Способы трансформации углеводного комплекса крахмалсодержащего сырья к последующему его осахариванию с использованием ФП AMG 1100 BG

Введение. Крахмалсодержащее сырье широко применяется для производства сахаросодержащих продуктов [3, 10] и чаще всего подвергается предварительной обработке (какому-либо виду модификации основного компонента – крахмала, то есть его расщеплению (кислотному, ферментативному, комбинированному) до простых углеводов [8, 13].

The main methods of splitting the starch carbohydrate complex are considered, which make it possible to use its maximum resources and ensure minimal losses of sugar-containing substances. Special attention is paid to hydrothermal and enzymatic processing, as key technologies used to convert starch into sugars. The article describes in detail the changes in the properties of the starch carbohydrate complex during hydrothermal treatment, including increasing the availability of starch for subsequent cleavage. The influence of temperature, processing time, and other factors on the starch structure, as well as the mechanisms underlying starch hydrolysis under high temperature and pressure conditions, is considered. Data on the degree of starch viscosity after hydrothermal treatment are presented, which is important for subsequent enzymatic processes. Enzymatic processing is considered as an effective method of splitting carbohydrates. The features of using the enzyme preparation AMG 1100 BG at various temperatures, pH and concentrations are described, as well as the influence of these factors on the rate and efficiency of saccharification. In addition, the article provides a comparison of the effectiveness of hydrothermal and enzymatic treatment in terms of optimizing technological processes. The advantages and disadvantages of each method are analyzed, as well as their possible combined use to improve saccharification performance. The results of the work can be useful for specialists in the field of food and biotechnological industry, as well as for researchers working on improving technologies for processing starch and other carbohydrate materials.

Одним из известных сахаросодержащих продуктов на основе крахмала являются различные виды патоки, получаемые в результате неполного гидролиза крахмала. Это показывает необходимость разработки ресурсосберегающих технологий глубокой переработки крахмалсодержащего сырья, в том числе такого, как картофель. Картофель представляет собой экономически целесообразное сырьё, так как его переработка не требует значительных затрат на очистные сооружения для обработки отходов, а образующаяся мезга (вторичное сырье) ценна как кормовой компонент. По сведениям [9], картофель содержит от 14 до 29% крахмала, от 1,4 до 3 белка, до 1% клетчатки, а количество жира варьируется в пределах от 0,2 до 0,3%. Кроме того, он содержит большое количество калия и фосфора, а свежий картофель обладает витаминами A, C, B1, B2, B6, а также фолиевой кислотой [11].

Картофель обладает высокой влажностью и содержит до 75 % воды, что делает поврежденные клубни особенно восприимчивыми к микробиологической порче. Такие клубни не подлежат длительному хранению и требуют скорейшей переработки. При этом, в зависимости от выбранной методики для подготовки к длительному хранению, процент повреждённого картофеля может варьироваться от 20 до 66 % [5].

Таким образом, особое внимание представляет применение комплексных и высокоэффективных методов обработки картофеля, который требует незамедлительной переработки для получения новых сырьевых продуктов с высоким содержанием сахаров и увеличенным сроком хранения.

Целью исследований является разработка и оценка эффективных способов трансформации углеводного комплекса крахмалосодержащего сырья с последующим осахариванием с использованием ферментного препарата AMG 1100 BG. Исследования направлены на выявление оптимальных условий для гидролиза крахмала, оценку влияния различных факторов на эффективность осахаривания, а также на сравнительный анализ гидротермической и ферментативной обработки, способствующей в большей степени разрушить крахмал картофеля.

Результаты исследований и их обсуждение. Существует несколько методов получения сахаросодержащих продуктов, при которых сначала выделяют крахмал, а затем подвергают его гидролизу в присутствии ферментов, кислот или комбинированных методов [10, 14].

Однако, кислотный гидролиз обладает рядом недостатков, таких как высокие энергозатраты, необходимость использования дорогостоящего оборудования, устойчивого к воздействию кислот, а также риск загрязнения готового гидролизата компонентами, образующимися в процессе реверсии сахаров [10].

Сравнительно с использованием кислоты, применение ферментов имеет ряд ключевых преимуществ: минимальное производство продуктов реверсии и распада углеводов, возможность осуществления гидролиза при низких температурах и высоких значениях pH, а также формирование продуктов с однородным углеводным составом. Кроме этого, данный метод не требует установки дорогостоящего оборудования, устойчивого к кислой среде.

Подготовку картофеля осуществляли с использованием ферментного препарата амилолитического действия амилоглюкозидаза (глюкоамилаза) AMG

1100 BG, выпускаемого фирмой «Novozymes» (Дания). Продуцентом данного фермента является Aspergillus niger. Глюкоамилаза способна гидролизовать 1,4- и 1,6-глюкозидные связи амилозы и амилопектина с образованием глюкозы и декстринов. Согласно данным, представленным в источниках [4, 6], препарат наиболее эффективен при рН 3-5 и температуре от 40 до 80 °С. Его применение рекомендуется для интенсификации производственных процессов в хлебопекарной промышленности и для получения высокоосахаренных ферментативных полуфабрикатов [7].

Важным этапом в процессе получения сахаросодержащих продуктов посредством ферментативного гидролиза является предварительное преобразование углеводного комплекса начального сырья. Эффективность ферментных реакций при осахаривании резко повышается, если субстрат подготовлен для биотрансформации и обладает однородной структурой. Поэтому решение задачи предварительной подготовки сырья позволяет максимально использовать его потенциал. Процесс расщепления цельного крахмалсодержащего сырья до гидролитического этапа широко применяется в спиртовой промышленности [10, 12]. Основываясь на литературные источники [3, 8, 11], были предложены схемы подготовки сырья к осахариванию, не требующие специального оборудования и позволяющие минимизировать потери сахаристых веществ.

Схема 1 предполагает последовательное выполнение следующих операций:

• -    мойка и очистка картофеля;

• -    гидротермическая обработка (варка) при гидромодуле 1:1,5–2 (картофель:вода) при атмосферном давлении (согласно спиртовой промышленности) [11];

• -    змельчение вареного картофеля до частиц размером не более 3 мм [3, 10].

Схема 2 включает:

• -    мойка и очистка картофеля;

• -    измельчение сырого картофеля до размера частиц не более 3 мм [2];

• -    разжижение измельчённой массы с добавлением ферментного препарата амилоглюкозидазы AMG 1100 BG в дозировке 0,03 % [15];

• -    поддержание условий ферментативного гидролиза посредством помещения массы в термостат, поддерживающий температуру 60 ºС.

Каждый из методов направлен на эффективное осахаривание, обеспечивая высокое качество конечного продукта при минимальных потерях сахаристых веществ.

Изменение свойств углеводного комплекса крахмала картофеля в процессе подготовки к осахариванию определяли на приборе Амилотест в режиме 2 «Амилограмма» [1]. Пробы для анализа брали через каждые 10 минут в течении 40 минут (0, 10, 20, 30 и 40).

Результаты исследований отражены на рисунках 1, 2.

Рис. 1 - Изменение свойств углеводного комплекса крахмала картофельной суспензии при гидротермической обработке (способ 1)

Температура, град

Рис. 2 - Изменение свойств углеводного комплекса крахмала картофельной суспензии при ферментативной обработке (способ 2)

Анализ амилограмм (см. рис. 1) свидетельствует, что в начале гидротермической обработки картофеля максимальная вязкость суспензии фиксируется при 95,5ºС, в то время как через 10 и 20 минут наблюдаются температуры 49ºС и 44,5ºС, что говорит о начале разрушения крахмала в зернах картофеля. По истечении 30 и 40 минут явных пиков изменения вязкости картофельной суспензии не отмечается, что свидетельствует о достижении максимально возможного разрушения при данных условиях обработки.

Следовательно, увеличение гидротермической обработки картофеля приводит к тому, что кривые амилограмм становятся менее резкими. Это свидетельствует о распаде крахмальных зерен картофеля, что приводит к снижению усилий для перемешивания за счет уменьшения вязкости суспензии. Наименьшая вязкость картофельной суспензии отмечена спустя 40 минут гидротермической обработки.

Обработка измельченной сырой картофельной массы ферментом AMG 1100 BG показывает иную динамику разрушения крахмальных зерен картофельной суспензии (см. рис. 2). Характерные пики вязкости крахмального геля не наблюдаются, что можно объяснить воздействием фермента. Вязкость картофельной суспензии по истечении 10-40 минут обработки показывает минимальные значения при температуре 65-75ºС. С увеличением продолжительности обработки от 0 до 40 минут вязкость картофельной суспензии понижается в 15-17 раз по сравнению с первоначальной.

Изучение графических рисунков амилограмм продемонстрировало, что варка картофеля вызывает более сильное разрушение его крахмала по сравнению с обработкой сырой массы ферментным препаратом. При этом через 40 минут ферментативной обработки фиксируется среднее усилие перемешивания 0,07 Н, а при гидротермической обработке – 0,03 Н, что свидетельствует о большей степени разрушения крахмальных зерен картофеля. Гидротермическая обработка (варка) также обладает преимуществом снижения расхода дорогостоящего ферментного препарата при производстве сахаросодержащих продуктов из картофеля.

Выводы. На основе полученных данных установлено, что подготовка картофеля к осахариванию посредством гидротермической обработки способствует более эффективному разрушению крахмальных зерен в картофельной массе, что делает его более доступным для осахаривания с использованием ферментных препаратов. Таким образом, данный способ целесообразно применять для промышленной переработки цельного картофеля с целью более глубокого его гидролиза.