Введение к работе
Актуальность работы. Сохраняющаяся тенденция оздоровления рациона человека ставит перед биотехнологами проблему получения продуктов и ингредиентов пищи из природного нетрадиционного для промышленности сырья. Натуральные сахаристые продукты (СП), в частности, мальтозные, мальтозо-глюкозные сиропы, могут заменить традиционную сахарозу и искусственные подсластители, которые нередко оказывают негативное влияние на организм человека. Мальтозные сиропы широко используются за рубежом, в частности, в производстве карамели. Все большее распространение получают и растительные пищевые волокна (ПВ), польза употребления которых является неоспоримой.
Следует отметить, что применение указанных углеводных компонентов в составе кондитерских, хлебобулочных изделий, напитков, благодаря ряду их положительных функционально-технологических свойств, позволит корректировать показатели качества продуктов. Кроме того, эти компоненты пищи широко используются в продуктах лечебно-профилактического питания, диетического, в том числе диабетического.
Работы И.А. Рогова, Э.С. Токаева, А.А. Кочетковой, Н.П. Шелухиной, Н.П. Нечаева и других ученых свидетельствуют о высокой функционально-технологической значимости углеводов из растительного сырья в производстве продуктов питания.
Практически отсутствие отечественного производства мальтозных сиропов и ПВ в очищенном виде, а также высокая цена на импортные аналоги существенна ограничивают применение этих пищевых углеводных компонентов в промышленности нашей страны. В связи с этим исследования по получению СП и ПВ являются своевременными и необходимыми.
Усовершенствование данных технологий имеет два основных направления: использование новых ферментных препаратов (ФП), полученных путем микробиологического синтеза, в том числе методом генной инженерии, и поиск новых видов сырья.
Проблеме использования микробных ФП в различных отраслях пищевой промышленности, и в частности, в производстве пищевых добавок углеводной природы, посвящены работы таких ученых, как: М.В. Гернет, Г.А. Ермолаева, СЕ. Траубенберг, Л.В. Антипова, Н.Д. Лукин, Т.А. Ладур, НГ. Гулюк, Н.Р. Андреев и др.
Традиционным сырьем для получения СП являются кукуруза и картофель. Учитывая, что они используются непосредственно в пищевых рационах, особую важность приобретает вовлечение в производство нетрадиционных видов сырья и вторичных сырьевых ресурсов (ВСР), применение которых благодаря их меньшей стоимости делает технологию конкурентоспособной в условиях рынка.
В данной работе рассмотрена возможность получения из растительного нетрадиционного сырья и ВСР углеводных компонентов пищи - СП и ПВ. Представленная технология получения основана на концепции и методологии направленного биокатализа, сформулированной в последнем десятилетии
специалистами этой области - А.П. Синицыным, С.Д. Варфоломеевым, Г.Б. Бравовой, Л.В. Римаревой. В работе также использована параметрическая модель и методология направленного биокатализа, разработанная в МГУПБ Н.И. Дунченко и Г.Н. Румянцевой.
Цели и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является установление кинетических закономерностей ферментативного гидролиза субстратов углеводной природы и разработка на их основе технологии получения сахаристых продуктов и пищевых волокон с использованием промышленных микробных ферментных препаратов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
исследование химического состава зернового сырья и ВСР и выбор источников с высоким содержанием крахмала и структурных полисахаридов;
сравнительное изучение ФП микробного происхождения по каталитической активности, определение наиболее эффективных из них для гидролиза растительного сырья - источниов ценных углеводных компонентов: СП и ПВ;
определение закономерностей ферментативных реакций при действии а-, р- и глюкоамилаз на стандартные субстраты; установление каталитических свойств амилаз, в том числе кинетических параметров - Vmax и Km;
выявление оптимальных условий температуры и рН, а также влияния активаторов на действие ферментов на стандартных субстратах;
установление синергического действия амилаз с различной специфичностью в процессах получения СП;
определение рациональных режимов биокаталитической обработки ВСР из зерновых культур, а также нетрадиционного крахмалсодержащего сырья для получения очищенных мальтозных и глюкозо-мальтозных сиропов;
исследование побочных продуктов ферментативной обработки зерновых видов сырья, включая ВСР, и обоснование возможности и целесообразности получения второго продукта - растительных ПВ;
разработка принципиальной технологической схемы производства пищевых углеводных компонентов из растительного сырья и ВСР;
оценка показателей качества СП и ПВ, определение сферы их использования.
Научная новизна работы состоит в том, что:
Изучены биокаталитические свойства ферментов а-амилаз Bacillus subtilis origin и Bacillus licheniformis, а также препаратов нового поколения, в том числе генномодифицированных: р-амилазы Bacillus stearothermophilus, глю-коамилазы Aspergillus niger.
Установлены закономерности реакций мультиферментных систем амилаз из культур рода Bacillus и Aspergillus, в том числе кинетические параметры Vmax и ЇСт в модельных опытах, показано сродство ферментов к субстратам: мальтозе и мальтодекстринам.
Показан эффект синергизма в действии р-амилазы Bacillus stearothermophilus и глюкоамилазы Aspergillus niger в процессе осахаривания крахмала (Ксин=1,9).
Выявлено положительное влияние активаторов (NaCl и СаСЬ) на действие генномодифицированной р-амилазы Bacillus stearothermophilus, проявляю-
щееся в увеличении активности фермента на 10-15%.
Хроматографически установлена возможность получения мальтозного си
ропа из ячменного крахмала с использованием генномодифицированной (3-
амилазы Bacillus stearothermophilus.
Новизна технологических решений отражена в заявке на патент № 2009136073/20 от 30.09.2009 «Способ получения мальтозного сиропа». Практическая ценность работы заключается в том, что:
Создана безотходная технология получения СП и ПВ на основе биокатализа крахмалсодержащего растительного сырья и ВСР.
Представлены данные скрининга микробных ФП по направленности действия и каталитической активности, участвующих в гидролизе растительных полисахаридов, по их активности и направленности действия.
Модифицирован метод определения активности р-амилазы.
Сделан выбор сырья и ВСР для промышленного получения СП и ПВ.
Обоснована и реализована частичная замена в традиционной технологии кислотного гидролиза для получения СП и щелочной обработки ПВ на биокаталитический способ с применением микробных ФП.
Показана роль протеаз и целлюлаз микроорганизмов в процессе обработки зернового сырья и ВСР, заключающаяся в увеличении выхода СП.
Разработаны рациональные режимы ферментативной обработки сырья для получения СП (мальтозных и глюкозо-малыозных сиропов) и ПВ, проведена их математическая оптимизация.
Представлена схема технологии комплексного получения СП и ПВ из зернового сырья и ВСР.
Показана целесообразность использования полученных препаратов ПВ в производстве пшеничного хлеба, ожидаемый экономический эффект внедрения результатов работы от экономии себестоимости составил 0,261 тыс. руб./т, продукта.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на: V и VII Международных научных конференциях студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2006 и 2008 гг); IV Международном научно-практическом симпозиуме «Микробные биокатализаторы и их роль в нано- и биотехнологии» (Москва, 2008 г); IV, V и VI Московских Международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2008, 2009, 2010 гг), V Международном симпозиуме «Перспективные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК» (Москва, 2010). Работа отмечена дипломом конкурса молодых ученых Московской Международной конференции «Биотехнология: Экология больших городов» (Москва, 2010).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе четыре - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей методы и объекты ис-
следования, результаты и их обсуждение, выводы; списка используемой литературы и патентов, а также приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит обзор литературы и патентов, включающий 14 таблиц и 7 рисунков, экспериментальный материал представлен в 11 таблицах, 42 рисунках. Библиография включает 166 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
