Разработка технологии переработки топинамбура на олигофруктозный и фруктозо-глюкозный сиропы

Разработка натуральных подсластителей с пониженной калорийностью и пребиотиче-скими свойствами открывает новые перспективы для создания продуктов здорового питания. Эти вещества могут стать эффективной альтернативой обычному сахару, способствуя улучшению состояния здоровья населения и снижая риски, связанные с избыточным потреблением сахара [1–4].

Производство и переработка топинамбура могут эффективно решать множество современных задач в сельском хозяйстве и пищевой индустрии, включая создание диетических, детских и функциональных продуктов питания. Ни одно другое растение в мире не производит столько полезных и востребованных продуктов, как топинамбур. Топинамбур является одной из самых продуктивных культур, достигая до 200 т/га зелёной массы и 150 т/га клубней. Химический состав топинамбура варьируется в зависимости от сортовых характеристик и условий роста, таких как агротехника и климат. Содержание сухих веществ колеблется: в надземной части – от 22 до 32%, в клубнях – от 19 до 30%. Топинамбур обладает уникальным углеводным составом, основанным на фруктозе и её полимерах, главным из которых является инулин – самый ценный углевод. Инулин присутствует преимущественно в клубнях, вместе с сахарами (от 13 до 20% по сырой массе). В стеблях его значительно меньше (2–4% от сырой массы), а в листьях он отсутствует, но зато содержится крахмал и небольшие количества моносахаров и дисахаров. Фруктоза – неотъемлемая часть топинамбура, её уровень меняется в зависимости от сбора и хранения. D-фруктоза, также называемая левулозой, является представителем кетозов и слаще сахарозы. Она легко растворяется в воде и образуется из инулина. Фруктоза более предпочтительна для диабетиков. Полисахариды клеточных оболочек клубней занимают второе место после фруктозанов по количеству [5–10].

Клубни и надземная часть топинамбура богаты клетчаткой, белками, незаменимыми аминокислотами, витаминами, а также важными макро- и микроэлементами, и органическими, и жирными кислотами. В сравнении с картофелем, морковью и свеклой, топинамбур обладает высоким содержанием магния, железа, кремния, цинка, а также витаминов группы В и С. К тому же его клубни не содержат солонин – алкалоид, который появляется при световой экспозиции в сыром картофеле. Топинамбур имеет уникальную способность накапливать инулин, который преобразуется в организме человека в фруктозу. Это особенно важно для людей, страдающих диабетом.

Для эффективной системы функционального питания рекомендуется использование специальных технологий, позволяющих сохранить все полезные свойства продуктов. При переработке этого корнеплода получается пектин, фруктозный сироп, кристаллическая фруктоза и диетическая клетчатка, а также разнообразные безалкогольные напитки функционального назначения. Благодаря высокому содержанию биологически активных веществ топинамбур представляет интерес как для диетического питания, так и для пищевой промышленности для создания эффективных добавок [11–12].

Целью работы – разработка рациональной технологии переработки топинамбура на оли-гофруктозный и фруктозно-глюкозный сиропы и изучение его углеводного состава с целью дальнейшего использования в различных отраслях пищевой промышленности.

Лукин Н.Д. и др. Вестник ВГ'УИТ, ²⁰²5 Т 87, №. 1, С. 77-85 Материалы и методы

Объектами исследования являлись технология переработки топинамбура олигофруктозный и фруктозно-глюкозный сиропы.

Исследования проводились в условиях ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского (ПКУ)», а также Всероссийском научно-исследовательском институте крахмала и переработки крахмалсодержащего сырья – филиале ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр картофеля им. А.Г. Лорха» с учетом требований международной организации по стандартизации ISO (ИСО): определение массовой доли сухого вещества сиропа – на рефрактометре марки ИРФ-454Б2М (ГОСТ ISO 2173–2013); массовой доли золы – сжиганием в муфельной печи при температуре 6500 С; массовой доли протеина по методу Кьельдаля – на приборе марки К-424 фирмы «BUCHI Labortecknik AG» (Германия); углеводный состав образцов – на жидкостном хроматографе углеводов с рефрактометрическим датчиком фирмы «Gilson» (Германия); величину рН сиропов – на рН-метре марки НI2210–02 фирмы «HANNA Instruments» (Швейцария); цветность на фотоэлектроколориметре марки КФК-3 при λ = 420 нм.

Результаты и обсуждение

На основании аналитического обзора, проведенных исследований в лабораториях «МГУТУ им. К.Г. Разумовского (ПКУ)» и «ВНИИ крахмала и переработки крахмалсодержащего сырья», а также подбора оптимальных технологических режимов, разработана технологическая схема переработки клубней топинамбура на олигофруктозный и фруктозно-глюкозный сиропы, которая представлена на рисунке 1. В качестве инулинсодержащего растительного сырья были использованы клубни топинамбура.

Технологический процесс производства олиго-фруктозного и фруктозно-глюкозного сиропов включает следующие стадии: доставка, хранение и транспортирование топинамбура; подготовка сырья к переработке и мойка клубней; инспекция, калибровка; измельчение сырья; экстрагирование (диффузия); отделение экстракта от жома; коагуляция примесей экстракта; механическое фильтрование; очистка активным углем; ионообменная очистка; ультрафильтрация; ферментативный гидролиз инулина до олигофруктозы/фруктозно-глюкозного сиропа; концентрирование олиго-фруктозного/фруктозно-глюкозного сиропа.

В качестве инулинсодержащего растительного сырья использованы клубни топинамбура. Клубни топинамбура, поступающие на обработку в цех, размещаются в специальном хранилище для них. При сильном загрязнении клубней выполняется предварительная обработка путем погружения в резервуар с холодной водой; для этого клубни из хранилища перемещаются через конвейер-перегрузчик в отмывочный резервуар. Для очистки поверхностного материала от примесей (почвы, соломы, песка, камней), клубни проходят двухступенчатую промывку в чистой проточной воде с использованием барботажных и щеточных моющих агрегатов до полного устранения всех заметных загрязнений, избегая при этом механических повреждений. Материал, прошедший первичную очистку, направляется на следующий этап обработки через конвейер-передатчик. Воду, используемую для замачивания и очистки сырьевых материалов, отправляют в канализацию.

После завершения повторной очистки осуществляется проверка. Корнеплоды топинамбура проверяют на специальном конвейере, удаляя при этом испорченные, больные, поврежденные вредителями, неправильной формы образцы, а также чужеродные включения, направляемые в емкость некондиционного сырья.

Первоначально клубни топинамбура взвешивают на весах и затем измельчают в резательной машине до состояния стружки. Эта стружка направляется на конвейер для последующей обработки. Чтобы избежать потемнения и сохранить свежий вид стружки на длительный срок, её обрабатывают раствором пиросульфита натрия. После этого обработанная стружка готова к экстракции.

После измельчения клубней в специальной резательной машине (с возможностью регулировки фракционного состава стружки для оптимизации процесса экстракции), полученную стружку направляют в барабанную сушилку. Важно поддерживать оптимальный температурный режим, обычно не превышающий 60–70 °С, для предотвращения карамелизации сахаров и потемнения продукта. После сушки стружка хранится в герметичных бункерах, защищенных от воздействия влаги и света, предотвращая его порчу и окисление.

Перед экстракцией сухая стружка подвергается процессу замачивания в горячей воде, обычно на 30–60 мин. Это способствует равномерному набуханию клеток и повышению эффективности извлечения инулина. Температура воды подбирается индивидуально и зависит от фракционного состава стружки. Затем набухшую стружку направляют в экстрактор для проведения диффузии, используя те же параметры, что и для свежего топинамбура, но с учетом возможных корректировок, связанных с различиями в структуре и влажности сырья. Полученный экстракт, содержащий растворенный инулин, далее подвергается очистке и концентрации, в зависимости от требуемого конечного продукта (чистый инулин, сироп, добавки к пище).

Рисунок 1. Процессуально-технологическая схема переработки топинамбура на олигофруктозный и фруктозно-глюкозный сиропы.

По завершении процесса извлечения, экстракт топинамбура со стружкой, содержащий минимум 12% сухих веществ, транспортируется насосом в шнековую центрифугу. Здесь, благодаря центробежной силе, осуществляется разделение на фракции. Твердая фракция (осадок), образовавшаяся в результате центрифугирования, помещается в бункер для жома и затем отправляется в барабанную сушилку для получения сухого жома. Высушенный до необходимой влажности жом хранится в специальном бункере. Жидкая фракция (экстракт топинамбура без стружки) направляется в накопительную емкость для сока с мешалками, из которой насосом перекачивается в резервуар для коагуляции, где добавляется кислота для коагуляции коллоидов и осветления сока. После завершения коагуляции экстракт топинамбура с коагулированным белком перекачивается насосом через фильтрпресс, что позволяет провести первую стадию фильтрации и удалить коагулированный белок. Затем экстракт топинамбура, свободный от коагулированного белка, поступает в контактный сборник для адсорбционной очистки с использованием активного угля. Очищенный экстракт топинамбура перекачивается насосом через патронный фильтр, чтобы избавиться от мелких частиц активированного угля. После фильтрации экстракт, очищенный от угольных частиц, сначала помещается в ёмкость для хранения, а затем в выпарную станцию для предварительного выпаривания до уровня сухих веществ от 12 до 25%. Для охлаждения предварительно сгущённый экстракт топинамбура насосом проходит через теплообменник с холодной водой и затем направляется в последовательно установленные катионообменные и анионообменные установки, где происходит дальнейшая очистка экстракта от красителей.

Для удаления оставшихся примесей и получения прозрачного продукта экстракт топинамбура, очищенный от красящих веществ, поступает в сборник сока и далее насосом перекачивается в установку ультрафильтрации, где проводят контрольное фильтрование.

Очищенный сок подается в резервуар с мешалкой, откуда затем насосом перемещается на следующий этап выпаривания. Процесс получения сиропа из топинамбура осуществляется в двухкорпусной вакуумной выпарной установке, куда он поступает при температуре, не превышающей 40 °C. Из первого корпуса выпарного устройства сгущенный сок перекачивается во второй, достигая содержания сухих веществ в диапазоне 30–40%. Вакуум в установке поддерживается на уровне 15–20 кПа, что соответствует температуре кипения сиропа приблизительно 60 °C. Далее с помощью проточного рефрактометра измеряется содержание сухих веществ, и при достижении 70–72% сироп топинамбура перекачивается насосом в резервуар для сиропа. Окончательно сгущенный сироп затем насосом отправляется в упаковочную машину, после чего емкости укупориваются на специальном оборудовании и направляются на склад готовой продукции. Сок топинамбура из резервуара с мешалкой насосом перекачивается для гидролиза в специальную емкость. Для производства олигофруктозного сиропа очищенный сок подвергается частичному ферментативному гидролизу с использованием ферментного препарата инулиназы, что позволяет достичь содержания редуцирующих веществ в пределах 15–25%. Условия для этого процесса: температура 60 ± 1 °C, рН 4,5–4,7, а продолжительность составляет от 1 до 4 ч. Для получения фруктозно-глюкозного сиропа очищенный сок также проходит частичный ферментативный гидролиз с использованием пектиназы, достигая аналогичного содержания редуцирующих веществ при тех же условиях. После завершения ферментативного гидролиза, полученный экстракт топинамбура насосом переносится в теплообменник, в котором происходит нагрев для инактивации фермента.

Далее гидролизованный экстракт топинамбура подается на выпаривание в вакуумную установку. Сгущенный экстракт, достигший уровня сухих веществ 30–40%, из первого корпуса перекачивается во второй при помощи насоса. Уровень разрежения должен составлять не менее 0,07 мПа, а температура кипения не должна превышать 60–65 °C. Процесс выпаривания во втором корпусе контролируется по содержанию сухих веществ в сиропе с использованием проточного рефрактометра. В сиропе олигофруктозы, после достижения концентрации сухих веществ 71–73%, происходит перекачивание в накопитель олигофруктозного и фруктозно-глюкозного сиропа с помощью винтового насоса. Затем окончательно сгущенный экстракт топинамбура (сироп) направляется насосом в фасовочную машину, после чего емкости укупориваются на соответствующем оборудовании и отправляются на склад готовой продукции. Учет готовой продукции осуществляется путем взвешивания в холодильном помещении (на весах) или на весах во время розлива. Основные контролируемые параметры процесса включают содержание сухого вещества после концентрирования, не превышающее 74%, и температуру, не превышающую 60 °C.

Качественные показатели олигофруктозного и фруктозно-глюкозного сиропов (ФГС) представлены в таблицах 1 и 2 соответственно, углеводный ФГС – в таблицах 3 и 4 соответственно.

Таблица 1.

Качественные показатели олигофруктозного сиропа

Qualitative parameters of oligofructose syrup

Table 1.

Показатель | Indicator	Значение | Value
Органолептические показатели Organoleptic parameters	густая вязкая жидкость, слегка сладковатая на вкус, без постороннего привкуса и запаха, от бесцветного до бледножёлтого цвета, прозрачный, допускается опалесценция thick viscous liquid, slightly sweet to taste, without extraneous taste and odor, colorless to pale yellow, transparent, opalescence is allowed
Массовая доля сухого вещества, %, не менее Mass fraction of dry matter, %, not less	73
Содержание фруктоолигосахаридов (ФОС) и олигофруктозидов, %, не менее Content of fructooligosaccharides (FOS) and oligofructosides, %, not less	93
Содержание ди – и моносахаридов, %, не более Content of di - and monosaccharides, %, not more	7
Содержание золы, %, не более Ash content, %, not more	0,3

Таблица 2.

Качественные показатели фруктозно-глюкозного сиропа

Qualitative parameters of fructose-glucose syrup

Table 2.

Показатель | Indicator	Значение | Value
Органолептические показатели Organoleptic parameters	прозрачная вязкая жидкость без осадка, помутнений и посторонних включений; цвет – от бесцветного до янтарного различной интенсивности; вкус – сладкий без горечи; запах – отсутствует, допускается легкий фруктовый или карамельный аромат transparent viscous liquid without sediment, turbidity and foreign inclusions; color - from colorless to amber of varying intensity; taste - sweet without bitterness; odor - absent, light fruity or caramel aroma is allowed.
Массовая доля фруктозы, % Mass fraction of fructose, %	65–67
Массовая доля глюкозы, % Mass fraction of glucose, %	13–15
Сахароза / ФОС, % | Sucrose / FOS, %	20–22
Сухое вещество, % | Dry matter, %	70±1
Зольный остаток (сульфаты), % Ash residue (sulfates), %"	≤0,4
рН	4,5 – 7,0

Таблица 3.

Углеводный состав концентрированного ФГС

Carbohydrate composition of concentrated FGS

Table 3.

Показатели качества ФГС
СВ, % DM, %	рН	Зола, % Ash, %	Протеин, % Protein, %	Углеводный состав по ВЭЖХ на 100% углеводов
				инулин inulin	дисахариды disaccharides	глюкоза glucose	фруктоза fructose
71,5	4,85	6,15	9,30	21,08	3,30	12,58	63,04

Таблица 4.

Качественные показатели сиропа ФГС после выпаривания и очистки

Quality parameters of FGS syrup after evaporation and purification

Table 4.

Образец Sample	СВ, % DM, %	Протеин, % Protein, %	Зола, % Ash, %	Цветность, ед. опт. пл. при λ = 420 нм Chromaticity, opt. pl. units. at λ = 420 nm
Сироп после выпаривания Syrup after evaporation	36,4	11,34	6,05	–
Сироп после выпаривания и очистки активным углем марки ОУ-Б | Syrup after evaporation and purification with active carbon of OU-B grade	36,0	9,93	5,90	3,66

В образцах ФГС определена зола, про-      очистки активным углем марки ОУ-Б. Дози- теин и цветность сиропа (при λ = 420 нм) после      ровка активного угля составляла 4%. Цветность после очистки визуально отличалась, но осталась высокой – 3,66 ед. опт. пл. Полученные данные свидетельствуют о снижении содержания протеина после центрифугирования и очистки активным углем [13, 14].

Все показатели качества как готового концентрированного сиропа из топинамбура, так и фруктозно-глюкозного сиропа (ФГС), определенные в лабораторных условиях ВНИИК, соответствуют требованиям для их применения в пищевой промышленности.

Заключение

Разработана технология переработки топинамбура на олигофруктозный и фруктозноглюкозный сиропы, включающая прогрессивные способы очистки сиропов с помощью мембранных, ионообменных и адсорбционных методов, позволяющих обеспечить высокое качество конечного продукта.

Ключевыми аспектами разработанной технологии являются:

–·двухступенчатая мойка клубней топинамбура с рекуперацией воды и отсутствием механических повреждений сырья;

–·измельчение клубней топинамбура с возможностью регулировки фракционного состава стружки для оптимизации процесса экстракции;

– сушка стружки топинамбура при температуре 60-70 0Сдля минимизации потерь инулина и сохранения качества сырья;

– коагуляция и адсорбционная очистка экстракта топинамбура активным углем при дозировке угля 4–8% по сухому веществу продукта для снижения растворимых азотистых соединений, зольных элементов и красящих веществ.

– катионообменная и анионообменная очистка сиропа для деминерализации, удаления протеина, красящих веществ и других нежелательных примесей из сиропа;

– ультрафильтрация экстракта на керамических мембранах с размером пор 5–8 кДа с целью удаления высокомолекулярных веществ инулиновой природы с молекулярной массой более 6,5 кДа и коллоидно-дисперсных веществ.

Тем самым инулин и сиропы, получаемые на его основе, представляют собой не просто тренд, но и необходимость для будущего пищевой промышленности, открывая новые горизонты для формирования более здорового и сбалансированного питания [15–18].