CC BY
71БИОТЕХНОЛОГИИ
УДК: 663.81
Усовершенствование технологии плодово-ягодных соков с использованием пектолитических ферментов
Бутова Светлана Николаевна1, Вольнова Екатерина Романовна1, Николаева Юлия Владимировна1, Едличкова Яна2
1 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств»
2 ООО «AJETO», Прага, Чехия
Корреспонденция, касающаяся этой статьи, должна быть адресована Николаевой Ю.В., ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств», адрес: 125080, город Москва, Волоколамское шоссе, дом 11. E-mail: organikamgupp@mail.ru
В условиях неблагоприятной экологической обстановки, нарушения структуры питания населения, ограниченности сырьевых растительных источников пищи существует потребность в высококачественных пищевых продуктах, отвечающих не только отечественным, но и зарубежным требованиям. Особое значение в структуре питания имеют плодово-ягодные соки и напитки на их основе, обладающие высокой пищевой ценностью. Перед соковой индустрией уже давно стоит вопрос создания технологии, позволяющей максимально извлекать сок без потери его питательных и органолептических свойств. В настоящей статье предложен способ усовершенствования технологии получения сока из яблок и черной смородины при помощи использования пектолитических ферментов, продуцентом которых являются дрожжи Zygofabospora татапа ВКМ Y-848. В ходе проведения исследований было установлено, что действие дрожжевой эндополигалактуроназы (активность 3000 ед/см3) в дозировке от 0,004 до 0,01 % к массе сырья в диапазоне температур от 10 °С до 40 °С в течение 2-24 часов существенно увеличивает выход сока. При добавлении 0,01 % фермента к массе мезги при температуре 30 °С и продолжительности гидролиза 12 часов выход сока увеличился на 25-30 %. Также, в результате действия фермента снизилась кислотность соков на 15-45 % в зависимости от вида сырья. Количество сахаров в яблочном соке увеличилось на 3-5 %, в черносмородиновом соке содержание сахара возросло на 12-15 % по сравнению с соками, полученными из сырья, не подвергавшемуся ферментативной обработке. Ключевым моментов исследования стало снижение вязкости соков, что в дальнейшем существенно увеличило скорость фильтрации. Таким образом, была доказана целесообразность применения ферментов пектолитического действия в технологии соковых продуктов с целью её усовершенствования.
Ключевые слова: пектолитические ферменты, яблоки, черная смородина, сок, ферментативный гидролиз, дрожжи Zygofabospora татапа ВКМ Y-848
Введение
Создание ресурсосберегающих технологий, безотходных и малоотходных производств является актуальной задачей экономической и экологической обстановки в современном мире. Перед человеческим обществом уже давно возникла проблема ограниченности пищевых ресурсов, в частности источников пищевых веществ растительного происхождения. Одним из путей решения этой проблемы является создание биотехнологических производственных циклов, позволяющих пол-
ностью перерабатывать растительное сырьё, включая деградацию отходов. Ключевая роль в организации таких процессов принадлежит ферментным препаратам, особенно мультиэнзимным комплексам.
Литературный обзор
Плодоовощная промышленность, как один из крупнейших секторов АПК России, в настоящее время нуждается в решении вопроса, касающего-
_II_/
_ Как цитировать _
Бутова, С. Н., Вольнова, Е. Р., Николаева, Ю. В., & Едличкова, Я. (2020). Усовершенствование технологии плодово-ягодных соков с использованием пектолитических ферментов. Health, Food & Biotechnology, 2(1). https://doi.org/10.36107/ hfb.2020.i1.s296
Материал опубликован в соответствии с международной . _ „
лицензией Creative Commons Attribution 4.0. 128
ся переработки растительных отходов (Исригова, 2018). Отходы растительного сырья в сыром виде представляют большую угрозу для окружающей среды, помимо этого, образование отходов в большом количестве существенно снижают производственную и экономическую эффективность предприятий (Шамцян, 2011).
В связи с этим, в технологиях переработки плодового и ягодного сырья стали активно применятся ферментные комплексы, обладающие пектолитической активностью (Толкачева, 2017; Артюлова, 2018). Пектолитические ферменты способны катализировать распад отходов плодовых и ягодных перерабатывающих производств, главным образом, осуществляя деструкцию пектиновых веществ клеточных стенок растительных клеток (Римарева, 2017)1.
Пектолитические ферменты пользуются большим спросом у производителей пищевых продуктов, особенно в индустрии сокосодержащих напитков (Mahmodu, 2017; Fauster, 2020), что свидетельствует о необходимости проведения исследований, направленных на поиск новых перспективных продуцентов пектиназ, анализ физико-химических и биохимических особенностей роста продуцентов, синтез ферментов, выделение и очистку ферментов, не имеющих сопутствующей пектинэстеразы. Наличие пек-тинэстеразы в комплексе резко снижает вязкость сока, тем самым создание соков с мякотью становится невозможным, так как происходит их расслоение (Кожухов, 2003). Особую значимость имеют исследования, посвященные практическому применению пектиназ в технологии переработки плодового, ягодного сырья и их отходов.
В соковой промышленности пектолитические ферменты уже зарекомендовали себя как эффективное вспомогательное технологическое средство, позволяющее снижать количество отходов, осветлять соки, ускорять фильтрацию посредством снижения вязкости (Шубаков, 2013; Сергеева, 2013). Что касаемо переработки растительных отходов соковой промышленности (жомов, выжимок, мезги и т.д.), то и в данном случае пектолитические ферменты оказывает неоценимую пользу - способствуют выделению из отходов пищевых натуральных красителей, танинов и, что имеет особое значение, пектиновых веществ (Аверьянова, 2015; Nikitchina, 2015).
Теоретическое обоснование
Для выделения и синтеза пектолитических ферментов большое значение имеет вид и природа продуцента. Согласно результатам ряда авторитетных исследований, уже изучены продуценты бактериальной и дрожжевой природы: Bussochlamys fulva, кулитвируемый на жидкой среде (Lakhanpal, 2016); плодовые тела Pleurotos sajor-caju - твердофазное культивирование (Pereira, 2017); Aspergillus niger, культивируемый на твёрдой среде (Mahmodi, 2017); Aspergillus flavapes FP-500, культивируемый на жидкой питательной среде (Torres-Barajas, 2019); Aspergillus foetidus - твёрдофазное культивирование (Semenova, 2019); Aurobasidium pullulans GM-R-22 (Merin, 2018); Penicillium canescens, Penicillium verruculosum - культивирование на жидкой среде (Semenova, 2019); Bacillus licheniformis DY 2 (Du, 2019), Bacillus safensis M 35, Bacillus altitudinis R 31, J 208, культивируемые на жидкой среде (Thite, 2019); Paenibacillus barengoltzii A1-50 L 2 - жидкофазное культивирование (Ticona, Alonso, 2020).
Очевидно, что при выборе продуцента пектолитических ферментов предпочтение отдают микроорганизмам дрожжевой природы. Это связано, в первую очередь, с тем, что они «технологичны»: дрожжи без особого труда культивируются в промышленных условиях, обладают высокой скоростью роста и размножения, продуцируют в достаточном количестве ферментативные комплексы и легко отделяются от куль-туральной среды (Банницына, 2016; Гугучкина, 2013).
Отмечено, что наибольшее распространение получило жидкофазное культивирование в силу простоты проведения культивирования, возможности его контроля и др. Однако выращивание продуцентов на твёрдых средах имеет большой потенциал: низкая массовая доля влаги существенно снижает риск контаминации посторонними микроорганизмами, близость к природной среде размножения большинства грибов, малые энергозатраты, высокая концентрация необходимого биопродукта и пр. (Кулишов, 2014).
Zigofabospora marxiana - это род дрожжей, который уже доказал свою эффективность накопления комплекса пектолитических ферментов,
1 Шлейкин, А. Г. (2015). Основы биоконверсии: Учеб-метод. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 23-27.
которые были использованы в ферментативной обработке растительного сырья, содержащего пищевые красители, флавоноиды (Кривченкова, 2012). По литературным данным Zigofabospora marxiana способна синтезировать до 90 % из всех секретируемых белков полигалактуроназу (Шаламитский, 2014). Целесообразно исследовать возможность применения данного продуцента в переработке плодово-ягодного сырья и отходов.
Исходя из этого, целью настоящей работы является экспериментальное обоснование биотехнологических процессов деградации плодово-ягодного сырья и отходов пектолитическими ферментами дрожжей Zigofabospora marxiana для усовершенствования технологии плодово-ягодных соков. Для реализации цели ставились следующие задачи:
1. исследование характеристик продуцента Zigofabospora marxiana и Aspergillus;
2. определение оптимальных условий биосинтеза пектолитических ферментов;
3. установление оптимума работы полигалактуроназы;
4. исследование зависимостей выхода сока от различных параметров гидролиза (вида сырья, продолжительности процесса, температуры, количества ферментного препарата);
5. анализ основных качественных характеристик полученных соков.
Предполагается, что ферментативная обработка плодово-ягодного сырья и отходов комплексом пектолитических ферментов будет способствовать увеличению выхода, снижению продолжительности производственного цикла и улучшению орга-нолептических и потребительских свойств соков.
Материалы и методы Материалы
Продуценты пектолитических ферментов
• Дрожжи Zigofabospora marxiana BKM Y-848;
• Микроскопические грибы Aspergillus.
Плодово-ягодные отходы:
• яблочные отходы;
• цитрусовые отходы;
• черносмородиновые отходы.
Пектины:
• яблочный пектин;
• цитрусовый пектин;
• черносмородиновый пектин.
Методы
1. Определение ферментативных активностей пектолитических ферментов:
• пектолитическую активность определяли по ГОСТ Р 55298-2012; 2
• протеолитическую активность измеряли согласно ГОСТ 20264.2-88; 3
• глюкоамилазную активность - по ГОСТ 20264.4-89; 4
• целлюлазную активность по - ГОСТ Р 55293-2012;5
• гемицеллюлазную активность по - ГОСТ Р 55302-2012; 6
2. Определение массовой доли редуцирующих веществ, образовавшихся в ходе ферментативной реакции, определяли методом Шомоди-Нельсона (Серба, 2015).
Методика исследования Оборудование
Весы AND DL-2000 WP (2005 г. выпуска); вытяжной лабораторный шкаф ШВЛ-06.1; аэрометр АСП-1; термометр жидкостной стеклянный ТС-7-М1; влагомер МВ-23 Ohaus, магнитная мешалка MS-500 Intllab; термостат суховоздушный ТСО-1180 СПУ; фотоэлектроколориметр КФК-2УХЛ; холодильник Electolux ERN29850; электрическая плитка «Лазурь», водяная баня UT4308; автоклав лабораторный МПК-04; анализатор жидкости SevenCompact S220; эксикатор; центрифуга настольная ЕВА-20; встряхиватель лабораторный VM-2000; стеклянный капиллярный вискозиметр марки ВПЖ-1; лабораторная стеклянная посуда.
ГОСТ Р 55298-2012 Ферментные препараты для пищевой промышленности. Методы определения пектолитической активности Введ. 2014-01-01. М.: Стандартинформ, 2014. 15 с.
ГОСТ 20264.2-88 Препараты ферментные. Методы определения протеолитической активности (с Изменением N 1). Введ. 198901-01. Государственный комитет СССР по стандартам, 1989. 15 с.
ГОСТ 20264.4-89 Препараты ферментные. Методы определения амилолитической активности (с Изменением N 1). Государственный комитет СССР по стандартам, 1989. 27 с.
ГОСТ Р 55293-2012 Ферментные препараты для пищевой промышленности. Метод определения целлюлазной активности (с Поправкой, с Изменением N 1). Введ. 2014-01-01. Стандартинформ, 2014. 14 с.
ГОСТ Р 55302-2012 Ферментные препараты для пищевой промышленности. Метод определения ксиланазной активности. Введ. 2012-29-11. М.: Стандартинформ, 2013. 10 с.
4
6
Процедура исследования
Дрожжи Zigofabospora marxiana BKM Y-848 были взяты из отдела типовых культур Института микробиологии АН РФ, грибные микроорганизмы (Aspergillus) получены из коллекций кафедры биологии почв Московского Государственного Университета им. Ломоносова и кафедры биотехнологии Московского Государственного Университета пищевых производств.
Культивирование микроскопических грибов Aspergillus осуществляли в аэробных условиях, дрожжей Zigofabospora marxiana BKM Y-848 - в анаэробных. В качестве питательной среды был использован агар с добавлением яблочного сусла, основным углеродным компонентом среды служили пектиновые вещества различных растительных источников (яблочный, цитрусовый и черносмородиновый), вместо ранее изученной молочной сыворотки (Лыско, 2007). В качестве контрольного образца для дрожжей использовалась среда с молочной сывороткой, для грибов - среда с свекловичным жомом.
Определяли ферментативные активности (пекто-литическую, протеолитическую, глюкоамилазную, целлюлазную и гемицеллюлазную) полученных бесклеточных фильтратов дрожжевых и грибных культур общеизвестными гостированными методами.
Далее проводили ферментативный гидролиз субстратов (отходы яблочного, цитрусового и черносмородинового сырья) с использованием указанных фильтратов. Ферментацию осуществляли в течение 45-60 минут при температуре 28-30 °С. Для того, чтобы установить оптимум действия целевого фермента (полигалактуроназа) изучали влияние изменения рН (от 3,0 до 6,0) и температуры (28-37 °С).
На заключительной стадии исследования, в рамках настоящей статьи, исследовали влияние вида растительной добавки (яблочный пектин, цитрусовый
пектин, черносмородиновый пектин, яблочно-цитрусовая смесь пектинов) на ферментативные активности полученного ферментного комплекса. Рассматривали влияние продолжительности обработки (от 2 до 24 часов), температуры (от 10 до 40 °С) и концентрации ферментного комплекса со стандартной активностью дрожжевой эндополига-лактуроназы 3000 ед/см3 в диапазоне от 0,004 % до 0,01 % к массе субстрата на выход сока в % от массы сырья.
Полученные плодовые и ягодные соки подвергались органолептическому анализу, особое внимание обращали на прозрачность сока, физико-химическому анализу (определение вязкости, содержания редуцирующих веществ, титруемой кислотности).
Анализ данных
Количественные данные, полученные в ходе исследования, подчиняются нормальному закону распределения. Исходя из этого, для снижения % ошибки опытов и их воспроизводимости, рассчитывали среднее и стандартное отклонение, пользуясь пакетом прикладных программ STATISTICA.
Результаты
Установлены оптимальные условия культивирования продуцентов пектолитических ферментов на агаризованной питательной среде с добавлением яблочного сусла и пектиновых веществ: продолжительность 2,5-3 суток, температура 28-30 °С, для дрожжей Zigofabospora татапа ВКМ Y-848 оптимальны анаэробные условия, для Aspergullus - аэробные. В таблице 1 приведены характеристики указанных продуцентов.
При исследовании продуктивности Z. татапа в зависимости от вида и дозы посевного материала, установили, что высокий уровень активности эндополигалактуроназы проявляется при использовании инокулянта на вторые сутки в количе-
Таблица 1
Характеристика продуцентов пектолитических ферментов Z. marxiana, A. niger и A. foetidus
Активности ферментов, ед/см3
№ п.п. Продуценты Пектолитическая Протеолитическая Глюкоамилазная Целлюлазная Гемицеллюлазная
ПГ ПЭ С1 С х
1 Z. marxiana 1526 11,5 2,67 4,30 1,12 1,18 8,73
2 A. niger 330 13,0 1,25 4,10 0,32 0,07 3,21
3 A. foetidus 565 29,0 1,25 4,15 0,94 2,48 5,42
стве 1 % по объёму. При пересевах и хранении посевного материала при t= 4 °С, что чрезвычайно важно для промышленного использования продуцента, жизнеспособность культуры сохранялась.
При изучении влияния времени культивирования продуцента на накопление фермента отмечена лучшей 96-часовая продолжительность.
Был установлен оптимум действия целевого фермента: полигалактуроназа активна на 90 % при рН=4,5-5,5 и температуре 30 °С.
Далее определено влияние присутствия различных пектиновых веществ в питательной среде на активности пектолитических ферментов, результаты отражают диаграммы 1, 2, 3, 4, 5 и 6.
На заключительной стадии исследования, анализировался выход сока из плодово-ягодного сырья при различной продолжительности обработки ферментным комплексом в диапазоне его дозировок от 0,004 до 0,01 % к массе сырья. Установлено, что наилучших результатов удалось добиться при использовании пектолитических ферментов в
Диаграмма 1
Влияние пектиновых растворов на полигалактуроназную активность
2500
ш 2000
1500
1000
3 500
0
ы
Zygofabospora marxiana Aspergillus niger Aspergillus foetidus
■ контрольная среда «яблочный пектин ■ цитрусовый пектин ■ черносмородиновый пектин цитрусово-яблочный пектин
Диаграмма 2
Влияние пектиновых растворов на пектинэстеразную активность
s 35
„о
^ 30
$ 25 я
S 20 а
15
10
<
5
0
И- I I. I
II.
Zygofabospora marxiana Aspergillus niger Aspergillus foetidus
■ контрольная среда ияблочный пектин ицитрусовый пектин ■ черносмородиновый пектин цитрусово-яблочный пектин
Диаграмма 3
Влияние пектиновых растворов на протеалитическую активность
s 4 § 3,5
Св~ 3
£ 1,5
и
° 1 И 1
М S
0,5 0
Iii III Ii.
Zygofabospora marxiana Aspergillus niger Aspergillus foetidus
■ контрольная среда ■ яблочный пектин Ицитрусовый пектин ■ черносмородиновый пектин цитрусово-яблочный пектин
® 2,5
2
Диаграмма 4
Влияние пектиновых растворов на целлюлазную активность
Zygofabospora Zygofabospora Aspergillus niger Aspergillus niger Aspergillus Aspergillus marxiana С1- marxiana Сх- С1-фермента Сх-фермента foetidus С1- foetidus Cx-фермента фермента фермента фермента
■ контрольная среда ■ яблочный пектин ■ цитрусовый пектин ■ черносмородиновый пектин цитрусово-яблочный пектин
Диаграмма 5
Влияние пектиновых растворов на глюкоамилазную активность_
^ 6
S 4
2 2
1.1 II. II.
Zygofabospora marxiana Aspergillus niger Aspergillus foetidus
■ контрольная среда ■ яблочнвш пектин ■ цитрусовый пектин ■ черносмородиновый пектин цитрусово-яблочный пектин
Диаграмма 6
Влияние пектиновых растворов на гемицеллюлазную активность
1 14 § 12
oj
g 10 и
и
g 8
2 4
2
0
II .1
III
Zygofabospora marxiana Aspergillus niger Aspergillus foetidus
■ контрольная среда ■ яблочнвш пектин ■ цитрусовый пектин ■ черносмородиновый пектин цитрусово-яблочный пектин
количестве 0,01 % к массе сырья при температуре 30 °С, продолжительности 12 часов. Результаты отражает диаграмма 7.
Обсуждение полученных результатов
Анализ пектолитического комплекса ферментов у дрожжей Z. marxiana и грибов A. niger и A. foetidus свидетельствует о наибольшей способности дрожжей накапливать полигалактуроназу, со-
ставляющую около 90 % от всех присутствующих белков, что подтверждается литературными данными (Шаламский, 2014). Но, наличие гена, контролирующего образование целевого фермента, не означает, что его биосинтез будет в достаточном количестве. Исходя из этого, был необходим подбор качественного и количественного состава питательной среды. Исследовав влияние наличия пектиновых веществ в среде на синтез пектолитических ферментов и их активность, можно констатировать, что все используемые растворы
7
5
3
1
0
6
Диаграмма 7
Зависимость выхода сока от продолжительности действия фермента
Контроль
2 часа 6 часов 12 часов
■ Яблоки ■ Цитрусовые ■ Чёрная смородина
24 часа
пектинов увеличивали накопление пектиназ, в частности полигалактуроназы. Однако стоит отметить и негативный момент: увеличение полигалак-туроназной активности сопровождается накоплением пектинэстераз, которое, как свидетельствуют ранее проведённые исследования (Кожухов, 2003), отрицательно скажется в дальнейшем на качестве сока. Соответственно, существует необходимость в очистке ферментного комплекса от нежелательных составляющих.
Полученные ферменты были апробированы на плодово-ягодном сырье. В ходе этого было выяснено, что выход сока увеличился на 25-30% (варьируется в зависимости от вида сырья). Оптимальными признаны следующие параметры: количество ферментного комплекса 0,01 % от массы сырья, продолжительность - 12 часов, температура 30 °С. Увеличение продолжительности гидролиза приводило к процессам брожения в соке, о чём свидетельствовало снижение массовой доли редуцирующих веществ, а также ухудшалась прозрачность сока, фильтрация была затруднена.
Полученные соки прошли органолептические (цвет, вкус, запах, прозрачность) и физико-химические испытания, показатели соответствовали требованиям ГОСТ 32920-2014. 7
Установлено, что обработка ферментами привела к снижению кислотности соков на 14-45 %, увеличению массовой доли сахара у яблочного сырья на 3-5 %, у черносмородинового сырья на 12-15 % и у цитрусового сырья на 3-3,5 %. Наблюдали снижение вязкости соков от 5 до 18 %, что привело, в ко-
нечном счёте, к увеличению эффективности и скорости фильтрации.
Заключение
Таким образом, можно утверждать о возможности использования дрожжей Z. татапа в качестве промышленного продуцента пектолитических ферментов, который имеют перспективы использования в переработки отходов плодово-ягодного сырья. Очищенные пектолитические ферменты указанных дрожжей могут стать эффективным технологическим вспомогательным средством, позволяющим осветлять соки и сокосодержащие продукты, увеличивать скорость фильтрации.
Литература
Аверьянова, Е. В., & Грищенко, О. В. (2015). Комплексная переработка вторичных продуктов сокового производства на примере жома жимолости. В Фундаментальные и прикладные аспекты биотехнологии (с. 98-100).
Артюхова, С. И., Красникова, Ю. В., & Плохова, И. Ю. (2018). Анализ рынка ферментов промышленного назначения. В Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии (с. 67-68).
Банницына, Т. Е., Канарский, А. В., Щербаков, А. В., Чеботарь, В. К., & Кипрушкина, Е. И. (2016). Дрожжи в современной биотехнологии. Вестник Международной академии холода, 1, 24-29.
7 ГОСТ 32920-2014 Продукция соковая. Соки и нектары для питания детей раннего возраста. Общие технические условия. Введ. 2016-01-01. М.: Стандартинформ, 2015. 16 с.
Гугучкина, Т. И., & Агеева Н. М. (2013). Биотехнология - ключевое звено в развитии виноделия. Научные труды Государственного научного учреждения Северо-Кавказского зонального научно-исследовательского института садоводства и виноградарства Российской академии сельскохозяйственных наук, 4, 59-62.
Исригова, В. С., Исригова, Т. А., Салманов, М. М., Сайпуллаев, А. Н., & Курбанова, А. Б. (2018). Использование вторичных ресурсов для производства продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности. В Инновационный подход в стратегии развития апк россии (с. 94-99).
Кожухов, М. А., Теркун, А. Н., Рожков, С. Е. (2003). Биотехнологические методы в производстве плодоовощных соков и нектаров. Известия вузов. Пищевая технология, 4, 5-8.
Кривченкова, М. В., & Бутова, С. Н. (2012). Совершенствование способов извлечения биологически активных веществ фенольной природы из растительного сырья. Известия вузов. Пищевая технология, 4, 56-58.
Кулишов, Б. А., & Туан, Л. А. (2014). Применение технологии твердофазной ферментации в производстве биопродуктов. Вестник Казанского технологического университета, 17 (23), 258-261.
Лыско, К. А. (2007). Разработка технологии дрожжевых обогатителей пищи на базе молочной сыворотки и растительного сырья [Кандидатская диссертация, Московский государственный университет пищевых производств]. Москва, Российская Федерация.
Римарева, Л. В., Серба, Е. М., Соколова, Е. Н., Борщева, Ю. А., & Игнатова, Н. И. (2017). Ферментные препараты и биокаталитические процессы в пищевой промышленности Вопросы питания, 86(5), 63-74.
Серба, Е. М., Оверченко, М. Б., Кривова, А. Ю., Игнатова, Н. И., & Римарева, Л. В. (2015). Разработка метода определения содержания полисахаридов в биомассах микроорганизмов. Хранение и переработка сельхозсырья, 7, 31-35.
Сергеева, И.Ю. (2013). Классификация стабилизирующих средств, используемых в индустрии напитков. Техника и технология пищевых производств, 4 (31), 78-86.
Толкачева, А. А., Черенков, Д. А., Корнеева, О. С., & Пономарев П. Г. (2017). Ферменты промышленного назначения - обзор рынка ферментных препаратов и перспективы его развития. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 79 (4), 197-203.
Шаламитский, М. Ю. (2014). Исследование эндо-полигалактуроназной активности разных видов дрожжей. В Инновации в науке, 9(34),35-41.
Шамцян, М. М., Колесников, Б. А., Клепиков, А. А., & Касьян, О. В. (2011). Биотехнологическая переработка отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности. Российский химический журнал, 55(1), 17-25. Шубаков, А. А. (2013). Регуляция активности пек-тинэстеразы микромицетов родов Aspergillus и Penicillim. Микология и фитопатология, 47(1), 46-50.
Abdollahzadeh, R., Pazhang, M., Najavand, S., Fallahzadeh-Mamaghani, V., Amani-Ghadim, & Ali Reza. (2020). Screening of pectinase-producing bacteria from farmlands and optimization of enzyme production from selected strain by RSM. Folia Microbiologica. https://doi.org/10.1007/ s12223-020-00776-7 Du, Xi, Wang, D., Yin, D., Guan, Y.,& Ye, X. (2019) Exogenous Glucose Promotes Growth and Pectinase Activity of Bacillus licheniformis DY2 Through Frustrating the TCA Cycle. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 24, 942-953. https:// doi.org/10.1007/s12257-019-0245-9p Fauster, T., Philipp, C.,-Hanz, K., Scheibelberger, R., Teufl, T., Nauer, S., Scheiblhofer, H., & Jaeger, H. (2020). Impact of a combined pulsed electric field (PEF) and enzymatic mash treatment on yield, fermentation behaviour and composition of white wine. European Food Research and Technology, 246, 609-620. https://doi.org/10.1007/ s00217-020-03427-w Gabriela Merin, M., & Ines Morata de Ambrosini, V. (2019) Kinetic and metabolic behaviour of the pectinolytic strain Aureobasidium pullulans GM-R-22 during pre-fermentative cold maceration and its effect on red wine quality (2018). International Journal of Food Microbiology, 285, 18-26. https:// doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2018.07.003 Garg, G., Singh, A., Kaur, A., Singh, R., Kaur, J., & Mahajan, R. (2016). Microbial pectinases: an ecofriendly tool of nature for industries. Biotechnology, 6, 47-59. https://doi.org/10.1007/ s13205-016-0371-4 Lakhanpal, A., Devi, A., & Gupta, R. (2016). Purification of Pectin Lyase from Byssochlamys fulva: Its Application in Wine Fermentation. Journal of Food Processing and Preservation, 40 (4), 615-623. https://doi.org/10.1111/jfpp.12641 Mahmoodi, M., Najafpour, G. D., & Mohammadi, M. (2017). Production of pectinases for quality apple juice through fermentation of orange pomace. Journal of Food Science and Technology. https://doi. org/10.1007/s13197-017-2829-8 Nikitchina, T.I.( 2015). Development of technology of composition pectolytic enzymes of the directed action. Науковий ei^rnЛьвiвського нацюнального утверситету ветеринарноi медицини та
6iотехномогiü iMeHi C.3. Гмицbкого, 17 (4), 80-86. Pereira, Giordana S., Cipriani, M., Wisbeck, E., Souza, O., Strapazzon, Juliana O., Gern, & Regina M. M. (2017). Onion juice waste for production of Pleurotus sajor-caju and pectinases. Food and Bioproducts Processing, 106, 11-18. https://doi. org/10.1016/j.fbp.2017.08.006 Semenova, M., V., Rozhkova, A. M., Osipov, D. O., Satrutdinov, A. D., Sinitsyna, O. A., Rubtsova, E. A., Kondrateva, E. G., Sinitsyn, A. P. (2019) Selection of the Optimal Enzyme Composition for Sugar Beet Pulp Conversion, 55 (6), 586-593 Thite, Vihang S., Nerurkar, Anuradha S. (2019) Crude Xylanases and Pectinases from Bacillus spp. Along with Commercial Cellulase Formulate an Efficient Tailor-Made Cocktail for Sugarcane Bagasse
Saccharification. Bioenergy Research. https://doi. org/10.1007/s12155-019-10050-5 Ticona, Alonso R. P., Ullah, Sadia F., Hamann, Pedro R., Lopes, Fabyano A. C., Noronha, Eliane F. (2020). Paenibacillus barengoltzii A1_50L2 as a Source of Plant Cell Wall Degrading Enzymes and Its Use on Lignocellulosic Biomass Hydrolysis. Waste and Biomass Valorization. https://doi.org/10.1007/ s12649-020-00975-w Torres-Barajas, L. R., Alvarez-Zuniga, M. T., Mendoza-Hernandez, G., Aguilar-Osorio, G. (2019). Analysis of polysaccharide hydrolases secreted by Aspergillus flavipes FP-500 on corn cobs and wheat bran as complex carbon sources. Preparative Biochemistry & Biotechnology. https://doi.org/10.1 080/10826068.2019.1700518
BIOTECHNOLOGY
/ \
Improvement of Fruit-Berry Juices
Technology using Pectolytic Enzymes
Svetlana N. Butova1, Ekaterina R. Volnova1, Yulia V. Nikolaeva1, Jana Jedlickova2
1 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств»
2 AJETO, Prague, Czech Republic
Correspondence concerning this article should be addressed to Yulia V. Nikolaeva,
Moscow State University of Food Production, 11 Volokolamskoe highway,
Moscow, 125080, Russian Federation. E-mail: organikamgupp@mail.ru
In the conditions of unfavorable ecological situation, disruption of the nutrition structure of the population, limited raw plant food sources, there is a need for high-quality food products that meet not only domestic but also international requirements. Of particular importance in the nutrition structure are fruit and berry juices and drinks based on them, having high nutritional value. The juice industry has long been looking for a technology that allows extracting as much as possible juice without losing its nutritional and organoleptic properties. This article proposes a way to improve the technology of juice production from apples and blackcurrant using pectolytic enzymes obtained using Zygofabospora marxiana BKM Y-848 yeast. In the course of the studies it was found that yeast endopolygalacturonase (activity 3000 units/cm3) in a dosage from 0.004 to 0.01% of the weight of raw materials working within 2-24 hours at temperatures from 10 to 40 °C significantly increases the yield of juice. When adding 0.01% of the enzyme to the mass of skin and seeds' pulp at a temperature of 30 °C and the duration of hydrolysis of 12 hours, the yield of juice increases by 25-30%. Also, the enzyme decreased acidity of juices by 15-45% depending on the type of raw material. The amount of sugars in apple juice increased by 3-5%, in blackcurrant juice the sugar content increased by 12-15% compared to juices obtained from raw materials without enzymatic processing. The key points of the study were the reduction of the juice viscosity, which further significantly increased the filtration rate. Thus, the advisability of usage of enzymes of pectolytic action in the technology of juice products aimed at its improvement it was proved.
Keywords: pectolytic enzymes, apples, blackcurrant, juice, enzymatic hydrolysis, yeast Zygofabospora marxiana BKM Y-848
References
Aver'yanova, E. V., & Grishchenko, O.V. (2015). Complex processing of secondary products of juice production using the example of honeysuckle pulp. In Fundamental'nye i prikladnye aspekty biotekhnologii [Fundamental and applied aspects of biotechnology] (p. 98-100).
Artyuhova, S. I., Krasnikova, YU. V., & Plohova, I. YU. (2018). Market analysis of industrial enzymes. In Integraciya nauki i vysshego obrazovaniya v oblasti bio- i organicheskoj himii i biotekhnologii [Integration of science and higher education in the field of bio- and organic chemistry and biotechnology](p. 67-68).
Bannicyna, T. E., Kanarskij, A. V., Shcherbakov, A. V., CHebotar', V. K., & Kiprushkina, E. I. (2016). Yeast in modern biotechnology. Vestnik Mezhdunarodnoj akademii holoda [Bulletin of the International Academy of Refrigeration], 1, 24-29.
Guguchkina, T. I., & Ageeva N. M. (2013).
Biotechnology is a key link in the development of winemaking. Nauchnye trudy Gosudarstvennogo nauchnogo uchrezhdeniya Severo-Kavkazskogo zonal'nogo nauchno-issledovatel'skogo instituta sadovodstva i vinogradarstva Rossijskoj akademii sel'skohozyajstvennyh nauk [Scientific works of the State Scientific Institution of the North Caucasus Zonal Research Institute of Horticulture and Viticulture of the Russian Academy of Agricultural Sciences], 4, 59-62.
Isrigova, V. S., Isrigova, T. A., Salmanov, M. M., Sajpullaev, A. N., & Kurbanova, A. B. (2018). The use of secondary resources for the production of food of high nutritional and biological value. In Innovacionnyj podhod v strategii razvitiya apk rossii [Innovative approach in the development strategy of the agricultural agriculture of russia] (p.94-99).
Kozhuhov, M. A., Terkun, A. N., & Rozhkov, S. E. (2003). Biotechnological methods in the production of fruit and vegetable juices and nectars. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya [University News.
_ How to Cite _
This article is published under the Creative Butova, S. N., Volnova, E. R., Nikolaeva, J. V., & Jedlickova, J. (2020).
Commons Attribution 4.° International License. ^ Improvement of Fruit-Berry Juices Technology using Pectolytic Enzymes.
Health, Food & Biotechnology, 2(1). https://doi.org/10.36107/hfb.2020.i1.s296
Food technology], 4, 5-8.
Krivchenkova, M. V., & Butova, S. N. (2012). Improving the methods for extracting biologically active substances of phenolic nature from plant materials. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya [University News. Food technology], 4, 56-58.
Kulishov, B. A., & Tuan, L. A. (2014). The use of solidphase fermentation technology in the production of organic products. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University/, 7 (23), 258-261.
Lys'ko, K. A. (2007). Razrabotka tekhnologii drozhzhevyh obogatitelej pishchi na baze molochnoj syvorotki i rastitel'nogo syr'ya [Development of technology for yeast food fortifiers based on whey and plant materials]. Candidate's thesis. Moskva.
Rimareva, L. V., Serba, E. M., Sokolova, E. N., Borshcheva, YU. A., & Ignatova, N. I. (2017). Enzyme preparations and biocatalytic processes in the food industry. Voprosy pitaniya [Nutrition issues], 86(5), 63-74.
Serba, E. M., Overchenko, M. B., Krivova, A. YU., Ignatova, N. I., & Rimareva, L. V. (2015). Development of a method for determining the content of polysaccharides in the biomass of microorganisms. Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya [Storage and processing of agricultural raw materials], 7, 31-35.
Sergeeva, I. YU. (2013). Classification of stabilizing agents used in the beverage industry. Tekhnika i tekhnologiya pishchevyh proizvodstv [Technique and technology of food production], 4 (31), 78-86.
Tolkacheva, A. A., CHerenkov, D. A., Korneeva, O. S., & Ponomarev P. G. (2017). Enzymes for industrial use - an overview of the market of enzyme preparations and the prospects for its development. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technology], 79(4), 197-203.
Shalamitskij, M. YU. (2014). The study of endo-polygalacturonase activity of different types of yeast. In Innovacii v nauke [Innovation in Science], 9(34). 35-41.
Shamcyan, M. M., Kolesnikov, B. A., Klepikov, A. A., & Kas'yan, O. V. (2011). Biotechnological processing of agricultural and food waste. Rossijskij himicheskij zhurnal [Russian chemical journal], 55(1), 17-25.
Shubakov, A. A. (2013). Regulation of pectin esterase activity of micromycetes of the genera Aspergillus and Penicillim. Mikologiya i fitopatologiya [Mycology and phytopathology], 47(1), 46-50.
Abdollahzadeh, R., Pazhang, M., Najavand, S., Fallahzadeh-Mamaghani, V., Amani-Ghadim, & Ali Reza. (2020). Screening of pectinase-producing
bacteria from farmlands and optimization of enzyme production from selected strain by RSM. Folia Microbiologicahttps. https://doi.org/10.1007/ s12223-020-00776-7 Du, Xi, Wang, D., Yin, D., Guan, Y.,& Ye, X. (2019) Exogenous Glucose Promotes Growth and Pectinase Activity of Bacillus licheniformis DY2 Through Frustrating the TCA Cycle. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 24, 942-953. https:// doi.org/10.1007/s12257-019-0245-9p Fauster, T., Philipp, C.,-Hanz, K., Scheibelberger, R., Teufl, T., Nauer, S., Scheiblhofer, H., & Jaeger, H. (2020). Impact of a combined pulsed electric field (PEF) and enzymatic mash treatment on yield, fermentation behaviour and composition of white wine. European Food Research and Technology, 246, 609-620. https://doi.org/10.1007/ s00217-020-03427-w Gabriela Merin, M., & Ines Morata de Ambrosini, V. (2019) Kinetic and metabolic behaviour of the pectinolytic strain Aureobasidium pullulans GM-R-22 during pre-fermentative cold maceration and its effect on red wine quality (2018). International Journal of Food Microbiology, 285, 18-26. https:// doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2018.07.003 Garg, G., Singh, A., Kaur, A., Singh, R., Kaur, J., & Mahajan, R. (2016). Microbial pectinases: an ecofriendly tool of nature for industries. Biotechnology, 6, 47-59. https://doi.org/10.1007/ s13205-016-0371-4 Lakhanpal, A., Devi, A., & Gupta, R. (2016). Purification of Pectin Lyase from Byssochlamys fulva: Its Application in Wine Fermentation. Journal of Food Processing and Preservation, 40 (4), 615-623. https://doi.org/10.1111/jfpp.12641 Mahmoodi, M., Najafpour, G. D., & Mohammadi, M. (2017). Production of pectinases for quality apple juice through fermentation of orange pomace. Journal of Food Science and Technology. https://doi. org/10.1007/s13197-017-2829-8 Nikitchina, T.I.( 2015). Development of technology of composition pectolytic enzymes of the directed action. HayKoeuu eicHUK Rb6i6Cbкoгo нaцioнaмbнoгo yrneepcumemy eemepuHapHoi Med^rnu ma 6iomехнoмoгiu iMeHi C.3. Гмицbкoгo, 17 (4), 80-86. Pereira, Giordana S., Cipriani, M., Wisbeck, E., Souza, O., Strapazzon, Juliana O., Gern, & Regina M. M. (2017). Onion juice waste for production of Pleurotus sajor-caju and pectinases. Food and Bioproducts Processing, 106, 11-18. https://doi. org/10.1016/j.fbp.2017.08.006 Semenova, M., V., Rozhkova, A. M., Osipov, D. O., Satrutdinov, A. D., Sinitsyna, O. A., Rubtsova, E. A., Kondrateva, E. G., Sinitsyn, A. P. (2019) Selection of the Optimal Enzyme Composition for Sugar Beet Pulp Conversion, 55 (6), 586-593
Thite, Vihang S., Nerurkar, Anuradha S. (2019) Crude Xylanases and Pectinases from Bacillus spp. Along with Commercial Cellulase Formulate an Efficient Tailor-Made Cocktail for Sugarcane Bagasse Saccharification. Bioenergy Research. https://doi. org/10.1007/s12155-019-10050-5 Ticona, Alonso R. P., Ullah, Sadia F., Hamann, Pedro R., Lopes, Fabyano A. C., Noronha, Eliane F. (2020). Paenibacillus barengoltzii A1_50L2 as a Source of Plant Cell Wall Degrading Enzymes and Its Use
on Lignocellulosic Biomass Hydrolysis. Waste and Biomass Valorization. https://doi.org/10.1007/ s12649-020-00975-w Torres-Barajas, L. R., Alvarez-Zuniga, M. T., Mendoza-Hernandez, G., Aguilar-Osorio, G. (2019). Analysis of polysaccharide hydrolases secreted by Aspergillus flavipes FP-500 on corn cobs and wheat bran as complex carbon sources. Preparative Biochemistry & Biotechnology. https://doi.org/10.1 080/10826068.2019.1700518
