СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛЮКОЗО-МАЛЬТОЗНОЙ ПАТОКИ ИЗ КАРТОФЕЛЬНОГО КРАХМАЛА
METHOD FOR PRODUCTION OF GLUCOSE-AND-MALTOSE MOLASSES OF POTATO STARCH

Изобретение относится к области прикладной биотехнологии, а именно к способу получения глюкозо-мальтозной патоки из картофельного крахмала, которая может быть использована в кормлении сельскохозяйственных животных, в спиртовой и в хлебокондитерской промышленности.
Известен способ получения патоки из крахмала (RU 2283349 С1, 10.09.2006). Способ предусматривает заваривание крахмала. Затем в полученный крахмальный клейстер вносят ферментный препарат альфа-амилазу и происходит разжижение клейстера. Ожиженную массу охлаждают до температуры осахаривания, вводят в емкость ферментный препарат глюкоамилазу и осуществляют осахаривание сжиженного крахмала. В емкости биореактора над поверхностью крахмальной суспензии создают вихревое движение аэрирующего воздуха под крышкой емкости с перепадом давления между центром воздушного вихря и его периферией, составляющим 1000-2200 Па. Процессы разжижения и осахаривания осуществляют при перемешивании реакционной среды этим вихревым потоком воздуха. После осахаривания сжиженного крахмала инактивируют фермент. Полученный гидролизат очищают и уваривают до получения патоки.
К недостаткам данного способа можно отнести большие энергозатраты на создание вихревого потока для осуществления процесса ферментации крахмала и сложность технологического процесса.
Известен также способ получения комплексного ферментного препарата, содержащего кислую протеазу и α-амилазу (RU 2054479 С12, 20.02.1996). В качестве продуцента ферментов используют штамм плесневого гриба Aspergillus oryzae BKMF-55, который выращивают на агаризованной соево-глюкозной среде с сернокислым натрием и хлористым кобальтом. Через 5-7 сут конидиями гриба засевают жидкую ферментационную среду комбинированного состава. Глубинное культивирование проводят в течение 3 сут. Выделение ферментного комплекса проводят из фильтрата культуральной жидкости осаждением этиловым спиртом при температуре 5±1°С с последующей лиофилизацией раствора фермента. Ферментный препарат может быть использован для осахаривания крахмала.
К недостаткам данного способа можно отнести многокомпонентность состава питательной среды и среды для накопления ферментов плесневого гриба, что значительно удорожает получение ферментов.
Наиболее близким по техническому решению является способ RU 2425892 С13к 10.08.2011. Данное изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к способам получения сахаристых продуктов из крахмалсодержащего сырья. Способ предусматривает клейстеризацию предварительно измельченного ячменя и последующий ферментативный гидролиз в две стадии. На первой стадии осуществляют разжижение с использованием комплексного ферментного препарата в количестве 0,1% к массе сырья. Комплексный ферментный препарат содержит α-амилазу, протеазу и β-глюканазу из культур микроорганизмов Bacillus subtilis и Penicillium emersonii. На второй стадии осуществляют осахаривание с использованием ферментного препарата β-амилазы из генномодифицированного штамма Bacillus subtilis с геном Bacillus stearothermophilus в дозе 0,1% к массе сырья. Далее проводят инактивацию ферментов, отделяют гидролизат центрифугированием, фильтруют и сгущают до сиропа. Изобретение позволяет получать мальтозный сироп из цельного зерна ячменя без предварительного выделения из него крахмала, сократить общую продолжительность процесса и обеспечивает высокую чистоту получаемого продукта.
Недостатком данного способа является то, что по данному способу невозможно получить глюкозу из крахмалсодержащего сырья.
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения глюкозо-мальтозной патоки из картофельного крахмала.
Технический результат изобретения состоит в том, что крахмальный клейстер является хорошей питательной средой для клостридиев вида Cl. phytofermentans. Клейстер с внесенными в него спорами помещают в термостат, в котором поддерживается температура в интервале 35-39°С. Процесс разжижения и осахаривания крахмального клейстера тесно связан с циклом развития культуры клостридиев. Через 10-12 часов после засева споры начинают прорастать и при этом они выделяют фермент альфа-амилазу, которая разжижает крахмальный клейстер. Разжижение клейстера характеризуется исчезновением набухших зерен крахмала, уменьшением вязкости до состояния воды, сопровождается выделением газа и образованием пены. В течение следующих двух суток происходит размножение палочек клостридиев путем их деления. При этом делящиеся палочки выделяют фермент глюко-амилазу, которая расщепляет молекулы амилозы и амилопектина до молекул глюкозы. Происходит осахаривание крахмала.
Процесс созревания спор, прорастание из них вегетативных палочек клостридий, деление палочек и их переход обратно в состояние спор контролируют под микроскопом. Для этого на предметное стекло капают каплю крахмала, на нее помещают каплю раствора Люголя, содержимое распределяют препаровальной иглой тонким слоем по предметному стеклу и микроскопируют. Под микроскопом видно, что созревшая спора имеет яйцевидную форму, перламутрово-зеленого цвета и обладает слабой подвижностью. Прорастание палочки происходит со стороны более острого конца споры. Выросшая палочка клостридия сохраняет спору, которая располагается терминально. Диаметр споры больше диаметра палочки. Проросшие палочки накапливают в своем теле гранулезу, и по мере роста в них появляется от 1 до 3 разрывов гранулезы. Перед делением у палочки исчезает спора и только после этого палочка начинает делиться. Деление начинается с образования поперечной перетяжки и из одной палочки образуется две дочерние палочки. Перетяжка образуется строго по центру длины палочки, то есть она делит палочку на две равные части. В месте образования перетяжки дочерние палочки могут располагаться как друг за другом по прямой линии, так и под углом друг к другу. У молодой палочки появляется терминально расположенная спора.
Делящиеся палочки выделяют фермент, расщепляющий молекулы крахмала до молекул глюкозы. Для своего размножения клостридии получают энергию из образовавшейся глюкозы. С повышением концентрации глюкозы в растворе все более проявляется ее консервирующий эффект и размножение клостридиев замедляется, вместо деления палочки удлиняются образуя нити клостридиев. Нити, как правило, сплетаются в клубки. Клостридии выделяют в окружающую среду излишки амилолитических ферментов, которых хватает для осуществления ферментативного гидролиза следующей порции крахмала.
На четвертый день в образовавшийся раствор глюкозы вносят новую порцию крахмала, по весу равную первой порции крахмала, и заваривают ее при температуре 75°С. Ферменты клостридиев являются термоустойчивыми, поэтому при заваривании второй порции крахмала густого клейстера не образуется. По мере остывания, которое занимает около 1 часа, крахмальный клейстер все более разжижается и при достижении температуры 40°С его вязкость становится равной водному раствору. Под микроскопом в капле раствора крахмала не находят глыбок крахмала. Водный раствор йода окрашивается в желто-оранжевый цвет, раствор Люголя окрашивается в янтарный светло-коричневый цвет.
Степень расщепления молекул крахмала контролируют по цветной реакции с препаратами йода согласно таблице.
Под действием ферментов клостридиев на 4-й день ферментации происходит полное расщепление молекул крахмала из первой порции без образования декстринов. Из двух последовательно заваренных порций получают раствор жидкой патоки с содержанием в нем 20% сахаров. Полученный таким способом раствор сахаров очищают. Для этого его кипятят в течение 10-15 минут для денатурации белков, очищают путем применения адсорбентов, центрифугирования и фильтрования. Очищенный раствор упаривают до состояния патоки.
Таблица
Окраска препаратов йода в зависимости от степени расщепления молекул крахмала и циклы развития клостридиев
Дни ферментации
Состояние крахмального клейстера
Глубина расщепления молекул крахмала
Этапы развития клостридиев
Цвет 0,02 н. водного раствора йода
Цвет раствора Люголя
Первая порция крахмала
1
Обильная крупная пена, снизу поднимаются пузырьки газа
Присутствует крахмал
Примерно 9/10 короткие клостридии в виде сигары, остальные 1/10 споры
фиолетовый
темно-синий
2
Мелкая белая пена, редкие пузырьки газа
Присутствует значительное количество декстринов
Спор нет, 1/3 клостридии со спорой, 1/3 клостридии с разорванной гранулезой, 1/3 нити клостридии
утро: сиреневый; вечер: розовый
гранатовый
3
Нет пены, раствор мутный
Присутствуют следовые количества декстринов
Одинарные палочки со спорой, двойные палочки под углом без спор или со спорой. Нити клостридии.
утро: оранжевый; вечер: желтый и обесцветился
утро: кроваво-коричневый; вечер: ржаво-коричневый
4
Нет пены, раствор мутный, на дне незначительный осадок
Декстрины отсутствуют, присутствуют молекулы глюкозы
Палочки теряют форму, растворяются, остаются споры и редкие нити клостридии.
обесцвечивается
утро: янтарный светло-коричневый; вечер: янтарный светло-желтый
Вторая порция крахмала
5
Остывая, крахмал разжижается без образования газа и пены
Присутствуют молекулы глюкозы и мальтозы
Присутствуют только споры
желто-оранжевый
янтарный светло-коричневый
Приготовленная по данному методу патока имеет густую консистенцию, обладает чистым янтарно-коричневым цветом. Содержание глюкозы в патоке составляет не менее 40%, а мальтозы - не менее 35%.
При необходимости амилолитические ферменты могут быть выделены из культуральной жидкости (разжиженный крахмальный клейстер) традиционными методами, например может быть проведено их осаждение этанолом при температуре 3-5°С из ультрафильтрата культуральной жидкости.
По данным Красноярской испытательной лаборатории по ветеринарному и фитосанитарному контролю Россельхознадзора патока, полученная по данному способу, не является токсичной, а клостридии вида Cl. phytofermentans являются технической культурой и согласно СП 1.2.036-95 «Порядок учета, хранения, передачи и транспортирования микроорганизмов I-IV групп патогенности» не входят в список патогенных микроорганизмов.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами осуществления способа.
Пример 1
В 10-литровую емкость, заполненную водой, вносят 1 кг картофельного крахмала. Полученную 10%-ную крахмальную взвесь при постоянном помешивании нагревают до ее загустевания и просветления. Клейстеризация крахмала происходит при температуре 75°С. Емкость с полученным крахмальным клейстером снимают с плиты и дают ему остыть до комнатной температуры. После остывания в клейстер вносят навеску сухих спор клостридиев - Cl. phytofermentans в количестве 10 г и помещают емкость с клейстером в термостат. В термостате поддерживают температуру в интервале t=35-39°С. Лаг-фаза у спор длится 10-12 часов. Через указанное время споры начинают прорастать и крахмальный клейстер разжижается. Глыбки крахмала в клейстере исчезают, уменьшается вязкость клейстера и он становится жидким как вода. Процесс разжижения крахмала занимает 1 сутки. Далее выросшие из спор палочки начинают размножаться и раствор крахмала осахаривается. Осахаривание сопровождается расщеплением молекул крахмала до молекул глюкозы. Размножение клостридиев и соответственно расщепление молекул крахмала длится 2 суток. Окончание ферментативного гидролиза молекул крахмала и степень расщепления молекул проверяют реакцией с препаратами йода в соответствии с таблицей 1.
Для получения молекул мальтозы в полученный раствор глюкозы вносят навеску сухого крахмала в количестве 1 кг и вновь его заваривают, нагревая до 75°С. Но имеющийся в растворе термоустойчивый амилолитический фермент не дает клейстеризоваться новой порции крахмала. При достижении указанной температуры емкость снимают с плиты. По мере остывания жидкий крахмальный раствор все более разжижается и при достижении температуры 40°С становится жидким как вода и одновременно с этим завершается осахаривание крахмала, то есть заканчивается процесс расщепления молекул крахмала до молекул мальтозы. Остывший раствор имеет приятный сладкий вкус. Раствор йода при наличии молекул мальтозы приобретает оранжево-желтый цвет и постепенно обесцвечивается, так как в растворе кроме молекул мальтозы имеются молекулы глюкозы. Раствор Люголя становится янтарным светло-коричневого цвета и не меняет этот цвет.
Пример 2
Получение крахмального клейстера из первой порции крахмала и его осахаривание проводят как в примере 1. Затем полученный раствор глюкозы делят пополам, отливая 5 л в другую емкость. Затем в оставшихся 5 литрах раствора глюкозы заваривают вторую порцию крахмала 1 кг. При достижении температуры 75°С порцию снимают с плиты и после ее остывания до 55-60°С к ней приливают другую половину 5 л. По второму примеру получают раствор cахаров такого же состава, как и в примере 1, но молекулы мальтозы получают в 2 раза быстрее, так как второй раз нагревать нужно в 2 раза меньшее количество раствора и остывает это количество быстрее, чем объем при заваривании первой порции крахмала.