Лекция 10. Применение ферментных препаратов в перерабатывающих и пищевых производствах.

Вопросы. 1.Получение углеродного сырья для промышленной биотехнологии. Получение этилового спирта, уксусной кислоты.

2. Основные направления применения ферментов в технологии пива, виноделии, консервной промышленности, нечерствеющих сортов хлеба, получения пектина.

Биотехнология получения сока с применением ферментов. В плодоводческих хозяйствах значительную часть урожая составляет нестандартная продукция - плоды с ушибами, вмятинами, надколами, сильно загрязненная. Внедрение современных способов переработки может дать готовую продукцию высокого качества. Организация переработки сырья в районах его сбора позволяет использовать дополнительные сырьевые ресурсы в результате снижения потерь при транспортировке.

В числе современных технологий переработки плодовой продукции с целью получения соков - применение различных ферментных препаратов, повышающих сокоотдачу перерабатываемого сырья. Наиболее перспективно применение ферментов, действующих на клеточные структуры, удерживающие жидкости. Для производства плодово-ягодных соков важны гидролитические ферменты, к которым можно отнести пектиназы.

Пектолитические ферменты используются в консервной промышленности для обработки мезги и соков плодов с высоким содержанием пектина. С этой целью употребляются препараты промышленного производства из Aspergillus foetidus (пектофоетидин) и A. awamory (пектоаваморин). Ферментные препараты имеют вид зернистого порошка светло-коричневого или темно-коричневого цвета, представляют собой очищенную и высушенную культуральную жидкость, полученную в результате выращивания гриба-продуцента пектиназ.

Эти ферменты способствуют увеличению выхода сока за счет мацерирования клеточных стенок и гидролиза пектина. Применение ферментов позволяет повысить выход виноградного сока на 3,5-6,0%, а из таких труднодобываемых плодов, как слива, алыча, абрикосы, персики - на 25-30%. Ферментные препараты пектиназ (П10х и Г10х) применяются в количестве 0,01-0,1% к массе перерабатываемого сырья.

Технологическая схема практически не претерпевает изменений. Добавляется этап инкубирования мезги с определенным значением кислотности в присутствии ферментного препарата. При температуре 40-45⁰С и рН среды 4,5 время обработки составляет 1,5-3 часа.

Соки, обработанные пектолитическими ферментами, быстрее осветляются, лучше фильтруются и легче подвергаются концентрированию, так как пектиновые вещества гидролизованы и не образуют при вакуум-упаривании коллоидов, мешающих приготовлению сиропов.

Основным ограничением для использования пектолитических ферментов при получении соков из плодов и вин является накопление в растворе в результате действия пектинэстераз метилового спирта.

 Биотехнология повышения питательности зерна. Технология производства пищевых продуктов, обеспечивающая глубокие биохимические изменения сырья, интенсивно развивается, так как такие продукты требуют незначительной кулинарной обработки. К этой группе продуктов относятся хлопья, палочки и другие виды «быстрых завтраков», получаемые воздействием на зерно пара, механического давления, экструзионной обработки и др. Большие энергозатраты сдерживают производство этой группы перспективных продуктов питания и требуют разработки экономичных альтернативных способов обработки.

Разработанная биотехнология зерна (Кокин, Котик, Лукин, 1998) заключается в том, что неизмельченное зерно загружают в смеситель и подают воду с растворенной a -амилазой в количестве 0,1-0,14 % по массе крахмала зерна. Под действием диффузионно-осмотических сил и капиллярного всасывания вода с растворенным ферментным препаратом проникает в зерновку. Происходит гидратация крахмальных молекул, что способствует их частичной клейстеризации. При этом достигается эффект пластификации, который получают при пропаривании или варке зерна перед плющением, предусмотренным по существующей технологии. Проводится темперирование в течение 30 минут, что позволяет придать крахмалу пластичные свойства и успешно провести операцию плющения на вальцовом станке.

После плющения хлопья подают в смеситель и добавляют воду с растворенной глюкоамилазой, с содержанием 2,5-3,0% к массе крахмала. После темперирования в течение 40-60 минут хлопья подают на сушку и последующий размол. Такой продукт можно использовать при добавках и в производстве хлебобулочных изделий, и в кормовых средствах.

Исследование качественного состава хлопьев, произведенных по разработанной 2-ступенчатой технологии, показало, что содержание сахаров увеличилось в семь раз, переваримость «in vitro» - в 4 раза. Это улучшило питательную ценность и вкусовые достоинства полученного продукта.

Гидролиз целлюлозы в глюкозу можно провести при помощи Trichoderma reesii, целлюлаза которой разрушает кристаллическую и нерастворимую целлюлозу. Мутант T. reesii продуцирует в 2-4 раза больше целлюлазы, чем штамм дикого типа. При гидролизе целлюлозы гриб выращивают в среде, содержащей еловую древесину и минеральные соли. Затем культура фильтруется, твердые элементы отбрасываются. Остается янтарного цвета жидкость с ферментом. Раствор вместе с измельченной бумагой помещают в реакционный чан и инкубируют при температуре 50⁰С и атмосферном давлении. В ходе реакции гидролиза образуется неочищенный глюкозный сироп, после чего негидролизованная целлюлоза и фермент используются повторно. Выход глюкозы составляет около 50%. Из 1 т старого картона или соломы после сбраживания глюкозы, полученной гидролизом целлюлозы, образуется 150 л спирта.

По мнению американских специалистов, процесс превращения отходов целлюлозы в спирт заслуживает большего внимания, чем получение спирта из крахмала кукурузы. В настоящее время в США изучаются три вида технологии. Первый, когда используют целлюлазы и гемицеллюлазы Trichoderma reesii для разложения биомассы до сахаров. Гексозы сбраживаются в спирт дрожжами, тогда как пентозы подвергаются другому типу брожения. Ферменты и неразложившаяся целлюлоза поступают в повторные циклы, а остаточный лигнин используется в качестве источника энергии для перегонки спирта.

Второй тип технологии – одновременное осахаривание целлюлозы и сбраживание сахаров, полученных путем гидролиза.

Для этого к смеси целлюлозной биомассы и дрожжей добавляют раствор целлюлаз. Остающийся лигнин используется для перегонки в качестве топлива, но пентозы не сбраживаются.

Третий вид технологии состоит в прямом сбраживании целлюлозными бактериями гексоз и пентоз, образующихся при гидролизе. Помимо одновременной конверсии целлюлоз и пентоз в этанол происходит комбинация целлюлозного и спиртового брожения. Таким образом необходимая предварительная обработка субстратов сводится к минимуму.

При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этиловый спирт и сырье для химической промышленности (фурфурол, фенолы, крезолы) 200000 т переработанной соломы дают 50000 т этанола и 20000 т фурфурола. При микробной переработке целлюлозы можно получить до 30% нефтехимикатов.

Производство дрожжей.

Актуальная проблема, стоящая перед отраслевой наукой и дрожжевой промышленностью, - создание высокорентабельных экологически чистых технологий хлебопекарных дрожжей и дрожжевых препаратов. Решение этой проблемы возможно в двух направлениях:

1) разработка принципиально новых технологий утилизации сточных вод дрожжевого производства, например при получении биодобавок в строительные смеси, бетоны и пенобетоны;

2) замена традиционного углеводсодержащего сырья - мелассы на отходы или полупродукты перерабатывающих отраслей, содержащие крахмал или лактозу, и обеспечивающие замкнутый технологический цикл.

Низкий технический уровень российских дрожжевых заводов определяет и низкие показатели эффективности их работы. Выход дрожжей из мелассы в среднем по отрасли составляет 70%, следовательно 30% ценного углеводсодержащего сырья - мелассы безвозвратно теряется со сточными водами, создавая при этом сложную экологическую обстановку вокруг дрожжевых заводов. По данным на 1990 г. потребление дрожжей на душу населения в России составляло 1,43 кг в год. В Западной Европе каждый среднестатистический человек потребляет 1 кг дрожжей в год. Почти 15% всех дрожжей, выпускаемых в Европе (без учета Турции), производится на российских дрожжевых заводах.

Контрольные вопросы

1. Особенности получения соков с использованием ферментов.

2.. Проблемы дрожжевых заводов.

3. Какие вы знаете бюиотехнологии повышения питательности зерна.

4. Какие факторы ограничивают производство спирта заданной крепости.

Литература

1. Биотехнология: Учебное пособие для вузов в 8 книгах. Под ред. Егорова Н. С., Самуилова В. М. – М: Высшая школа, 1987. С. 1 – 1194.

2. Основы сельскохозяйственной биотехнологии М., Колос, 1999 г. С. 1 – 380.

 

11. Новые подходы в технологии производства пищевого и кормового белка

Вопросы. 1. Принципиальная технологическая схема получения кормовой биомассы. Производство кормовой биомассы на углеродном сырье. 2. Технология получения микробных липидов. 3. Получение кормовой биомассы из различного углеводородного сырья. 4. Получение кормовых липидов.

Получение микробного белка – самая крупнотоннажная отрасль биотехнологии. Микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500 – 5000 раз выше, чем у растений или животных; микробные клетки способны накапливать очень большое количество белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе); в микробиологическом производстве за счет высокой специфичности микроорганизмов отсутствует многостадийность; сам процесс биосинтеза протекает в мягких условиях при температуре 30 – 45 ⁰С, рН 3–6 и давление ~ 0,1 Мпа, менее трудоемок по сравнению с получением сельскохозяйственной продукции и органическим синтезом белков.