Новые технологии лимонной кислоты на основе крахмалсодержащего сырья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые технологии лимонной кислоты на основе крахмалсодержащего сырья

Шарова Н.Ю.

ГНУ Всероссийский НИИ пищевых ароматизаторов,

кислот и красителей Российской академии сельскохозяйственных наук

лимонная кислота крахмалсодержащий

До настоящего времени основным сырьем в производстве пищевой лимонной кислоты остается меласса, несмотря на ряд существенных факторов, осложняющих проведение технологического процесса. Основными из них являются непостоянный состав данного сырья, сравнительно невысокое содержание ферментируемых углеводов, использование токсичных химических реагентов для удаления из мелассы примесей, отрицательно влияющих на биосинтетическую способность продуцента лимонной кислоты.

В связи с актуальностью проблемы экологизации пищевых производств и получаемых продуктов, а также повышенными требованиями к охране окружающей среды необходим поиск доступных и безопасных источников сырья для микробиологического синтеза целевых продуктов, в том числе и лимонной кислоты.

Сотрудниками ГНУ ВНИИПАКК Россельхозакадемии исследована возможность использования для биосинтеза лимонной кислоты природных полисахаридов, входящих в состав зерна различных злаковых, а именно ржи, овса, ячменя, пшеницы, риса, кукурузы, а также клубней картофеля. В качестве сырья изучали помолы зерна и муку.

Проведены исследования по оценке микробиологической обсемененности различных образцов новых видов сырья, в результате которых установлено, что количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ), представленных в основном кокковой и бактериальной микрофлорой, соответствует требованиям для производства лимонной кислоты.

Изучение компонентного состава сырья показало, что помолы зерна и мука содержат значительное количество белковых веществ и клетчатки, трудно усвояемых продуцентами лимонной кислоты - штаммами микромицета Aspergillus niger. Кроме того, несмотря на активную собственную ферментную систему аспергиллов, включающую и амилолитические ферменты, для полного расщепления полисахаридов до моносахаров необходимо их перевести в более доступную для микроорганизмов форму. Учитывая сложность состава зерна, для повышения доступности крахмальной и белковой фракции, содержащих основные субстраты для биосинтеза промышленно важных метаболитов, применяют механическое (виброинерционное), кавитационное, акустическое (ультразвуковое (УЗ)), импульсное, тепловое (инфракрасное (ИК), экструзионное) воздействие на сырьё в сочетании с ферментолизом. Для гидролиза полимерных компонентов зернового сырья необходим индивидуальный подход при выборе спектра ферментных препаратов. Так, в зерне ржи присутствуют гемицеллюлозы и слизеобразующие вещества, затрудняющие биодеструкцию и отрицательно влияющие на биосинтетическую способность гриба-кислотообразователя Aspergillus niger. В зерне пшеницы значительную часть составляет белковая фракция. Для биокатализа полисахаридов и белковых веществ эффективны сочетания ферментных препаратов или мультиэнзимные композиции, обладающие б-амилазной, ксиланазной, целлюлазной, в-глюканазной, протеиназной активностью.

С этой целью исследовали следующие варианты обработки сырья: механическое разрушение зерна, температурное воздействие на водные суспензии помолов, ферментативный гидролиз.

В результате механического разрушения зерна ржи, овса, ячменя и пшеницы получены помолы, в которых 90 % составляет фракция частиц с размером 660-743 или 270-303 мкм. Для зерна ржи исследован и вариант более глубокой деструкции, а именно, до размера частиц 90-110 мкм. В результате экспериментов для изучаемого сырья установлен оптимальный гидромодуль, а именно, 1:3, который позволяет получать суспензию с реологическими свойствами, удовлетворительными для дальнейшего ферментативного гидролиза. Ферментативный гидролиз растительных полимеров проводили с использованием препаратов Целлюлазы, Протеиназы, Амилосубтилина. Углеводный состав гидролизатов анализировали количественным методом Зихерда - Блейера в модификации Смирнова, определяя содержание глюкозы, мальтозы и декстринов. Независимо от вида сырья удовлетворительные результаты ферментации в условиях встряхивающего аппарата АВУ-50Р получены для гидролизатов помолов с размером частиц 270-303 мкм.

Известно, что зерно, и в большей мере зерно ржи содержит сахара, способные связываться в гликопептидные комплексы. Свойство таких соединений образовывать слизи, которые снижают биосинтетическую способность гриба Aspergillus niger, значительно замедляет скорость биосинтеза лимонной кислоты. Для удаления этих веществ был исследован такой прием, как центрифугирование, позволяющий практически полностью удалить нерастворимую фракцию. Результаты исследований в данном аспекте гидролизатов ржаной муки показали, что использование в питательной среде их центрифугатов приводит к снижению биомассы продуцента в 1,5 раза и увеличению конверсии сахаров в лимонную кислоту на 20-22 %.

Наиболее высокие технологические показатели процесса ферментации получены при использовании в качестве источника углерода гидролизатов рисовой муки и крахмалов (кукурузный, картофельный, ржаной - опытная партия ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов), составы которых близки по содержанию углеводов, усвояемых продуцентом лимонной кислоты, и белковых соединений. В отличие от гидролизатов помолов зерна ржи, ячменя, пшеницы, овса и ржаной муки, в которых соотношение углерода и азота сбалансировано естественным образом для направленного биосинтеза лимонной кислоты (С:N=14-16), состав питательных сред на основе гидролизатов рисовой муки и крахмалов требует корректировку неорганическим источником азота. В итоге значение С:N, обеспечивающее активный биосинтез целевого метаболита, составило: для кукурузного и картофельного крахмала -75, ржаного крахмала - 50, рисовой муки - 20.

По совокупности полученных результатов, а именно, по уровню таких показателей процесса ферментации, как конверсия сахаров в лимонную кислоту, массовая доля лимонной кислоты в сумме органических кислот, а также по расходному коэффициенту сырья сделан вывод о том, что по значимости и перспективности в биотехнологическом аспекте и с экономической стороны исследуемые виды сырья можно расположить в следующем порядке: крахмалы - кукурузный, картофельный, ржаной; мука - рисовая, ржаная; зерно - пшеница, рожь, ячмень, овес.

Сравнительный анализ полученных данных свидетельствует о том, что достигнутые показатели процесса выше, чем для мелассы, традиционно используемой в производстве лимонной кислоты, за исключением зерна овса и ячменя. Следует отметить, что изучаемые виды сырья имеют ряд преимуществ перед мелассой и вследствие их химического состава. Поскольку зерно и продукты его переработки не содержат примеси, которые составляют значительный процент в составе мелассы - отходе производства сахара, то исключается необходимость использования токсичных химических реагентов (гексоцианоферрат калия и оксалат аммония) для их подготовки к ферментации. Кроме того, появляется возможность снижения отходов производства и сточных вод. Так, с использованием гидролизатов различных видов крахмала, ржаной и рисовой муки в ГНУ ВНИИПАКК Россельхозакадемии разработаны новые технологии лимонной кислоты, позволяющие получать кристаллическую лимонную кислоту по мембранной технологии. Отсутствие побочных кислот в составе культуральных жидкостей, полученных при ферментации гидролизатов крахмалов, создает перспективу выделения целевого продукта бесцитратным способом, что исключает проблему утилизации таких отходов классического производства лимонной кислоты, как фильтрата цитрата кальция и гипсового шлама. В итоге значительно снизится экологическая нагрузка, а потенциальным отходом производства станет только мицелий гриба-продуцента, который может быть применен в качестве белковой добавки к корму для животных или источника получения хитинглюканового комплекса. Кроме того, сопутствующими метаболитами биосинтеза лимонной кислоты при ферментации крахмалсодержащего сырья являются амилолитические ферменты, востребованные в хлебопечении, пивоварении, крахмалопаточной отраслях пищевой промышленности и присутствующие на отечественном рынке в основном в составе импортных ферментных препаратов и мультиэнзимных композиций. Корректировка состава питательной среды и условий культивирования продуцентов при использовании гидролизатов крахмалов и муки позволили получить препараты амилолитических ферментов с активностью на уровне известных препаратов аналогичного спектра действия (б-амилаза - 700-900 ед./г, глюкоамилаза - 10000-15000 ед./г).

На основе ферментных препаратов созданы комплексные пищевые добавки, испытание которых в хлебопечении и пивоварении показало возможность их применения в технологиях, требующих проведения процесса при низких значениях рН. В частности, эффективно их использование для интенсификации процесса брожения при приготовлении хлебобулочных изделий. Результаты испытаний комплексного ферментного препарата, содержащего в основном б-амилазу и глюкоамилазу, в технологиях приготовления хлеба из муки пшеничной высшего сорта (совместно с сотрудниками СПбФ ГНУ ГОСНИИХП Россельхозакадемии) позволили рекомендовать его в качестве вспомогательного технологического средства для хлебопечения. Так, наблюдалось улучшение подъемной силы теста опытных вариантов до 5-3 мин против 11 мин в контрольном тесте. Это, очевидно, связано с высокой глюкоамилазной и осахаривающей способностью комплексного препарата, обеспечивающей достаточное количество простых сахаров - углеводного питания для дрожжей. Выпеченные опытные образцы хлеба характеризовались лучшими физико-химическими показателями. Увеличение удельного объема составило от 6 % до 12 %, а пористости - от 4 % до 15 % против контрольного образца. При хранении опытных образцов изделий в течение 24 ч и 48 ч наблюдали замедление процесса черствения. В сравнении с контрольными образцы хлеба, приготовленные с применением комплексного препарата, характеризовались несколько осветленным и нежным мякишем. Пористость хлеба была тонкостенная. Результаты исследований препаратов в пивоварении показали, что они в небольших количествах (0,005-0,0,10 % к массе солода - для порошкообразного препарата) способствуют увеличению содержания редуцирующих веществ на стадии приготовления пивного сусла, в основе которого лежат процессы осахаривания полисахаридов сырья. Это, в свою очередь, положительно отражается на качестве готовой продукции: содержание спирта в пиве увеличилось на 8-10 %.

Таким образом, гриб-кислотообразователь Aspergillus niger в определенных условиях культивирования способен продуктивно синтезировать наряду с основным продуктом и дополнительные метаболиты - ферменты, входящие в состав пищевых продуктов. Их введение в состав мультиэнзимных композиций, комплексных препаратов и пищевых добавок позволит разнообразить ассортимент продукции профильных предприятий.

По совокупности полученных данных сделан вывод о том, что создана перспектива расширения сырьевой базы профильных предприятий по производству лимонной кислоты, есть возможность выбора экологически безопасного сырья в условиях колебания цен на продовольственном рынке. Научно обоснована актуальность разработки технологий, позволяющих в одном технологическом процессе получать несколько продуктов микробного синтеза, являющихся пищевыми добавками и вспомогательными технологическими средствами, востребованными на отечественном рынке.

Размещено на Allbest.ru