Системный подход к интенсификации процессов биоконверсии нативных крахмалов и крахмалосодержащего сырья. Сообщение II. Проведение биоконверсии нативных крахмалов в электроактивированных водных растворах

3. Стойкие эмульсии для молочных жиросодержащих продуктов / А.Ю. Просеков, А.С. Романов, В.М. Кудинова [и др.] // Молочная пром-сть. - 2001. - № 11. - С. 32.

4. Субботина, М.А. Кедровые композиции - новые ингредиенты для производства майонезов / М.А. Субботина // Масла и жиры: отраслевые ведомости. - 2004. - №3. - С. 5.

В.В. Аксёнов

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ БИОКОНВЕРСИИ НАТИВНЫХ КРАХМАЛОВ И КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ СООБЩЕНИЕ II. ПРОВЕДЕНИЕ БИОКОНВЕРСИИ НАТИВНЫХ КРАХМАЛОВ В ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

На основе полученных экспериментальных данных автор статьи показывает, что при использовании в качестве реакционной среды электроактивированных сред общая продолжительность процесса гидролиза кукурузного и ржаного крахмалов уменьшается в три раза. Это позволяет сделать вывод о целесообразности использования местного зернового сырья, например, ржи, как перспективного источника нативного крахмала с целью получения пищевых па-ток различного назначения.

Гидролиз нативных крахмалов - кислотный, кислотно-ферментативный, двойной ферментативный -проводится в водных системах. С одной стороны, вода является средой, в которой происходят тепловые, массообменные и диффузионные процессы, с другой - молекулы воды непосредственно участвуют в реакциях гидролиза крахмала, являясь реагентом.

Поэтому целесообразно осуществить попытки активации воды с целью интенсификации процессов ферментативного гидролиза. В связи с вышеизложенным, использование методов электрохимической активации водных растворов в процессах ферментативной биоконверсии нативных крахмалов представляет определенный интерес.

Электроактивированные растворы (ЭАР) широко используются в различных отраслях промышленности, в том числе в пищевой и перерабатывающей [1-2]. Так, например, использование электроактивирован-ных растворов в производстве макаронных изделий и при хлебопечении улучшает структурно-механические свойства теста и готовой продукции [3]. Электроактивированные водные растворы также применялись для гидролиза крахмалов [4], в производстве солода [5], для повышения степени экстрагирования сахара из свекловичной стружки [6; 16].

Обработка электроактивированной водой приводит к уменьшению высыхания мяса при хранении, сокращению времени посола фарша и увеличению выхода колбасы [7]. В масложировой отрасли использование ЭАР позволяет повысить стойкость жиров к окислению при хранении [8], а также степень извлечения масла [9].

Анолит (кислая фракция ЭАР, отбираемая у анода) используется как антисептическое средство при обработке сырья, тары и оборудования в пищевой промышленности [10], для увеличения сроков хранения овощей и фруктов [11-12], для консервирования кормов [13]. Известно применение ЭАР для раскисления молока [14] и при изомеризации лактозы в лактулозу [15; 22; 23].

Физической сущности процессов, происходящих при электрохимической обработке различных водных растворов, посвящено много работ [12-13; 17-26]. Изменение свойств и активности водных растворов обусловлено, главным образом, двумя основными факторами: модификацией состава растворов в результате электрохимических реакций на электродах и переходом водных растворов в метастабильное состояние с избыточной потенциальной энергией.

Многими исследователями было установлено изменение физико-химических свойств растворов в результате электродиализной обработки: изменение активной кислотности, электропроводности, температур кристаллизации и испарения, коэффициента поверхностного натяжения, коэффициента вязкости и т.д. [17-21]. Однако с фундаментальных позиций механизмы влияния электроактивированных растворов на химические и биохимические реакции освещены недостаточно полно.

Анализ сущности физико-химических процессов, протекающих при электрохимической активации водных растворов, привел к выдвижению рабочей гипотезы о возможности использования кислой фракции электроактивированной воды (анолита) в процессах ферментативной биоконверсии крахмалов.

Известно, что ферментативный гидролиз крахмалов является более перспективным по сравнению с кислотным гидролизом с экономических и экологических позиций [24-26]. Следует отметить, что ферменты обладают оптимальной активностью в строго определенных диапазонах рН, и их активность увеличивается в присутствии ионов Са+2. В связи с этим для получения электроактивированных водных растворов нами использовались растворы солей кальция (СаС12 и (сНзСОО)2Са) и отбиралась кислая фракция ЭАР, имеющая рН в диапазоне от 4,5 до 5,5 и окислительно-восстановительный потенциал в диапазоне +530 - +810 мВ.

Объектами исследований являлись нативные крахмалы: кукурузный и ржаной и процессы ферментативной биоконверсии этих крахмалов в глюкозные патоки. В качестве ферментера использовался газовихревой реактор. Применялись ферменты производства ООО «Сиббиофарм»: Амилосубтилин (а-амилазная активность 1520 ЕА) и Глюкалюкс (глюкоамилазная активность 5020 ЕА).

Определение глюкозы, мальтозы и трисахаридов проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на хроматогрофе Вгикег. Методика определения приведена в работе [27].

Опыты с кукурузным крахмалом №1-10 (табл. 1) были проведены в дистиллированной воде, где рН среды корректировалось добавлением раствора соляной кислоты, опыты №10-24 (табл. 1) - в электроакти-вированной среде.

Показано, что на первых двух стадиях желатинизации и разжижения в присутствии а-амилазного препарата гидролиз кукурузного крахмала идет до образования декстринов, как в дистиллированной воде, так и в электроактивированной воде. Образование глюкозы и мальтозы было незначительное (табл. 1, №1, 11). При использовании активированной среды наблюдается заметное количество трисахаридов (табл. 1, №11).

Таблица 1

Результаты биоконверсии кукурузного крахмала в различных средах (содержание крахмала 30%,

температура желатинизации 95оС, рН=4,5-5,5)

№ пробы Продолжительность процесса, ч Выход углеводов, % Реакционная среда

Глюкоза Мальтоза Триоза

1 3 Следы 1 - Неактивированная

2 6 39 13 -

3 9 46 12 -

4 12 55 8 -

5 16 66 5 -

6 22 79 2 -

7 26 88 1 -

8 30 94 1 -

9 42 98 1 -

10 46 97 1 -

11 3 2 0 12 Активированная

12 4 38 14 8

13 6 59 0,5 3

14 8 66 - -

15 12 82 - -

16 16 96 - -

17 24 98 0,5 -

18 26 95 1 -

19 36 95 2 -

20 42 94 3 -

21 46 93 2 -

22 52 91 2 -

23 60 91 2 -

24 72 90 3 -

Известно, что при использовании кукурузного крахмала в классических ферментерах для получения высокоосахаренной патоки с глюкозным эквивалентом (ГЭ), равными 63-67% и содержанием глюкозы 4043%, мальтозы 33-37% требуется 70-76 часов [24-25].

Такое содержание глюкозы было достигнуто менее чем за 6 часов при использовании в качестве среды электроактивированной воды (табл. 1, №12-13).

Наибольший процент биоконверсии кукурузного крахмала был достигнут в дистиллированной воде за 42 часа (табл. 1, №9) и за 16 часов в электроактивированной воде (табл. 1, №16) в расчете на глюкозу.

Таблица 2

Результаты биоконверсии ржаного крахмала в различных средах (содержание крахмала 30%,

температура желатинизации 95оС, рН=4,5-5,5)

№ пробы Продолжительность процесса, г Выход глюкозы, % Реакционная среда

1 3 4 Неактивированная

2 6 8

3 9 59

4 12 71

5 24 89

6 36 98

7 48 94

8 50 94

9 60 91

10 72 90

11 3 8 Активированная

12 6 58

13 9 67

14 12 84

15 24 99

16 36 96

17 48 93

18 50 91

19 60 90

20 72 88

Следует отметить, что биоконверсия ржаного крахмала в условиях, аналогичных кукурузному крахмалу, протекает заметно быстрее. Так, например, в неактивированных средах наибольший выход глюкозы в случае ржаного крахмала был достигнут через 36 часов (табл. 2, №6). Для кукурузного крахмала аналогичный выход наблюдается через 42 часа (табл. 1, №9). Однако применение электроактивированной среды нивелирует эту разницу и сравнимые выходы глюкозы, как для кукурузного, так и для ржаного крахмалов, наблюдались за одинаковое время (табл. 1, №24; табл. 2, №15).

Большая продолжительность процесса, сравнимая с классическим (72 часа), приводит к заметному снижению выхода глюкозы, как в случае кукурузного, так и ржаного крахмалов (табл. 1, №8-24; табл. 2, №16-20). Вероятно, снижение выхода глюкозы вызвано несколькими причинами, главными из которых являются: термическое разложение глюкозы; ее реакции с белками; образование ретроградированного крахмала.

Таким образом, можно сказать, что рожь является альтернативным источником крахмала, почти не уступающая по своим технологическим свойствам кукурузе.

В связи с тем, учитывая что на значительных территориях Российской Федерации товарная кукуруза не культивируется, было бы целесообразно вовлечь в переработку на пищевые патоки другие разновидности крахмалов и, в первую очередь, таковыми являются ржаной и пшеничный крахмалы. Следует отметить, что промышленного производства ржаного крахмала в России не имеется, хотя рожь дает стабильно высокие урожаи, в том числе и в условиях Сибири и Урала.

Объяснение причин, вызывающих ускорение ферментативного гидролиза крахмалов, было сделано с учетом исследований, проведенных К.К. Калниньшем [28-30]. Основным положением выдвигаемой им теории является то, что повышение каталитического ускорения химических и биохимических реакций, в первую очередь, обеспечивается переносом электронов, а переход протона только облегчает этот перенос. Этот электронно-протонный эффект снижает энергию электронно возбужденных состояний молекулярных комплексов, в том числе и ферментативных. При рассмотрении элементарных стадий реакции перенос электрона имеет особое значение как акт, предшествующий химическому превращению молекул. Вероятность переноса электрона видимо зависит от степени протонно-донорно-акцепторных взаимодействий между реагирующими молекулами, а последние, очевидно, испытывают воздействие со стороны третьей частицы - катализатора.

+5

НС

N

Н+

СН

СН

N

НС сн

II Н НС сн

Н ~С1 —02

С4 -Л18Н

N

• СН

\ С1 1 /

С00-

СН

0

I

С00-

Н018Н

0

Н

:С1

018Н

С00-

НС

СН

СН

Н

I

С4

0Н

Предполагаемый механизм ферментативного гидролиза крахмала

Предполагают, что основными определяющими каталитические свойства амилолитических ферментов функциональными группами являются карбоксильные группы аспаргиновой и глутаминовой кислот и имидозольная группа гистидина, входящие в состав активной полости ферментов [31-34].

Вероятная схема механизма ферментативного гидролиза крахмала представлена на рисунке.

С позиций теории электронно-протонного переноса в рассматриваемой каталитической паре роль электрофила выполняет протонно-имидазольный комплекс, а нуклеофила - остаток карбоксильной группы. Обладая большей электроакцепторностью, атомы кислорода -О1- и -О2- будут оттягивать электронную плот-

N

N

Н

0

Н

N

N

N

Н

+

ность на себя, продуцируя тем самым частичный положительный заряд на С (рис.). В то же время, приобретая частичный отрицательный заряд, атом -Oi- будет подвергаться электрофильной атаке протонно-имидазольным комплексом. Действие активных каталитических групп в ферментах согласовано и они действуют по принципу "push-pull”.

Очевидная анолитная фракция электроактивированных водных растворов способствует такому электронно-протонному переносу, так как может иметь большее количество «активных» электронов, получаемых в процессе электродиализа.

Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что при использовании в качестве реакционной среды электроактивированных сред общая продолжительность процесса гидролиза кукурузного и ржаного крахмалов уменьшается в 3 раза.

Это позволяет сделать вывод о целесообразности использования местного зернового сырья, например, ржи, как перспективного источника нативного крахмала с целью получения пищевых паток различного назначения.

Литература

1. Бахир, В.М. Электрохимическая активация водных растворов и ее технологическое применение в пищевой промышленности / В.М. Бахир, Н.Г. Цикоридзе, Л.Е. Спектор // Обзорная информация. Сер. Пищевая пром-сть. - 1988. - Вып. 3. - 80 с.

2. Богатырева, А.Е. Активирование веществ и его технологическое применение / А.Е. Богатырева, Л.И. Шушунова, Г.М. Цыганов // Обзоры по электронной технике. - М.: Электроника, 1984. - 39 с.

3. Пащенко, Л.П. Электрохимия в технологии хлеба, макаронных и кондитерских изделий: учеб. пособие / Л.П. Пащенко, Т.В. Санина, А.И. Бывальцев. - Воронеж, 2001. - 233 с.

4. А.с.1078935 СССР, МКИ3 С 14В3/11. Способ гидролиза крахмала / Н.Д. Лукин, Н.Г. Гулюк, Е.К. Копте-лова [и др.]. - Заявл. 04.07.81; опубл. 05.07.82.

5. А.с. 1279235 СССР, МКИ3 С12С1/00. Способ производства солода / К.А. Калунянц, Т.В. Филатов, А.И. Садова [и др.]. - Заявл. 14.03.84; опубл. 29.12.84.

6. Степанова, Е.Г. Технологические эффекты процесса экстрагирования сахара с применением ЭАЖС / Е.Г. Степанова, Е.П. Кошевой // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1992. - №3-4. - С.55-57.

7. Борисенко, Л.А. Научно-технические основы интенсивных технологий посола мясного сырья с применением струйного способа инъецирования многокомпонентных и активированных жидких систем: ав-тореф. дис. ... д-ра техн. наук / Л.А. Борисенко. - М., 1999. - 49 с.

8. А.с. 1231868 СССР, МКИ5’ С11В3/02. Способ регенерации окисленных жиров / А.Г. Лиакумович, З.И. Хабулова, П.А. Кирпичников [и др.]. - Заявл. 05.04.82; опубл. 07.07.83.

9. Кошевой, Е.П. Совершенствование подготовки масличных материалов к извлечению масла с применением реагентов / Е.П. Кошевой, Д.Г. Кварацхелия, В.А. Леонтьев // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1994. - №1-2. - С.90-91.

10. Русанова, Л.А. Бактерицидные свойства электроактивированных водных растворов / Л.А. Русанова, Г.И. Касьянов // Экология человека: пищевые технологии и продукты: тез. докл. - М., 1995. - С.25.

11. А.с. 1341743 СССР МКИ4 A14F4/04. Способ хранения цитрусовых плодов / Н.Г. Цикоридзе, А.Г. Лиакумович, Р.Г. Дадиани [и др.]. - Заявл. 24.07.83; опубл. 22.11.84.

12. Исагулян, Э.А. Влияние активированных растворов на сохранение огурцов / Э.А. Исагулян, Т.В. Мгеб-ришвили, Е.И. Донченко // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1993. - №3-4. - С.47-49.

13. Соколов, А.В. Производство и применение продуктов электролиза воды / А.В. Соколов, С.П. Замана // Вестн. РАСХН. - 1992. - №2. - С.45-46.

14. Технологический регламент регулирования кислотности молока и жидких молочных продуктов методом униполярной активации. - Ташкент, 1991. - 92 с.

15. Рябцева, С.А. Технология лактулозы / С.А. Рябцева. - М.: Делипринт, 2003. - С.75-86.

16. Экстракция сахарозы их свекловичной стружки с применением электрохимически активированных растворов / В.А. Лосева, А.А. Ефремов, И.В. Квитко [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. -2003. - №6. - С.48-49

17. Механизм изменения реакционной способности активированных веществ / В.М. Бахир, П.А. Кирпичников, А.Г. Лиакумович [и др.] // Изв. АН Уз. ССР. - 1982. - №4. - С.70-75.

18. Физическая природа явлений активации веществ / В.М. Бахир, П.А. Кирпичников, А.Г. Лиакумович [и др.] // Изв. АН Уз.ССР.- 1983. - №1. - С.60-64.

19. Бахир, В.М. Регулирование физико-химических свойств технологических водных растворов униполярным электрохимическим воздействием и опыт его практического применения: автореф. дис. . канд. техн. наук / В.М. Бахир. - Казань, 1984. - 16 с.

20. Большаков, А.С. Технологические свойства активированной воды / А.С. Большаков, Л.А. Сарычева, А.А. Борисенко // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1992. - №2. - С.56-58.

21. Рогов, В.М. Электрохимическая технология изменения свойств воды / В.М. Рогов, В.Л. Филипчук. -Львов, 1989. - 128 с.

22. Применение электроактивированных растворов для получения лактулозы / А.Г. Храмцов, С.А. Рябце-ва, И.А. Евдокимов [и др.] // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1997. - №6. - С.25-27.

23. Деминерализация лактозосодержащего сырья методом электродиализа / А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, Г.С. Варданян [и др.] // Обзорная информация. Сер. Молочная пром-сть. - М.: АгроНИИТЭИММП, 1992. - 32 с.

24. Технология крахмала и крахмалопродуктов / Н.Н. Трегубов [и др.]. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. - 472 с.

25. Крахмал и крахмалопродукты / под ред. Н.Г. Гулюка. - М.: Агропромиздат, 1985. - 279 с.

26. Ладур, Т.А. Ферментативный гидролиз крахмала - важный резерв повышения эффективности производства крахмалопродуктов / Т.А. Ладур, З.М. Бородина, Р.М. Карненко //Сахарная пром-сть. - 1983. -№9. - С. 37-38.

27. Влияние условий предварительной желатинизации на уровень ферментативной конверсии картофельного и ржаного крахмалов при производстве патоки / В.В. Аксёнов, Н.Л. Лукьянчикова, С.В. Морозов [и др.] // Пища. Экология. Качество: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2004. -

С.150-152.

28. Калниньш, К.К. Электронное возбуждение в химии / К.К. Калниньш. - СПб.: Изд-во СПГУТД, 1998. -324 с.

29. Калниньш, К.К. // Докл. АН СССР. - 1988. - Т.299. - №1. - С.143.

30. Калниньш, К.К. // Изв. АН. Сер. Химия. - 1992. - №5. - С. 1048.

31. Thoma, J.A. Free amino acids at the active site of ß-amylase / J.A. Thoma, D.E. Koshland// J.Molec.Biol. -1960. - P. 169-175.

32. Thoma, J.A. Comparison of the active sites of alpha- and beta-amylase / J.A. Thoma J., Wakim, L. Steart // Biochem. Biophys. Res. Communs. - 1963. - Vol.12. - P.350-361.

33. Жеребцов, Н.А. О механизме действия амилаз на гликозидные связи крахмала / Н.А. Жеребцов, Л.Ф. Забелина, А.И. Эктова // Биохимия. - 1976. - Т. 41. - Вып.12. - С.2119-2125.

34. Варфоломеев, С.Д. Каталитические центры гидролаз: структура и каталитический цикл / С.Д. Варфоломеев, И.А. Гариев, И.И. Упоров // Успехи химии. - 2005. - Т.74. - Вып.1. - С.67-83.

---------♦'-----------

УДК 630.165.62 Н.П. Братилова, Н.В. Моксина, М.А. Янова

СОРТОВЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ХРАНЕНИЯ ПЛОДОВ ЯБЛОНЬ БОТАНИЧЕСКОГО САДА им. Вс.М. КРУТОВСКОГО

В статье приведены результаты исследований изменчивости сроков созревания, изучены биометрические показатели и особенности продолжительности хранения плодов яблони в Ботаническом саду им. Вс.М. Крутовского. Выявлено, что сохраняются сортовые особенности яблони по срокам хранения, а сроки созревания и сбора плодов сдвигаются из-за изменения климатических и погодных условий.

Яблоня - наиболее распространенная плодовая культура России. К настоящему времени известно более 10 тыс. ее сортов (Еремин и др., 2004). В суровых сибирских условиях селекция яблони ведется в первую очередь на урожайность, высокую адаптационную способность к неблагоприятным климатическим условиям, болезням, продолжительности хранения плодов и др. Многие сорта яблони, успешно произрастающие в более благоприятных климатических условиях, в Сибири вымерзают или не успевают вызреть.