СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ СРЕД, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ
METHOD OF PROCESSING STARCH-CONTAINING PLANT MATERIAL FOR PREPARING COMPONENTS OF FERMENTATION MEDIA USED IN MICROBIOLOGICAL INDUSTRY WHEN CULTURING MICROORGANISMS

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для получения углеводсодержащей и белковой частей ферментационных сред, используемых при культивировании различных штаммов-продуцентов микроорганизмов для получения широкого спектра продуктов микробного синтеза.
С развитием микробиологических производств все более остро стоит вопрос о проблеме обеспечения микробиологического синтеза дешевым сырьем, удовлетворяющим потребностям различных видов промышленных штаммов микроорганизмов. Применение готового крахмала и кристаллической глюкозы в этих случаях не является решением задачи, поскольку повышает себестоимость продукции. Безотходная переработка растительного сырья по гибкой технологической схеме позволяет решить указанную проблему.
Традиционный способ выделения крахмала из крахмалсодержащего растительного сырья состоит из следующих стадий: увлажнения сырья, удаления оболочек на обдирочных машинах, сухого размола до муки, получения суспензии муки с водой при гидромодуле 1:8, разделения суспензии на крахмальную и белковую фракции, отмывки крахмальной фракции и сушки двух видов готовых продуктов.
Недостаток данной технологии в том, что значительная часть крахмала теряется на стадии удаления оболочек (в отрубях - не менее 30% крахмала), расходуется значительное количество воды на промывку крахмала, степень извлечения крахмала из сырья составляет не более 50%.
Известен способ получения ферментационной среды для получения спирта (Под ред. В.Л.Яровенко. Технология спирта, гл.4, 5, 6, 7, 8, 2002 г., М., «Колос», «Колос-пресс»). В известном способе зерновое крахмалсодержащее сырье разводится водой в соотношении 1:4 и затем подвергается влажному дроблению на роторно-пульсационном аппарате. Полученная суспензия с размером частиц 200-500 мкм подвергается ферментативному гидролизу с помощью экстракта солодовых ростков или амилолитических ферментов. Полученная ферментационная среда в дальнейшем используется для спиртового брожения.
Недостатком известного способа применения крахмально-белковой суспензии является наличие в ферментолизате смеси глюкозы и белков, что при использовании такой среды в асептическом процессе приводит к образованию меланоидов. Меланоиды ингибируют рост большинства микроорганизмов и синтез ими продуктов и приводят к значительному окрашиванию ферментационной среды (вплоть до черного цвета), что отрицательно сказывается затем на выделении продукта.
Известны способы получения ферментационных сред, в которых в качестве углеводного сырья используется глюкоза (Под ред. M.E. Бекера. Биотехнология микробного синтеза, 1980 г., Рига, «Зинантне»), которую смешивают с другими компонентами среды.
Недостатком этих ферментационных сред является необходимость использования относительно дорогого сырья - глюкозы.
Известен способ получения ферментационных сред, в которых в качестве углеводного сырья используется готовый продукт - крахмал. В известном способе крахмал разводят водой, проводят его кислотный, щелочной или ферментативный гидролиз (с добавлением соответственно кислоты, щелочи или фермента при заданной температуре и рН) и полученный ферментолизат смешивают с другими компонентами, а полученную ферментационную среду используют для культивирования микроорганизмов.
Недостатком данного способа является необходимость использования готового продукта - крахмала.
Известны способы, в которых в качестве источника органического азота используют кукурузный экстракт, который смешивают с глюкозой или гидролизатом (ферментолизатом) крахмала.
Недостатком данного способа является использование нестандартизированного продукта, являющегося отходом производства кукурузного крахмала.
Известен способ получения крахмала амаранта в качестве углеводного сырья для ферментационных сред (патент РФ №2175658, кл. С08В 30/04, 2001), в котором зерно амаранта дробят без отделения оболочек, затем отделяют оболочки на ситах, смешивают оболочки (частицы твердой фазы) с водой и центрифугируют (промывка оболочек), а крахмально-зерновую суспензию после обработки щелочью разделяют многократным центрифугированием.
Недостатком данного способа является большой расход воды и потери крахмала с оболочками.
Известен способ получения крахмала для ферментационных сред из крахмалсодержащего сырья (Пат. РФ №2238280, Кл. С08В 30/00, 2004), предусматривающий смешивание крахмалсодержащего сырья с водой, диспергирование суспензии в гомогенизаторе в гидроимпульсном режиме и разделение на крахмал, белковый концентрат и частицы твердой фазы центрифугированием, очистку крахмальной фракции от белка и водорастворимых примесей неоднократным промыванием центрифугированием в несколько ступеней. При центрифугировании суспензии для отделения крахмала суспензию обрабатывают щелочью до рН 7,0-8,0.
Недостатком способа являются высокие потери крахмала на стадии отделения шелухи и большой расход воды на промывку крахмала.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ приготовления компонента питательной среды для получения хлебопекарных дрожжей из крахмалсодержащего сырья путем ферментативного гидролиза. Крахмалсодержащее сырье смешивают с водой, нагревают полученную смесь, доводят рН смеси до 5,8-6,4, вносят амилосубтиллин и проводят ферментативный гидролиз крахмала до декстринов и мальтозы, затем гидролизат охлаждают, доводят рН до 4,5-5,6, вносят глюкаваморин и проводят второй этап ферментативного гидролиза до получения гидролизата с содержанием редуцирующих веществ от 30 до 40%, полученный ферментолизат разделяют на твердую и жидкую фракции, причем в последнюю вносят минеральные соли и ростовые вещества, необходимые для выращивания хлебопекарных дрожжей.
Недостатком этого способа является проведение ферментолиза крахмала до отделения твердой фазы, что влечет за собой повышенный расход ферментов, а также большие потери сахаров и белка с твердой фракцией и низкая концентрация этих компонентов в жидкой фракции.
Задачей настоящего изобретения является переработка растительного крахмалсодержащего сырья, полное использование всех компонентов растительного сырья (углеводсодержащей, белковой и целлюлозосодержащей частей) для приготовления ферментационных сред, использующихся в микробиологической промышленности при культивировании микроорганизмов.
Поставленная задача достигается тем, что растительное крахмалсодержащее сырье подвергают глубокой переработке.
Предлагаемая технология включает следующие стадии:
- крахмалсодержащее сырье смешивают с водой с температурой 45-50°С в соотношении от 1:2 до 1:4, затем гидромеханоакустическим способом в две стадии дробления с выдержкой между первым и вторым дроблением в течение 20-120 мин, обеспечивающей набухание крахмального зерна (замачивание), сырье измельчают до размера частиц не более 0,2 мм, от полученной суспензии в центробежном поле отделяют частицы твердой фазы при коэффициенте разделения 300-400 g, крахмальную фракцию концентрируют в центробежном поле до содержания сухих веществ не менее 40%, добавляют к полученному концентрату крахмала термостабильный амилолитический фермент в концентрации 1,0-3,0 Е/г крахмала и проводят первую стадию ферментолиза при температуре 75-95°С и рН 4,5-6,5, вторую стадию ферментолиза проводят при температуре 55-75°С и рН 3,5-5,5, внося глюкоамилазу в концентрации 1,0-5,0 Е/г крахмала при перемешивании; белковую фракцию отделяют в центробежном поле с коэффициентом разделения 3500-3800 g, гидролизуют протеолитическим ферментом при температуре 35-60°С в концентрации 0,5-5 Е/г белка и используют как ростовую часть в составе ферментационных сред, нативный раствор упаривают на вакуум-выпарной установке до содержания сухих веществ (СВ) не менее 45% (получают растительный экстракт, аналогичный кукурузному экстракту, и конденсат, возвращаемый в процесс на разных стадиях); целлюлозосодержащую часть (частицы твердой фазы) после обработки на гидроакустической установке с целью дополнительного извлечения крахмала и белка используют в качестве ферментационной среды для культивирования продуцентов целлюлолитических ферментов и микопротеина, или как пищевую целлюлозу; компоненты ферментационной среды смешивают в соотношении, определяемом в зависимости от культивируемого штамма-продуцента.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем:
- крахмалсодержащее растительное сырье смешивают с водой при температуре 45-50°С с гидромодулем 1:2, 1:3, 1:4 и измельчают гидромеханоакустическим способом, с локальной диссипацией энергии 80-120 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 0,2-2 сек в две стадии дробления с выдержкой между первым и вторым дроблением в течение 20-120 мин, обеспечивающей набухание крахмального зерна (замачивание),
- от суспензии после дробления отделяют частицы твердой фазы на разделительной центрифуге при коэффициенте разделения 300-400 g;
- частицы твердой фазы разводят водой до содержания СВ 5-7% и обрабатывают гидромеханоакустическим способом с локальной диссипацией энергии 180-250 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 0,02-0,05 сек для наиболее полного вымывания крахмала и белка, затем частицы твердой фазы отделяют центрифугированием с коэффициентом разделения 300-400 g, получая фракцию влажных твердых частиц и крахмально-белковую суспензию, крахмалсодержащую фракцию и крахмально-белковую суспензию объединяют и выдерживают при перемешивании и температуре 45-50°С в течение 10-20 мин;
- фракцию влажных твердых частиц используют как ферментационную среду для культивирования продуцентов целлюлолитических ферментов или микопротеина, либо после дополнительной обработки в пищевой промышленности в качестве пищевых волокон,
- объединенную крахмально-белковую фракцию после перемешивания и выдержки разделяют центрифугированием с коэффициентом разделения 130-180 g на крахмал А и фугат;
- фугат подщелачивают до рН 8,0-9,5 и выдерживают при перемешивании и температуре 45-50°С в течение 10-20 мин, затем фугат центрифугируют при коэффициенте разделения 180-220 g для отделения крахмала В, а белковую суспензию центрифугируют с коэффициентом разделения 3500-3800 g, получая две фракции: глютеновую и нативный раствор;
- фракции крахмала А и крахмала В, с содержанием крахмала 30- 40% объединяют и гидролизуют в 2 последовательные стадии:
а) применяя термостабильную α-амилазу при температуре 75-95°С и рН 4,5-6,5;
б) используя глюкоамилазу при температуре 55-75°С и рН 3,5-5,5, получают основной продукт: ферментолизат крахмала с содержанием глюкозы не менее 45%;
- глютеновую фракцию с содержанием СВ 20-27% подвергают ферментативному гидролизу протеолитическими ферментами при температуре 35-60°С, предварительно доведя рН раствора до 8,0-9,5, в течение 2-4 часов
- нативный раствор упаривают на вакуум-выпарной установке при температуре 45-65°С до содержания СВ не менее 45%, получая растительный экстракт и конденсат, который возвращают в процесс переработки растительного сырья;
Ферментолизованную глютеновую фракцию и упаренный нативный раствор используют как источник органического азота в составе ферментационных сред для культивирования микроорганизмов (ростовая часть), а конденсат возвращают в процесс переработки растительного сырья на разных стадиях.
Сущность технологии подтверждается, но не исчерпывается приведенными примерами.
Пример 1
28 кг пшеницы 5 класса смешивают с 56 кг (гидромодуль 1:2) водопроводной воды при температуре 45°С и осуществляют дробление на РПА следующим способом:
- однократное дробление порции с локальной диссипацией энергии 80 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 0,2 сек;
- выдержка при 45°С 120 мин, обеспечивающая набухание крахмальных зерен;
- 2 цикл дробления с локальной диссипацией энергии 80 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 2 сек.
Полученную зерновую суспензию в количестве 84 л разделяют на фракции следующим способом:
- отделяют зерновые оболочки (частицы твердой фазы) на разделительной центрифуге при 400 g в непрерывном режиме, суспензию собирают в емкость, а влажные зерновые оболочки смешивают с водопроводной водой в количестве 56 л (или с конденсатом, получаемым далее) до содержания СВ 7% и обрабатывают на гидроакустической установке с локальной диссипацией энергии 180 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 0,05 сек в течение 20 мин;
- после гидроакустической обработки проводят повторное отделение зерновых оболочек от жидкой фракции (промывки) на разделительной центрифуге с коэффициентом разделения 400 g;
- целлюлозосодержащую часть (влажные частицы твердой фазы) с содержанием СВ 25% в количестве 34 кг используют в качестве субстрата для культивирования микроорганизмов, синтезирующих целлюлолитические ферменты, или для получения микопротеина;
- крахмальную суспензию и промывку (зерновых оболочек) объединяют и выдерживают при температуре 45°С с перемешиванием в течение 20 мин - крахмально-белковую суспензию возможно использовать в качестве субстрата для культивирования продуцентов антибиотиков, витаминов и т.д. (микроорганизмов с высокой собственной амилолитической способностью);
- далее объединенную крахмально-белковую фракцию и промывку разделяют на фракции центрифугированием;
а) при коэффициенте разделения 130 g (600 об/мин в течение 3 мин) - отделяется крахмал А;
б) в фугате остаточной суспензии доводят рН до 8,0, выдерживают при температуре 45°С в течение 20 мин и центрифугируют при коэффициенте разделения 180 g (800 об/мин в течение 3 мин) - получают крахмал В и белковую суспензию;
- белковую суспензию разделяют центрифугированием при коэффициенте разделения 3500 g (4300 об/мин в течение 10 мин) на две фракции: глютеновую и нативный раствор;
- нативный раствор упаривают на вакуум-выпарной установке при температуре 45°С до содержания СВ не менее 45%, получая растительный экстракт в количестве 3,5 кг;
- источник органического азота в составе ферментационных сред для культивирования микроорганизмов (ростовая часть), а конденсат в количестве 65 л возвращают в процесс переработки растительного сырья на разных стадиях;
- весь выделенный крахмал (крахмал А и крахмал В) разбавляют конденсатом (получаемым при упаривании нативного раствора) до СВ 40%, доводят рН в смеси до 4,5, вносят раствор термостабильной α-амилазы из расчета 1 Е/г крахмала;
- в аппарат с нижним расположением нагревательного элемента заливают 0,5 л дистиллированной воды и нагревают до 75°С. При достижении заданной температуры насосом подают раствор крахмала с ферментом, после заполнения аппарата (коэффициент заполнения 0,7) открывают зажим нижнего слива и продолжают ферментолиз до исчерпания порции раствора крахмала. Скорость подачи раствора крахмала зависит от активности используемого фермента и должна быть равна скорости расщепления крахмала - раствор декстринов используют в качестве субстрата для культивирования микроорганизмов;
- в полученном разжиженном растворе крахмала доводят рН до 3,5 и после охлаждения его до 55°С вносят раствор фермента глюкоамилазы в концентрации 5 Е/г и при температуре 55°С проводят вторую стадию ферментолиза в течение 1 часа;
- готовый ферментолизат крахмала 18,5 л - раствор глюкозы с содержанием редуцирующих веществ (РВ) не менее 45% используют в качестве углеводсодержащего субстрата для культивирования микроорганизмов;
- глютеновую фракцию смешивают с конденсатом (получаемым при упаривании нативного раствора) до содержания СВ 20%, доводят рН смеси до 8,0, вносят протеолитический фермент в количестве 0,5 Е/г белка и гидролизуют в течение 4 часов при температуре 45°С. Полученный раствор аминокислот в количестве 3,5 л, содержащий не менее 25 г/л аминокислот, смешивают с 3,5 кг растительного экстракта (упаренного нативного раствора) и используют в качестве белковой части ферментационных сред для культивирования микроорганизмов.
Пример 2
28 кг пшеницы 5 класса смешивают с 112 кг (гидромодуль 1:4) водопроводной воды с температурой 50°С и осуществляют дробление на РПА следующим способом:
- однократное дробление порции с локальной диссипацией энергии 120 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 2 сек;
- выдержка при 55°С 20 мин, обеспечивающая набухание крахмальных зерен;
- 2 цикл дробления с локальной диссипацией энергии 120 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 0,2 сек;
Полученную зерновую суспензию в количестве 140 л разделяют на фракции следующим способом:
- отделяют зерновые оболочки (частицы твердой фазы) на разделительной центрифуге при 300 g в непрерывном режиме, суспензию собирают в емкость, а влажные зерновые оболочки смешивают с водопроводной водой в количестве 110 л (или с конденсатом, получаемым далее) до содержания СВ 5% и обрабатывают на гидроакустической установке с локальной диссипацией энергии 250 Вт/л и временем пребывания в зоне воздействия 0,02 сек;
- после гидроакустической обработки проводят повторное отделение зерновых оболочек от жидкой фракции (промывки) на разделительной центрифуге с коэффициентом разделения 300 g;
- целлюлозосодержащую часть (влажные частицы твердой фазы) с содержанием СВ 20% в количестве 46 кг используют в качестве субстрата для культивирования микроорганизмов, синтезирующих целлюлолитические ферменты, или для получения микопротеина;
- крахмальную суспензию и промывку (зерновых оболочек) объединяют и выдерживают при температуре 50°С с перемешиванием в течение 10 мин - крахмально-белковая суспензия используется в качестве субстрата для культивирования продуцентов антибиотиков, витаминов и т.д. (микроорганизмов с высокой собственной амилолитической способностью);
- далее объединенную крахмально-белковую фракцию и промывку разделяют на фракции центрифугированием:
а) при коэффициенте разделения 180 g (750 об/мин в течение 3 мин) отделяют крахмал А;
б) в фугате доводят рН до 9,5, выдерживают при температуре 50°С в течение 10 мин и центрифугируют при коэффициенте разделения 220 g (950 об/мин в течение 3 мин) - получают крахмал В и белковую суспензию;
- белковую суспензию разделяют центрифугированием при коэффициенте разделения 3800 g (4500 об/мин в течение 10 мин) на две фракции: глютеновую и нативный раствор;
- нативный раствор упаривают на вакуум-выпарной установке при температуре 65°С до содержания СВ не менее 45%, получая растительный экстракт в количестве 5,5 кг - белковую часть ферментационных сред для культивирования микроорганизмов (ростовая часть), а конденсат в количестве 150 л возвращают в процесс переработки растительного сырья на разных стадиях;
- весь выделенный крахмал (крахмал А и крахмал В) разбавляют конденсатом (получаемым при упаривании нативного раствора) до СВ 40%, доводят рН в смеси до 6,5, вносят раствор термостабильной α-амилазы из расчета 3 Е/г крахмала;
- в аппарат с нижним расположением нагревательного элемента заливают 0,5 л дистиллированной воды и нагревают ее до 95°С. При достижении заданной температуры насосом подают раствор крахмала с ферментом, после заполнения аппарата (коэффициент заполнения 0,7) открывают зажим нижнего слива и продолжают ферментолиз до исчерпания порции раствора крахмала. Скорость подачи раствора крахмала зависит от активности используемого фермента и должна быть равна скорости расщепления крахмала - раствор декстринов используют в качестве субстрата для культивирования микроорганизмов;
- в полученном разжиженном растворе крахмала доводят рН до 5,5 и после охлаждения его до 75°С вносят раствор фермента глюкоамилазы в количестве 1 Е/г крахмала и при температуре 75°С проводят вторую стадию ферментолиза в течение 3 часов;
- готовый ферментолизат крахмала 22,5 л - раствор глюкозы с содержанием РВ не менее 45% используют в качестве углеводсодержащего субстрата для культивирования микроорганизмов;
- глютеновую фракцию смешивают с конденсатом (получаемым при упаривании нативного раствора) до содержания СВ 27%, доводят рН смеси до 9,5, вносят протеолитический фермент в количестве 5,0 Е/г белка и гидролизуют в течение 2 часов при температуре 50°С. Полученный раствор аминокислот в количестве 4,5 л, содержащий не менее 25 г/л аминокислот, смешивают с 5,5 кг растительного экстракта (упаренным нативным раствором) и используют в качестве белковой части ферментационных сред для культивирования микроорганизмов.
Предлагаемый способ глубокой переработки растительного крахмалсодержащего сырья позволяет получать крахмал, глютен, раствор декстринов, глюкозный сироп, раствор аминокислот, растительный экстракт, целлюлозосодержащую фракцию из растительного крахмалсодержащего сырья без отходов с высокой степенью извлечения из сырья глюкозы и белка, получая высококонцентрированные растворы компонентов ферментационных сред для культивирования широкого спектра микроорганизмов без дополнительного упаривания.
Использование гидромеханоакустического способа измельчения сырья и дополнительной гидромеханоакустической обработки частиц твердой фазы повышает степень извлечения крахмала и белка до 95%.
Ведение процесса обработки растительного сырья при температуре 45-50°С снижает активность ферментов сырья в два раза, что позволяет повысить выход крахмала и белка.
Применение термостабильных амилаз дает возможность использовать концентрированный до 30-45% раствор крахмала, увеличить степень гидролиза крахмала до 95%, сократить время ферментолиза и количество использованных ферментов.
Получение концентрированных растворов компонентов ферментационных сред обеспечивает длительное хранение растворов компонентов без потери их качества.