Применение крахмалосодержащего сырья в биотехнологической промышленности

ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 543.4:544.2

Д. Ш. Ягофаров, А. В. Канарский, Ю. Д. Сидоров,

З. А. Канарская

ПРИМЕНЕНИЕ КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: зерно, клубнеплод, крахмал, биотехнология.

Проведен обзор литературы применения крахмалосодержащего сырья в биотехнологической промышленности. Показана целесообразность и перспективность применения картофеля как источника углерода.

Keywords: grain, tuber crop, starch, biotechnology.

The review of literature of application of starch-containing raw materials in biotechnology industry has been

implemented. The expediency and availability of applic

В настоящее время для России увеличение производства биопродуктов является важным элементом восстановления и подъема экономики. Развитие этой отрасли должно базироваться на использовании прогрессивных технологий

воспроизводства и переработки

крахмалосодержащего сырья [1,2,3,4].

Все виды крахмалосодержащего сырья, пригодного для биотехнологической

промышленности по массовой доле сухих веществ (СВ) можно подразделить на две основные группы [1,5,6,7,8]:

- корнеклубнеплоды и стебельные растения - 20-30 % СВ: картофель, батат, маниок, саговая пальма и др. [7,9,10].

- зерновые и зернобобовые - 85-90 % СВ: наиболее богатые крахмалом кукуруза, сорго, пшеница, ячмень, рожь, рис, горох и др.[7,11,12].

Технологические свойства крахмалоносов в значительной мере определяются их структурой, химическим составом и анатомическим строением. Особенности строения плодов и семян крахмалоносов оказывают решающее влияние на организацию и ведение технологических процессов и биопроизводства и извлечения крахмала.

Наиболее характерный представитель клубнеплодов - картофель (Solanum tuberosum). Химический состав клубня картофеля зависит от сорта, условий выращивания: почвы, внесения

удобрений и климата; условий созревания, сбора и хранения урожая и от факторов связанных с его анализом [13]. Картофель содержит крахмала от 13 до 37 % сухого вещества; общее содержание углеводов от 13 до 30 %; содержание крахмала от 8.5 до 29 %; содержание сахаров до 4 %, в том числе глюкозы от 0.10 до 0.50 %, фруктозы от 0.06 до 0.70 %, сахарозы от 0.14 до 0.50 %; содержание клетчатки от 0.7 до 3.5 %; содержание пектиновых веществ от 0.7 до 1.5 %; содержание сырого протеина от 0.5 до 4.5 %; общее содержание азота от 0.15 до 0.75 %; содержание золы от 0.45 до 1.90 % и жиров от 0.02 до 0.20 % [14,15].

of potato starch as the source of carbon has been shown.

Наружный слой картофеля - перидерма (называемый также кожицей или пробкой) состоит из клетчатки, под которой находится тонкий пробковый слой клеток, наполненных высохшей плазмой, затем слой тонкостенных клеток с протоплазмой и за ними - клетки, наполненные протоплазмой и плавающими в ней гранулами крахмала. Тканевый слой между перидермой и сосудистым кольцом называется кортексом. Слой кортекс содержит наибольшее количество крахмала и протеинов [16]. Сосудистое кольцо служит транспортирующим механизмом и состоит из ксилемы и флоэмы. Ксилема транспортирует воду и растворенные нутриенты, в то время как флоэма ответственна за транспортировку органических веществ, в частности, сахарозы. Зона вокруг сердцевины, или внешняя флоэма, расположена между сосудистым кольцом и сердцевиной. Этот слой составляет около 75 % от общего объема клубня картофеля и характеризуется клетками паренхимы для накопления крахмала, за что и обозначается как накопительная паренхима. Однако, кортекс и сердцевина тоже имеют клетки паренхимы. Сердцевина, или водное ядро, занимает центральную часть клубня. В ней содержание крахмала и протеина мало [16], следовательно, соотношение веществ клеточной стенки в сухом веществе сердцевины больше по сравнению с другими зонами ткани паренхимы.

Стенки клеток обеспечивают механическую поддержку клубня. Главной составляющей клеточных стенок и средней ламеллы является пектин (55-60 %); целлюлоза(28 %), гемицеллюлозы (7-10 %) и протеины (2-10 %) [17,18]. Толщина клеточной стенки составляет приблизительно 1 мкм [7,19]. Механические свойства клубня способствуются трехуровневой структурой [20].

Картофельный крахмал по сравнению с другими видами крахмала имеет ряд уникальных особенностей: молекулярная и морфологическая структура с большими и ровными гранулами, высокое содержание ковалентно связанного

фосфата, наличие длинных амилопектиновых цепей и высокомолекулярной амилозы. Эти особенности картофельного крахмала позволяют использовать его в качестве функционального биополимера для пищевых и технических целей. В частности, картофельный крахмал находит свое применение в производстве высококачественной бумаги [21] и для образования вязких гидроколлоидных систем (загустители, коллоидные стабилизирующие вещества, желирующие вещества, наполнители и водоудерживающие вещества) [22]. По сравнению с зерновым крахмалом, вполне упорядоченная и плотная структура гранул картофельного крахмала, делают его резистентным к ферментативному гидролизу [23]. Однако, некоторые свойства картофельного крахмала, такие как низкая устойчивость к сдвиговым деформациям и низкое термическое сопротивление, а также высокая склонность к ретроградации ограничивают

применение картофельного крахмала в некоторых областях пищевой биотехнологии. Эти ограничения преодолеваются путем модификации крахмала: этерификацией, эстерификацией, сшиванием и трансплантацией крахмала, кислотным или

ферментативным гидролизом и окислением

крахмала; а также физической обработкой крахмала

- тепловой обработкой в водной среде под избыточным давлением и т. п.

В настоящее время наблюдается тенденция применения биотехнологических методов в создании новых сортов картофеля с целью

повышения не только урожая картофеля, но и модификации свойств крахмала. В частности, получены сорта картофеля крахмал которых,

содержат преимущественно амилопектин. Разработаны сорта картофеля с высокой урожайностью. Данные сорта картофеля как источники крахмала весьма перспективны в биотехнологии.

Из корнеплодов основным видом сырья для промышленной переработки является маниок (Manihot esculenta) (имеющий также название

тапиока (Индия, Малайзия) или кассава (Африка и Юго-Восточная Азия) - в зависимости от страны где он произрастает). Структура корнеплода маниока такая же, как и у картофеля, но имеются и существенные отличия: во-первых, форма его -вытянутая, стрелообразная, и по размерам он превышает клубень картофеля в 5-10 раз, во-вторых, наружная кожица корнеплода менее прочная, чем у картофеля, поэтому сравнительно легко снимается при мойке, и в третьих, среднеарифметический размер гранул крахмала маниока в два раза меньше среднего размера гранул крахмала картофеля [7,24,25].

Созревшие корни маниока содержат в среднем 60-70 % воды, 30-35 % углеводов, 1-2 % жира, 1-2 % волокна и 1-2 % протеина, следы витаминов и минералов. В зависимости от климата и времени урожая содержание крахмала варьируется от 15 до 33 % [26]. Несмотря на низкое содержание в корнях кассавы протеина, витаминов и минералов, они все же остаются хорошими источниками

энергии и являются массовыми продуктами питания в некоторых регионах земного шара.

Крахмал тапиока отличается от других видов крахмала низким содержанием остаточных веществ (жиры, протеина, зола), амилозы по сравнению с другими амилозосодержащими крахмалами и высокой молекулярной массой амилозы и амилопектина [27]. Содержание фосфора в крахмале тапиока незначительно и связей в виде эфиров фосфатной кислоты с амилопектином как у картофельного крахмала не установлено [3]. Низкое содержание амилозы, липидов и протеина, а также способность клейстера крахмала тапиока медленно образовывать слабые гели, зависящие от высокой молекулярной массы амилозы, подчеркивают

особенность непосредственного применения

крахмала тапиока среди нативных крахмалов как в пищевых, так и в технических целях.

Пшеница (Triticum) — род травянистых, в основном однолетних, растений семейства Злаки, или Мятликовые, ведущая зерновая культура во многих странах, в том числе и России. Лидерами по выращиванию пшеницы являются Китай, Индия, США, Канада и Россия.

Зерно пшеницы представляет собой

твердое, коллоидное, капиллярно - пористое тело, включающее различные вещества. Крахмал имеет частично кристаллическую структуру, так же, как и клетчатка, которая содержится в значительном количестве в оболочках зерна. Белковые вещества обладают аморфной структурой. В эндосперме гранулы крахмала также заключены в клетки, но, в отличие от корнеплодов, они прочно скреплены белковыми веществами, не поддающимися механическому отделению [7,11,12].

Кукуруза, маис (Zea mays), вид однолетних травянистых растений семейства злаков. Лидерами по выращиванию кукурузы являются США и Китай.

Кукурузный крахмал содержит зерна двух форм в зависимости от сорта кукурузы. Некоторые мучнистые сорта, такие как кукуруза сорта Мандан, содержат практически только зерна круглой формы. Кремнистые сорта, такие как, например, Кутиас, содержат лишь зерна многоугольной формы. В каждом типе имеются различные по размеру гранулы, однако среднеарифметический размер для обоих типов составляет в среднем 15 мкм. Крахмал, полученный на современных производствах, содержит лишь небольшую часть очень мелких гранул размером около 5 мкм. Наиболее крупные гранулы достигают 20-25 мкм [7,24].

Сорго (Sorghum) — род однолетних и многолетних травянистых растений семейства Злаки, или Мятликовые (Poaceae). Зерно сорго перерабатывают на крупу, муку и крахмал, из соломы изготовляют плетёные изделия, бумагу, веники. Зелёная масса идёт на силос (молодые растения многих видов сорго ядовиты).

Особенностью зерновок кукурузы и сорго является наличие относительно крупного зародыша, занимающего более 1/3 площади продольного разреза зерна, с массовой долей до 14 % от общей массы. В зародыше зерна как кукурузы, так и сорго

находится более 30 % жира, или до 5 % от общей массы зерновики, в то время как в зародыше зерна других зерновых культур массовая доля жира не превышает 2 % [1,7,24].

Рис (Отую) — род однолетних и

многолетних травянистых растений семейства Злаки; крупяная культура. Из рисового зерна производятся крупа и крахмал, из рисовых зародышей получают масло. Традиционное рисовое вино популярно в Китае. В Японии из риса производят национальный спиртной напиток сакэ, лепёшки и особые сладости для чайной церемонии. Из рисовой соломы производят рисовую бумагу, картон, плетёные изделия. Рисовые отруби используются в животноводстве как корм для животных. В Корее рис и отходы его приготовления являются основой многих традиционных напитков, таких как сикхе и суннюн.

Производится также воздушный рис, по консистенции похожий на попкорн, однако имеет гладкую поверхность и округлую форму. Иногда его формируют в виде карамелизированных плиток, как козинаки.

Гранулы рисового крахмала - наиболее мелкие из всех вырабатываемых крахмалов (длиной от 3 до 8 мкм). Крупные гранулы почти одинаковы по размеру, но более угловатые, чем мелкие гранулы кукурузного крахмала. Их форма многогранная и они часто бывают собранными в кисти или в сложные гранулы, состоящие из многочисленных мелких гранул; форма агрегата бывает либо круглой, либо многогранной. Из-за мелкого размера гранул такие черты, как глазок, бороздки и линии, нельзя различить в поляризованном свете [7,24].

Ячмень (Идгйвит) — род растений

семейства Злаки, один из древнейших злаков, возделываемых человеком. Зерно ячменя в настоящее время широко используют для продовольственных, технических и кормовых целей, в том числе в пивоваренной промышленности, при производстве перловой и ячневой круп. Ячмень относится к ценнейшим концентрированным кормам для животных, так как содержит полноценный белок, богат крахмалом. В России на кормовые цели используют до 70 % ячменя.

Ячменный крахмал вообще представляет собой смесь крупных и очень мелких гранул. Они имеют форму кружка или эллипса; размер крупных гранул колеблется от 25 до 30 мкм и мелких от 2 до 6 мкм. Трещины и бороздки неразличимы даже в крупных гранулах. В поляризованном свете гранулы обычно равномерно освещены и не показывают каких-либо линий [7,24].

Для зерновок риса и ячменя характерно наличие цветковой пленки (колосковой чешуи), прочно связанной с эпикарпом и семенной оболочкой.

Г орох (П^ит) — род травянистых растений из семейства Бобовые. Из зернобобовых видов крахмалоносов наиболее распространен горох; к особенностям его зерновки относятся: высокое содержание белков (до 30 %), толстая семенная

оболочка - до 14 % общей массы и потому сравнительно низкая массовая доля крахмала - до 55 % [1].

Существуют и другие перспективные для биопромышленной переработки в условиях России крахмалоносы, к которым можно отнести рожь, просо, гречиху, амарант. Весьма перспективно применение гибридной культуры тритикале (гибрид ржи и пшеницы), содержание крахмала в которой достигает 65 %. При определении целесообразности применения того или иного сырья в биотехнологической промышленности необходимо учитывать не только высокую массовую долю крахмала в сырье, но и его химический состав (табл. 1). Для создания безотходных технологий биопродуктов не менее важно определить ценность и значимость каждого компонента

крахмалосодержащего сырья, их соотношение и формы связи с крахмалом для последующего разрушения этой связи, повышения доступности крахмала для ферментов или извлечения крахмала.

Зерновые культуры и корнеклубнеплоды используются в пищевой биотехнологии при производстве солода, пива, кваса, глюкозы, патоки и в производстве этанола.

Таблица 1 - Химический состав основных видов зерновых и зернобобовых культур [8,9,10,11,28,29,30]

Зерновые и зернобобовые, % к СВ

Компонент кукуруза сорго ячмень рожь пшеница рис горох

Крахмал 67-76 58-76 56-68 57-66 58-76 64- 77 50

Протеины 9-13 10-14 11-13 7-13 10-25 8.7 25-32

Клетчатка 2.5-3.0 1.5-35 1.9-6.3 22-28 2.2-3.5 9.4 5-7

Пентозаны 4.0-4.5 2.1 9-12 9-11 5-8 1.5 -

Сахара 3-.5 3-5 3-5 3-6 3.2-4.3 3.6 -

Жиры 4.5-7.0 3-6 1.7-2.2 1.7-22 1.7-23 2.0 1.3- 2.9

Реализовать задачу извлечения крахмала из зернового крахмалосодержащего сырья достаточно сложно, что обусловлено его структурой и химическим составом. При изолировании крахмала из зерновых культур, кроме крахмала получают и вторичный продукт в значительных количествах, в частности глютен, мезга, которая содержит значительное количество клетчатки. Поэтому переработка мезги зерновых культур на биопродукты является весьма сложным и трудоемким процессом.

Основная задача технологического процесса извлечения крахмала из корнеклубнеплодов картофеля и маниока - разорвать стенки клеток, высвободить гранулы крахмала и отмыть их от клеточной жидкости. Вторичных продуктов мезги и сока в данном случае образуется значительно меньше по сравнению с переработкой зернового

крахмалосодержащего сырья. Соответственно для организации биотехнологической переработки корнеклубнеплодов на биопродукты требуется меньше капитальных затрат. В этой связи применение корнеклубнеплодов в

биотехнологической промышленности для

получения биопродуктов целесообразнее по сравнению зерновым крахмалосодержащим сырьем [1,2,7,9,24,31,32,33].

Литература

1. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов.- М.: Пищепромиздат, 2001.- 289 с.

2. Whistler R.L., Be Miller J.N. and Pashall E.F. Starch chemistry and technology.- 2nd Ed.- New York: Academic Press,- 1984.- 718 p.

3. Андреев Н.Р. Вовлечение новых видов

крахмалосодержащего сырья для промышленной переработки на крахмал и крахмалопродукты // Тез. докл. III Международной конф. «Пища. Экология. Человек.»- М. -1999.- с.99

4. Tegge, G. Starke und Starkederivate.- Detmold: Behr's Verlag, 1984.- c.24-47

5. Официальный сайт продовольственной и

сельскохозяйственной организации ООН (FAO),

[Электронный ресурс] // Режим доступа:

http://www.fao.org/, свободный

6. Официальный сайт ведущего производителя

сельхозтехники России Amazone Евротехника, [Электронный ресурс] // Режим доступа:

http://eurotechnika.ru/, свободный

7. Whistler, R.L., Starch chemistry and technology. // R.L. Whistler, J.N. Be Miller / 3rd Ed.- New York: Academic Press,- 2009.- 894 p.

8. Андреев Н.Р., Карпов В.Г. Структура, химический состав и технологические признаки основных видов крахмалосодержащего сырья // Хранение и переработка с.-х. сырья.- 1999.- №7. - С.30-33

9. Трегубов, Н.Н., Жарова, Е.Я., Жушман, А.И., Сидорова,

Е.К. Технология крахмала и крахмалопродуктов // Н.Н. Трегубов и др. - М.: Легкая и пищевая

промышленность, 1981. - 472 с.

10. Jane J., Kasemsuwan T., Leas S., Zobel H., Robyt J.F. Anthology of starch granule morphology by scanning electron microscopy // Starch/ Starke.- 1994.- V.46.- P.121-129.

11. Козьмина Н.П. Биохимия зерна и продуктов его переработки// М.: Колос, 1976.- 520 с.

12. Егорова, Г.А. Технология муки, крупы и комбикормов// М.: Колос, 1984.- 376 с.

13. Es van A., Hartmans, K.J. Structure and chemical composition of the potato// The Netherlands: Pudoc, Wageningen; 1981.

14. Hoover, R. Composition, molecular structure, and physicochemical properties of tuber and root starches: a review // Carbohydrate polymers, 45, 2001.- p.253-267.

15. Hartmann, R., Buning-Pfaue, H. NIR determination of potato constituents// Potato Research, 41, 1998. -p.327-334.

16. Karlsson M.E., Eliasson A.C. Gelatinization and retrogradation of potato (Solanum tuberosum) starch in situ as assessed by differential scanning calorimentry (DSC)// Lebensm.-Wiss. u.- Technol.,36, 2003.- 735-741

17. Carpita, N.C, Gibeaut , D.M (1993) Structural models of primary cell walls in flowering plants: Consistency of molecular structure with the physical properties of the walls

during growth// Plant J.,3,1993.-p. 1-30

18. Van Dijk, C., Beekhuizen, J.G., Gibcens, T., Boeriu, C., Fischer M.& Stolle-Smiths, T. Texture of cooked potatoes (Solanum tuberosum). 2. Changes in pectin composition during storage of potatoes// Journal of Agriculture and Food chemistry,50, 2002.- p.5089-5097

19. Karlsson, M., Starch in Processed Potatoes. Influence of the tuber structure, Thermal treatments an Amylose/Amylopectin ratio, doctoral thesis, Media - Tryck, Lund University, Lund,2005.

20. Waldron, K.W., Smith, A.C., Parr, A.J., Ng, A.&Parker, M.L. New approaches to understanding and controlling cell separation in relation to fruit and vegetable texture. Trends in Food Science &Tecnology, 8, 1997.- p.213-221.

21. Blennow, A., Bay-Smidt, A. M., Leonhardt, P., Bandsholm, O., & Madsen, H. M. Starch paste stickiness is a relevant native starch selection criterion for wet-end paper manufacturing. Starch, 55, 2003.-p. 381-389.

22. Wiesenborn, D. P., Orr, P. H., Casper, H. H., & Tacke, B. K. Potato starch paste behavior as related to some physical/chemical properties. J. Food Sci., 59, 1994.-p. 644648.

23. Rocha, T.S., Carneiro A.P.A., Franco, C.M.L. Effect of enzymatic hydrolysis on some physicochemical properties of root and tuber granular starches// Cienc. Tecnol. Aliment., Campinas, 30(2), 2010.-p. 544-551

24. Керр, Р.Ф. Химия и технология крахмала // Р.Ф. Керр.-М.: Пищепромиздат, 1956.-565 с.

25. Андреев Н.Р., Морозов М.А., Андреева Т.В. Особенности организации производства крахмала из маниока.- М.: АгроНИИТЭИПП,1989.- Сер.19.- Вып.9.-17с.

26. Sriroth, K., Santisopasri, V., Petchalanuwat, C., Kurotjanawong, K., Piyachomkwan, K., Oates, C.G. Cassava starch granule structure-function properties: influence of time and conditions at harvest on four cultivars of cassava starch. Carbohydr. Polym.,38, 1999.-p. 161-170.

27. Swinkels, J.J.M. Composition and properties of commercial native starches // Starch/Starke, 37 - 1985.- p.1-5

28. Oscarson M., Parkkonen T., Autio K., Aman P. Composition and microstructure of waxy, normal and high amylose barley samples// J. Cereal Sci.- 1997.- v.26.- p.259-264

29. Sahai, D., Jackson, D.S. Structure and chemical properties of native corn starch granules// Starch/ Starke.- v.48.- 1996.-№7/8.

30. Tester R.F., Morisson W.R. Swelling and gelatinization of cereal starches// Cereal Chem., - 1990.-67.-p.558-563.

31. Рихтер, М. Избранные методы исследования крахмала // М. Рихтер, З. Аугустат, Ф. Ширбаум.; пер. с нем. Л.В.Бабиченко [и др.]; под ред. Н.П.Козьминой и В.С.Грюнера / М.: Пищевая. промышленность 1975. -184 с.

32. Скотникова, Т.А. и [др.]. Проектный подход в создании инновационных биотехнологических препаратов // Т.А. Скотникова, Л.А. Неминущая, Н.К. Еремец, О.В. Провоторова, И.В. Бобровская, М.А. Малышева, З.А. Канарская // Вестник Казан. технол. унта.- 2012. Т.15, № 4. - С. 82 - 87.

33. Неминущая, Л. А. и [др.]. Перспективные биотехнологии получения новых синбиотиков для сельскохозяйственных животных // Л. А. Неминущая, Т.А. Скотникова, Е.И. Титова, О.В. Провоторова, Н.К, Еремец, И.В. Бобровская, З. А. Канарская // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2012. Т.15, № 4. - 69 - 74.

© Д. Ш. Ягофаров - инж. каф. пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, ЬМеЛ^Щ@таП.ги;А. В. Канарский - д-р техн. наук. проф. той же кафедры, alb46@mail.ru; Ю. Д. Сидоров - канд. техн. наук, ст. препод. той же кафедры; З. А. Канарская - канд. техн. наук, доц. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, zosya_kanarskaya@mail.ru.