральные вещества и витамины. Для повышения его эффективности использована композиция протеолитического ферментнлого препарата Дистицим Протацид Экстра и ксиланазы Дистицим XL, при этом выход углеводно-белкового продукта из
ржаной муки в пересчете на сухие вещества составил 23.25 %.
Изучение процесса биоконверсии некрахмальных компонентов ржаной муки различной степени помола с применением гидролаз целлюлолитического и протеолитического действия показало, что при размере частиц муки до 75 мкм в экстрактах увеличивается глюкозный эквивалент (ГЭ).
По результатам сравнительного анализа аминокислотного состава белково-углеводного концентрата, произведенного во ВНИИК и предоставленного Институтом переработки зерна (ФРГ) установлено, что продукт ВНИИК отличается более ценным аминокислотным состав (см. табл.) [5]. Это, на наш взгляд, объясняется оптимальной степенью помола зерна ржи и использованием композиции протеолитических и целлюлолитических препаратов для биоконверсии. Белково-углеводный концентрат представляет значительный интерес для применения в пищевой микробиологической промышленности.
Таблица. Аминокислотный состав белковоуглеводного концентрата, мг/мл
Аминокислота Белково-углеводный концентрат
ВНИИК Институт переработки зерна, ФРГ
Аспарагиновая кислота 0,3784 0,3487
Треонин 0,1219 1,1149
Серин 0,1380 0,1209
Глутаминовая кислота 0,6230 0,4872
Пролин 0,5803 0,4669
Глицин 0,1385 0,1212
Аланин 0,2710 0,2562
Валин 0,2255 0,1807
Метионин 0,0884 0,0760
Изолейцин 0,1422 0,1001
Лейцин 0,2815 0,2313
Тирозин 0,1004 0,0828
Фенилаланин 0,2044 0,1739
Лизин - -
Гистидин 0,0723 0,0632
Изучение влияние дозировки целлюлолитических ферментных препаратов, добавляемых на стадии осахаривания разжиженной суспензии при получении глюкозной и мальтозной патоки показало, что они расщепляют некрахмальные полисахариды, в результате чего снижается вязкость и улучшаются технологические свойства гидролизатов ржаной муки.
Наибольший эффект обеспечило использование препарата БсИеагсуте L. При добавлении его в дозе 0,006 % от сухого вещества (СВ) муки вязкость 15 %-ных растворов гидролизатов при температуре 30 оС составила 1,5.1,45 мПас, а в случае использования только амилолитических ферментных препаратов при осахаривании разжиженной мучной суспензии находилась в пределах 4.6,5 мПас. Помимо снижения вязкости гидролизатов применение целлюлолитических ферментных препаратов обеспечивает улучшение их фильтрационных свойств.
На основании положительных результатов испытаний ржаного сиропа разработана и запатентована технология его производства для применения в хлебопекарной промышленности при выработке темных сортов хлеба [8].
Ржаной сироп отличается достаточной сладостью, не кристаллизуется в процессе длительного хранения, содержит биологически активные компоненты (аминокислоты) в количествах, характерных для пчелиного мёда весной, витамины В1, В2 и РР в количествах, соот-
ветствующих их содержанию в овощах и фруктах, ма-кро- и микроэлементы (магний, калий, фосфор и др.)
Во ВНИИК ведется разработка технологии производства из зерна ржи сахаристого продукта для пищевых и кормовых целей. В качестве сырья использовали зерно сорта Вятка, измельченное на штифтовой мельнице ПЛИ-1. Содержание сухих веществ в полученной муке составляло 89,6 %, крахмала -57,97 % (от сухого вещества), растворимых веществ
- 11,2 % (от СВ). Приготовление суспензии ржаной муки с гидромодулем 1:3 осуществляли путем смешивания муки с питьевой водой, подогретой до 50 оС, рН суспензии доводили до величины, оптимальной для действия препарата ксиланаза - 5,5. Обработку суспензии препаратом проводили при температуре 55 оС и постоянном перемешивании в течение 1 ч. Разжижение и декстринизацию затора в присутствии препарата термостабильной бактериальной альфа-амилазы осуществляли при постоянном перемешивании и нагревании со скоростью 1,5 оС/мин до 70 оС, после чего выдерживали в течение 20 мин, продолжали нагревание до 95 оС, при которой выдерживали еще 30 мин. Затем для достижения полноты клейстеризации крахмала муки, продукт обрабатывали в закрытом сосуде под давлением 0,1.0,15 мПа в течение 5.7 мин. По окончании термообработки
проводили йодную пробу на отсутствие крахмала. Разваренную массу охлаждали до 60 0С, доводили рН до 4,3 и вносили препарат глюкоамилазы. Продолжительность осахаривания при периодическом перемешивании составляла 24 ч, после чего продукт подвергали центрифугированию для разделения на твердую и жидкую фракции. Полученный сироп уваривали до 71 % СВ, а осадок высушивали при 60 оС до 95,0.96,5 %. Выход жидкой фракции (сироп) в пересчете на сухие вещества составил 51,8 % (ГЭ
- 40,1%), твердой - 48,2 %, (растворимые углеводы
- 6,1%, растворимые вещества - 28,5 %).
Варьирование параметров процессов разжижения и осахаривания, дозировок ферментных препаратов и продолжительности осахаривания показало, что содержание редуцирующих углеводов в осахаренной массе и их состав зависят от перечисленных технологических параметров процесса и могут быть уточнены в соответствии с требованиями потребителей.
Выводы. Таким образом, в ходе исследований проведена технологическая оценка разных сортов ржи и разработана комплексная технология переработки ее зерна, обеспечивающая возможность вовлечения невостребованных ресурсов ржи и производство из неё сахаристых и белковых продуктов пищевого и кормового назначения.
Литература.
1 Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. - М.: Пищепромиздат, 2001. - 282 с.
2. Андреев Н.Р., Ладур Т.А., Филлипова Н.И. Переработка ржи на крахмал и крахмальный сахар. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1995. - Сер. 19. - Вып. 1. - 28 с.
3.Беркутова Н.С., Швецова И.А. Технологические свойства пшеницы и качество продуктов ее переработки. - М.: Колос, 1984
4. Бутковский В.А. Мукомольное производство. - М.: Колос, 1983. - 351 с.
5. Ладур Т.А., Лукин Н.Д. Закономерности биоконверсии крахмала с применением ферментных препаратов - М.: Сборник трудов ВНИИК. - 2002
6. Андреев Н.Р., Лукин Н.Д., Филиппова Н.И..// Рожь - сырье для производства сахаристых и белковых продуктов //Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2008.. - № 11. - С. 248-253
7. Лукин Н.Д. Основы технологии порошкообразных и гранулированных сахаристых крахмалопродуктов. - М.: МГУПБ. -1999. - 60 с.
8. Ладур Т.А., Андреев Н.Р., Лукин Н.Д. и др. Способ получения сахаристых продуктов из ржи. - Патент РФ № 2085590, Бюл. 1997, № 21
DEVELOPMENT OF COMPLEX PROCESSING OF RYE INTO STARCH AND SWEETENERS N.R. Andreev, N.D. Lukin, T.V. Lapidus, Z.M. Borodina, N.K. Lapteva, L.I. Kedrowa
Summary. There was carried out technological estimation of different varieties of rye. Complex technology of winter rye processing into starch, sweeteners and carbohydrate products for food and feed was developed, providing the possibility to involve unclaimed resources of rye.
As a result of rye processing using hydrolysis of cellulolitic, proteolitic and amilolitic action we received glucose and maltose syrups, carbohydrate concentrate.
Key words: rye, varieties of rye, rye flour, starch, enzymes, hydrolysis, glucose syrups, carbohydrate concentrate.
УДК 633.14:663.43
КАЧЕСТВО РЖАНОГО СОЛОДА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРОИЗВОДСТВА ЗЕРНА, СОРТОВЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КУЛЬТУРЫ И РЕЖИМОВ ФЕРМЕНТАЦИИ
Н.К. ЛАПТЕВА, кандидат сельскохозяйственных Е.И. УТКИНА, кандидат биологических наук, зав. наук, зав. лабораторией лабораторией
Л.И. КЕДРОВА, доктор сельскохозяйственных Н.З. САФИНА, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. отделом наук, научный сотрудник
Достижения науки и техники АПК, №6-2012 _______________________________________ 81
