МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПВ С ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН

В соответствии с рекомендациями ФАО/ВОЗ продукт, в 100 г которого содержится 3 г ПВ, рассматривается как источник этого функционального ингредиента, при содержании 6 г ПВ в 100 г продукта он считается обогащенным пищевыми волокнами.

Существуют различные способы обогащения продуктов пищевыми волокнами, каждый из которых обладает определенными достоинствами и недостатками:

• использование в полном объеме сырья, содержащего ПВ;

• добавление вторичных продуктов с высоким содержанием ПВ;

• введение препаратов ПВ.

Среди известных способов обогащения продуктов питания пищевыми волокнами наиболее перспективно введение в продукт очищенных препаратов ПВ, позволяющих наряду с обогащением продукта решить технологическую задачу формирования необходимой консистенции или улучшения свойств продукта.

Получение препаратов ПВ основано на их выделении из растительного сырья и последующей очистке. Известные методы вьще-ления ПВ включают удаление из измельченной растительной ткани низкомолекулярных веществ: моносахаридов, гликозидов, алкалоидов, минеральных соединений, либо гидролиз и экстракцию сопутствующего крахмала.

Выбор метода выделения ПВ из растительного сырья определяется их содержанием и плотностью упаковки биополимеров клеточных стенок.

В зависимости от вида перерабатываемого сырья экстракция низкомолекулярных веществ и крахмала ведется водой при нагревании (выжимки и вытерки ряда овощей, фруктов, винограда), разбавленными растворами минеральных кислот (серной, хлоридной, фосфорной), щелочами (отруби, мучки, отходы переработки овощей), солями сернистой кислоты, пероксидами, детергентами (стебли злаков, пленки, оболочки зерна, травы, древесина), либо крахмал разрушают амилолитическими ферментами.

Нагревание сырья при температурах около 100 °С с разбавленными растворами кислот приводит к деструкции крахмала, частичному гидролизу полисахаридов гемицеллюлоз. Последующая отмывка водой позволяет удалить низкомолекулярные вещества. Выделенные ПВ отличаются от исходного сырья увеличенной внутренней поверхностью, повышенной способностью к сорбции и достаточной чистотой. Одновременно идет полная инактивация микрофлоры, в том числе патогенной, что повышает качество получаемых пищевых добавок.

Выделение ПВ возможно при нагревании сырья с детергентами — поверхностно-активными веществами, используемыми в малых концентрациях при небольших температурах. В более жестких условиях идет распад макромолекул ПВ.

С помощью ферментативной обработки сырья получают наименее деструктированные ПВ. В этом случае его последовательно обрабатывают амилолитическими (для удаления крахмала), а затем протеолитическими (для удаления белков) ферментами (а-амилаза, глюкоамилаза, протеаза и др., в количествах от 0,4 до 1 мг/дм³).

С использованием ферментативных методов выделены концентраты пищевых волокон из вторичных ресурсов переработки зерна, овощей, фруктов и отходов их переработки, вторичных ресурсов переработки винограда, трав, тростника и водорослей, лиственной древесины и дана их характеристика.

Известные методы определения содержания ПВ в растительном сырье основаны на максимальном удалении сопутствующих им веществ и сохранении целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнинного комплекса.

Злаковые продукты, овощи, фрукты, виноград, орехи являются основными источниками ПВ. Кроме того, значительную часть клеточных стенок древесины, трав, стеблей злаков, кустарников составляют аналогичные компоненты, о чем свидетельствует состав их гидролизатов. Поэтому ПВ возможно получать не только из пищевого сырья, но и из древесины, трав, стеблей злаков, запасы которых практически неисчерпаемы.

Технологии выделения ПВ из нетрадиционного растительного сырья должны обязательно включать удаление из него антипитательных веществ типа гликозидов и алкалоидов, очистку от других сопутствующих низкомолекулярных и высокомолекулярных веществ (например, крахмала), снижение содержания минеральных солей. С этой целью возможно использование механических, физических, химических и биологических методов.

МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПВ С ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Целлюлоза в растениях очень редко находится в свободном состоянии, ей, как правило, сопутствуют гемицеллюлозы и лигнин. Если гемицеллюлозы достаточно быстро гидролизуются и целлюлозу легко освободить от них, то удалить лигнин очень трудно.

Природную целлюлозу можно разделить на два типа: лигноцеллюлозу (древесина, кустарники, листья и трава, морские и речные макро- и микроводоросли и т. д.) и чистую целлюлозу (хлопок, его отходы и лен).

Удаление лигнина очень важный шаг в получении пищевых волокон целлюлозы. Состав природных целлюлозосодержащих материалов (ЦСМ) представлен в таблице 12.1. Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что лигнин присутствует почти во всех растительных материалах, исключение составляет только природой обработанный материал — верховой торф.

Методы делигнификации ЦСМ разделяют на химические и биологические. Предобработка ЦСМ осуществляется физическими и механическими методами.

К физическим методам предобработки относятся различные виды облучения и другие способы:

• облучения γ-лучами или потоком электронов;

• обработка микроволновым излучением (2400—2500 мГц);

• нагревание на воздухе или в атмосфере СО₂ (100 °С), в воде
или в керосине, охлаждение, воздействие повышенного или пониженного давления, действие ультразвука.

Эти методы вызывают частичную деградацию сложной структуры целлюлозы и лигнина, особенно кристаллической.

К механическим методам предобработки относят различные способы измельчения сухих и влажных ЦСМ:

• на шаровых, коллоидных и вибромельницах;

• в дезинтеграторах;

• на дробилках;

• на вальцах.

Химическая делигнификация ЦСМ осуществляется кипячением или автоклавированием в течение 30—60 мин в разбавленных растворах щелочи (1—2 %), обычно NaOH или NH₄OH, а также обработкой перегретым водяным паром. Делигнификация может быть проведена сульфатной и сульфитной варкой (способ, принятый в целлюлозно-бумажной промышленности), а кроме того, раствором аммиака, смешанным с пероксидом водорода или надуксусной кислотой или со смесью 99,9%-го уксусного ангидрида и 30%-го пероксида водорода (1:1 при 80 °С), водными растворами этанола или бутанола. Делигнификация этанолом осуществляется при рН 8,2, температуре 150 °С и избыточном давлении 0,5 МПа; бутанолом — в смеси с водой (1:1) в присутствии небольших добавок (до 0,3 %) НС1, NH₃, NaOH или Na₂CO₃, процесс осуществляется в течение 1 ч при 170 °С. В качестве катализаторов используют H₂SO₄, FeCl₃, NH₄H₂PO₄, антрахинон (при 165 °С, 3 мин), бензол, нитробензол, толуол, фенол, уксусную кислоту (при 120 °С, 2 ч). Возможна делигнификация ЦСМ этиленгликолем, озоном.

У нас в стране осуществлена предобработка целлюлозы методом взрывной дефибрации ЦСМ по декомпрессионному принципу или паровым взрывом. ЦСМ подвергают кратковременному воздействию перегретого пара под высоким давлением (несколько секунд, 240...300 °С, 3,5—7,5 МПа) в присутствии или отсутствии SO₂, далее давление сбрасывают, что вызывает взрыв ЦСМ. Лигнин плавится, целлюлоза частично деградирует, а гемицеллюлозы гидролизуются.

К биологическим методам предобработки ЦСМ относят использование лигнолитических микроорганизмов, способных утилизировать лигнин из лигнинцеллюлозы в качестве источника углерода или ферментов, синтезируемых этими микроорганизмами. Такие микроорганизмы встречаются среди грибов, актиномицетов, бактерий, дрожжей. Но биологические методы пока недостаточно изучены. Пока они очень длительны (сутки и даже месяцы), но относительно эффективны, поскольку увеличивают реакционную способность ЦСМ в несколько раз.

Ферментативная деградация лигнина перспективна и эффективна при переработке древесного растительного сырья, а получаемые отходы можно использовать для получения кормового белка и сырья для химической промышленности. Однако пока еще не найдены активные продуценты лигнинразрушающих ферментов, хотя исследования в данном направлении ведутся уже более 50 лет. В 50-е годы XX в. было показано, что разложение целлюлозы и лигнина древесины осуществляют базидиальные грибы, которые образуют на поверхности гниющего дерева красно-коричневую (бурую) и белую гниль. Возбудители бурой гнили (Brown-rot fungi) активно гидролизуют целлюлозу, гемицеллюлозные комплексы и лишь незначительно воздействуют на лигнин, т. е. вызывают реакцию деметилирования лигнина. В то же время возбудители белой гнили (White-rot fungi) разрушают древесину, превращая ее в белую массу. Они действуют в первую очередь на лигнин и почти не затрагивают целлюлозу. К таким грибам можно отнести следующие виды: Pofyporus versicolor, Pleurotus ostreatus, Poria subacida. Разложение этими грибами лигнина идет окислительным путем, который включает деметилирование, образование дифенолов под действием диоксигеназ. Однако эти и другие грибы вызывают медленное гниение древесины и не используются для практических целей.

В 70—80-е годы было показано, что разрушать лигнин способны также аскомицеты (Ascomycetes: Penicillium, Aspergillus), несовершенные грибы (Fusarium, Alternaria), а также актиномицеты родов Streptomyces и Thermomonospora, бактерии родов Achromobacter, Agrobacterium, Pseudomonas.

Необходимо отметить, что состав лигнина разных пород деревьев неодинаков: лигнин хвойных пород имеет мономером конифериловый спирт; лиственных пород — конифериловый и синаповый спирты, а травянистых растений — конифериловый и паракумаровый, или n-оксикоричный, спирты:

Фенилпропаноидные единицы в молекуле лигнина различным образом соединены между собой при помощи эфирных и С—С-связей, которые очень устойчивы к воздействию ферментов. Лигнин содержит значительное количество функциональных групп, но в связи с большими сложностями извлечения его из древесины в нативном виде четких представлений о его строении пока нет.

Жесткая аморфная нестереорегулярная структура лигнина отличается неупорядоченной полимеризацией радикалов, образованных растительными пероксидами из мономеров-предшественников — кумарового, синапового и кониферилового спирта.

Насчитывают не менее десяти типов связей между фенилпро-пановыми структурными единицами лигнина. Наиболее часто встречаются β-О-4- и С—С-связи типа β-1. В лигнине много метильных, метокси- и гидроксильных групп. Лигнины различного происхождения отличаются главным образом мономерами и соотношением этих мономеров в составе того или другого лигнина.

Деградация лигнина — сложный, трудноконтролируемый процесс. В нем участвует ряд окислительных ферментов, таких, как лигниназа, фенолоксидазы (лакказа, тирозиназа), пероксидаза и др. Очень важно в этом процессе и соотношение этих ферментов в реакционной среде.

Технологические особенности микробной деградации лигнинсодержащего сырья пока еще полностью не изучены, поскольку нигде не получают лигниназных препаратов для последующего использования при обработке лигнина. Поэтому сейчас стоит задача поиска природных микробных продуцентов лигнинразруша-ющих ферментов и разработки условий их культивирования для последующего получения технических препаратов и их апробации на различных вариантах лигнинсодержащего сырья.

Изучение биохимического состава различных представителей нетрадиционного для пищевой промышленности растительного сырья, а именно: образцов березовых и сосновых опилок, листьев березы и соломы хлебных злаков, проведенное в МГУПП, показало, что сосновые опилки наиболее богаты целлюлозой, которая составляет в них в среднем 51 %, тогда как в остальных видах исследованного сырья содержание целлюлозы меньше и варьирует в пределах 32—43 % в зависимости от вида растительного сырья.

Выделенная из них и очищенная целлюлоза может быть использована в виде пищевой добавки, способной снижать калорийность пищи, быть диспергатором, улучшать товарный вид и качество пищевых продуктов.

С целью поиска активного продуцента лигнинразрушающих ферментов, способного быстро трансформировать биополимеры растительного сырья, было испытано более 100 культур микроорганизмов: грибов, относящихся к родам Aspergillus, Penicilliwn, Trichoderma, Fusariwn, Mucor, Rhizopus, Oospora, а также бактерий родов Bacillus, Pseudomonas, Enterobacter, Micrococcus, дрожжей родов Candida, Endomycopsis, Trichosporon и актиномицетов рода Streptomyces. На основании проведенного скрининга микроорганизмов был выбран штамм Streptomyces mersei C-24, способный утилизировать лигнин на 73,9 % в условиях глубинной ферментации на питательной среде следующего состава, %: сосновые опилки — 10, NH₄NO₃ — 1,5, КН₂РО₄ — 0,5, MgSO4 • 7H2O — 0,01, кукурузный экстракт — 2, глюкоза — 1.

Из культуральной жидкости S.mersei С-24 путем осаждения белка этанолом при соотношении культуральная жидкость: этанол 1:3, отделения осадка фильтрацией и сушкой под вакуумом при температуре 40...50°С был получен ферментный препарат лигниназы, обладающий гемицеллюлазной, лактазной и пероксидазной активностями.

Выделенный ферментный препарат использовали для получения концентрата пищевых волокон с повышенным содержанием целлюлозы (КПВЦ) из сосновых опилок по разработанной технологической схеме, представленной на рисунке 12.3. Обработка растительного сырья ферментным препаратом позволила получить КПВЦ следующего состава, %: целлюлоза — 87, гемицеллюлоза — 11, лигнин — 2.

Исследования функциональных свойств полученного КПВЦ показали, что он может быть использован при производстве функциональных пищевых продуктов, в частности хлебобулочных изделий.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 934; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!