Оценка эффективности ферментов, используемых в крахмалопаточном производстве

Введение. Создание высокоэффективных технологий новых видов продукции, отвечающей современным тенденциям и требованиям науки о питании, является одним из главных направлений развития производства сахаристых крахма-лопродуктов в России. Последние стали важным составным элементом мирового рынка подсла-дителей и оказывают значительное влияние на конъюнктуру рынка сахара. Производство крах-малопродуктов в нашей стране имеет широкую сырьевую базу, ассортимент продукции этой отрасли пищевой промышленности удовлетворяет потребности в крахмалопродуктах ряда важных отраслей народного хозяйства.

Последние достижения биотехнологии позволяют организовать производство сахаристых веществ путем промышленной трансформации менее ценных углеводов с использованием биологических катализаторов – ферментных препаратов. Ферментные препараты нашли широкое применение при производстве из крахмала глюкозных, мальтозных, глюкозо-фруктозных и фруктозных сиропов.

Ферментная конверсия крахмала обеспечивает гибкость при его переработке и позволяет удовлетворить потребность в разного вида углеводах на базе этого продукта. Легкая расщепляемость крахмала ферментами делает его хорошо усвояемым энергетическим материалом.

Крахмальная патока – продукт неполного гидролиза крахмала разбавленными кислотами или амилолитическими ферментами. В зависимости от степени гидролиза крахмала патока содержит различное количество глюкозы, мальтозы и декстринов.

В зависимости от способа производства и углеводного состава патоку подразделяют на следующие виды: низкоосахаренная, мальтозная, высокоосахаренная, карамельная [1]. Последняя является наиболее широко применяемым видом крахмальной патоки; она содержит около 40 % редуцирующих веществ; глюкозы – 14–20; мальтозы – 29–37; мальтотриозы – 10– 14 %. Присутствие высших сахаров обеспечивает сохранение консистенции и вязкости крахмальной патоки, вследствие чего она становится необходимым ингредиентом кондитерских изделий, регулирующим процесс кристаллизации сахарозы. Карамельная патока является универсальным и незаменимым улучшителем всех сортов хлеба и изделий расширенного ассортимента, выпекаемых из пшеничной муки. Она используется для изготовления десертов, пряников, печенья, кремов, глазури, некоторых видов конфет, пастилы, жевательной резинки, мороженого, мармелада [1]. Широкое расспрос-транение в крахмалопаточном производстве нашли α-амилазы (термофильные и мезофильные), γ-амилазы (глюкоамилазы, амилоглюко-зидазы, глюканглюкогидролазы).

Известно получение сахаристого продукта из крахмала с помощью препарата бактериальной α-амилазы Spezyme LT 300, полученного из генетически модифицированного штамма Bacillus amyloquefailus , с достаточно узким оптимумом действия в диапазоне рН (5,3–5,8). Но данный способ позволяет получать только глюкозу, что снижает его ценность в свете текущей переориентации пищевой промышленности на использование менее вредных для здоровья сахаров [2].

Получают крахмальную патоку и с использованием широко распространенного ферментного препарата Termamyl (термофильной α-амилазы). Этот фермент хотя и обладает таким положительным свойством, как пониженная зависимость от присутствия ионов кальция, но оптимум его действия находится при рН 6,5–7,0. Вследствие чего при приготовлении суспензии осуществляют подщелачивание ее содой до достижения указанного рН. Это приводит к увеличению количества минеральных веществ в глюкозном сиропе. Недостатком способа является его сложность и длительность. Кроме того, данный ферментный препарат является дорогостоящим [3].

Известен способ получения данного продукта, предусматривающий приготовление крахмальной суспензии, которую подают в емкость газовихревого биореактора и нагревают до 90– 98 °С. Затем проводят разжижение ее ферментным препаратом альфа-амилазой. Полученный гидролизат очищают и уваривают с получением патоки [4]. Данный способ имеет существенные недостатки: большие энергозатраты на создание вихревого потока для осуществления процесса ферментации крахмала, сложность и длительность технологического процесса.

Получают крахмальную патоку и способом, включающим приготовление крахмальной суспензии при перемешивании, нагревание, разжижение крахмальной суспензии, кавитационную обработку с нагреванием суспензии, разжижение крахмальной суспензии под действием ферментного препарата, охлаждение разжиженного крахмала до температуры осахаривания, обработку жидкого продукта осахаривающим ферментным препаратом в газовихревом биореакторе. В качестве ферментного препарата, разжижающего суспензию крахмала, может быть использована альфа-амилаза, или амило-субтилин. В качестве осахаривающего крахмальную суспензию ферментного препарата может быть использована глюкоамилаза, или β-амилаза [5]. Недостатками данного способа являются большие энергозатраты, сложность технологического процесса.

В настоящей работе впервые изучено влияние на все показатели качества патоки, произведенной из кукурузного и пшеничного крахмала, ферментных препаратов: 1) Lphera (термостабильная α-амилаза) – самый стабильный препарат нового поколения, позволяющий работать в очень широком диапазоне pH (4,5–7,0) и температур (55–96 °С), увеличить содержание восстанавливающих сахаров (глюкозный эквивалент); 2) Dextrozyme-1,5 (глюкоамилаза) – препарат, при использовании которого можно получить максимальный глюкозный эквивалент в процессе осахаривания. Данный ферментный препарат обеспечивает улучшенную фильтрацию и обладает высокой pH стабильностью. Способ получения патоки с помощью указанных ферментных препаратов не требует использования специализированного оборудования, по- вышенного давления и высоких температур, что уменьшает финансовые затраты на производство продукта. Немаловажно и то, что данные ферментные препараты и технология получения патоки являются более бюджетными по сравнению со всеми вышеупомянутыми.

Цель исследования – получение карамельной патоки из кукурузного и пшеничного крахмала с использованием амилолитических ферментов (термостабильной α-амилазы и глюкоамилазы) и изучение влияния последних на показатели качества и безопасности полученного сахаристого продукта.

Задачи: произвести карамельную патоку из кукурузного и пшеничного крахмала с использованием ферментов α-амилазы и глюкоамилазы; определить органолептические, физико-химические, микробиологические и токсикологические показатели качества полученной патоки; выявить наиболее эффективный фермент, позволяющий получить продукт высокого качества.

Объекты и методы. Для производства карамельной патоки использовали пшеничный и кукурузный крахмал, ферменты – коммерческие α-амилаза Lphera и глюкоамилаза Dextrozyme-1,5.

Получение патоки . Готовили суспензию 35 % (вес/объем) предварительно экстрагированных крахмалов. рН суспензии регулировали с использованием 0,2 моль/л фосфатного буфера с рН 6,0. Эту суспензию выдерживали при нагревании, повышая температуру на 1 °С в минуту до тех пор, пока крахмал полностью не растворится. После охлаждения раствор инкубировали на водяной бане при 50 °C с добавлением 10 мл α-амилазы (1 мг/мл) или глюкоамилазы (0,5 мг/мл) в течение 2 ч для полного сжижения. Затем инкубировали патоку при 60 °С в течение 48 часов при постоянном перемешивании. После этого полученную патоку очищали с помощью ионообменных колонок. Полученная патока содержит глюкозу, фруктозу, мальтозу, триозу.

Определение органолептических (внешний вид, вкус и запах, прозрачность, цвет) и физикохимических (массовая доля сухих и редуцирующих веществ, обшей золы; pH; кислотность; содержание диоксида серы; температура кара- мельной пробы; удельная электрическая проводимость) показателей патоки производили согласно ГОСТ [6]. Определение сухих веществ осуществляли на автоматическом рефрактометре марки «R4» фирмы Mettler Toledo. Анализ редуцирующих веществ проводили на жидкостном хроматографе серии LC-20 с программным обеспечением Lab Solution фирмы Shimadzu. Для измерения pH использовали pH-метр марки «ST3100-F» фирмы Ohaus. Анализ удельной электрической проводимости для деминерализованной патоки проводили на кондуктометре марки «Seven Compact» фирмы Mettler Toledo. Микробиологические показатели – мезофильные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы определяли по ГОСТу [7], бактерии группы кишечных палочек (колиформных бактерий) – согласно [8], бактерии рода Salmonella – согласно [9], дрожжи и плесневые грибы – согласно [10], культивирование и определение микроорганизмов – согласно [11, 12]. Анализировали содержание токсичных элементов: ртути – по методике [13], мышьяка – по [14], свинца – по [15], кадмия – по [16]. Определение пестицидов производили согласно ГОСТу [17].

Результаты и их обсуждение. В первую очередь были определены органолептические показатели качества карамельной патоки. Установлено, что продукт, произведенный из кукурузного крахмала с использованием обоих ферментов, по всем показателям соответствует требуемым нормативам [6]. Тогда как патока, произведенная из пшеничного крахмала, по показателю «прозрачность» не удовлетворяет требованиям государственного стандарта [6]. Она оказалась мутной. Это связано с особенностями производства пшеничной суспензии, из которой производится патока. Пшеничная суспензия требует дополнительного этапа очистки из-за того, что во время взаимодействия с ферментом образуются пентозаны – нерастворимые в воде вещества.

Далее определены физико-химические показатели качества патоки. Результаты представлены в таблице 1.

Физико-химические показатели качества карамельной патоки

Таблица 1

Показатель	Карамельная патока				ГОСТ [2]
	из кукурузного крахмала с использованием		из пшеничного крахмала с использованием
	α-амилазы	глюкоамилазы	α-амилазы	глюкоамилазы
Массовая доля сухих веществ, %, не менее	78	73	78	75	78
Массовая доля редуцирующих веществ, %	40	30,6	39,6	31,2	36-44
Массовая доля общей золы, %, не более	0,2	0,4	0,5	0,6	0,4
pH	5,5	4,3	5,0	3,6	3,5-6
Кислотность, см3, не более	6,0	5,3	7,0	6,5	15
Содержание SO 2 , мг/кг, не более	7,0	8,9	2,3	1,2	40
Температура карамельной пробы, °С	145	155	145	155	145
Удельная электрическая проводимость, мкСм/см, не более	31,5	30	22,5	33,7	200

Из данных таблицы 1 видно, что патока, произведенная с помощью фермента глюкоамилазы, по таким показателям, как «массовая доля сухих веществ» и «массовая доля редуцирующих веществ», не удовлетворяет требованиям государственного стандарта [6]. Данные показатели ниже нормы на 5 и 14 % соответственно. Это свидетельствует о том, что указанный фермент не подходит для производства данного продукта. Значение массовой доли золы превышает норму в патоке, произведенной из пшеничной крахмальной суспензии с использованием α-амилазы и глюкоамилазы, на 25 и 50 % соответственно. Это связано с особенностью производства данной суспензии – в процессе производства образуется больше минеральных веществ, которые не сгорают.

Содержание сернистого ангидрида (см. табл. 1), являющегося аллергеном, удовлетворяет требованиям ГОСТа. Однако значение концентрации

SO 2 в патоке из кукурузного крахмала превышает таковое в патоке из пшеничного крахмала в случае использования α-амилазы в 3 раза, глюкоамилазы – в 7 раз. Данный факт, вероятно, обусловлен особенностями производства, поскольку изначально зерно кукурузы замачивается в сульфаминовой кислоте.

Значение температуры карамельной пробы патоки (см. табл. 1), произведенной с помощью α-амилазы, удовлетворяет требованиям ГОСТа, тогда как данный показатель продукта, полученного в присутствии глюкоамилазы, не соответствует требуемым нормативам – выше на 10 °С.

pH и значения удельной электрической проводимости патоки во всех случаях (см. табл. 1) удовлетворяют требованиям ГОСТа.

Далее определены микробиологические показатели качества патоки, а также показатели ее безопасности. Результаты показаны в таблице 2.

Таблица 2

Показатели безопасности карамельной патоки

Показатель	Карамельная патока
	из кукурузной крахмальной суспензии с использованием		из пшеничной крахмальной суспензии с использованием
	α-амилазы	глюкоамилазы	α-амилазы	глюкоамилазы
1	2	3	4	5
Ртуть, мг/кг, не более 0,03	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Мышьяк, мг/кг, не более 1,0	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Кадмий, мг/кг, не более 0,2	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено

Окончание табл. 2

1	2	3	4	5
Свинец, мг/кг, не более 1,0	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Пестициды	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Зараженность мезофильными аэробными и факультативноанаэробными микроорганизмами	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Фосфорорганические пестициды	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Бактерии группы кишечных палочек (колиформных бактерий)	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Бактерии рода Salmonella	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено
Дрожжи и плесневые грибы	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено	Не обнаружено

Из данных таблицы 2 видно, что все показатели безопасности патоки, произведенной из кукурузного и пшеничного крахмала с использованием исследуемых ферментов, соответствуют требуемым нормативам [7].

Заключение. В настоящей работе получена карамельная патока из кукурузного и пшеничного крахмала с использованием ферментов α-амила-зы и глюкоамилазы; определены показатели ее качества. Установлено, что по органолептическим показателям карамельная патока, полученная из кукурузного крахмала с применением α-амилазы, полностью соответствуют требованиям ГОСТа. Карамельная патока, произведенная с помощью обоих видов ферментов из пшеничного крахмала, оказалась мутной по сравнению с таковой, произведенной из кукурузного крахмала. Показано, что по всем физикохимическим показателям качества полностью соответствует требованиям ГОСТ карамельная патока, полученная из кукурузного крахмала с применением фермента α-амилазы. Выявлено, что показатели безопасности патоки, произведенной из кукурузного и пшеничного крахмала с использованием указанных ферментов, соответствуют требуемым нормативам. Таким образом, можно заключить, что использование фермента α-амилазы позволяет получить карамельную патоку высокого качества, тогда как фермент глюкоамилаза, обеспечивающий низкое качество, не пригоден для получения данного продукта.