Ферментные методы получения биологически активных веществ из растительного сырья

Получение пектиновых веществ

Во всех странах мира постоянно растет потребность в желирующих, сгущающих и связующих веществах со специфическими свойствами. К таким веществам можно отнести крахмал и его производные, агар-агар, карубин, карагенан, альгинаты, желатин, пектин и ряд других гидроколлоидов.

Желирующие свойства пектина известны около 200 лет (Willats et al., 2006). Пектин как студнеобразователь и как пищевая добавка находит все более широкое применение в пищевой промышленности. По сравнению с другими желирующими агентами пектин обладает преимуществом в создании нежной текстуры, приятного вкуса и великолепного аромата изделия, он конкурентоспособен в современном непрерывном технологическом процессе благодаря быстрому и легкоконтролируемому процессу желирова-ния (Кристенсен, 1994). Текстура пектиновых наполнителей варьирует от слабых до твердых, легкоразрушаемых желе в зависимости от типа пектина, используемой его концентрации, температуры, pH, сахара и др. (Willats et al., 2006). Пектин применяют в кондитерском производстве для приготовления мармелада, зефира, желейных сортов конфет, фруктовых начинок и кремов. Высокое качество конфитюра, желе, джема и повидла обеспечивается за счет использования в этих продуктах яблочного пектина, обладающего нейтральными свойствами. В мучных кондитерских изделиях классический яблочный пектин также оказался незаменимым. Его достоинства проявляются при выпечке продуктов с фруктовыми начинками. Кондитерские фруктовые начинки на яблочном пектине имеют высокую температуру плавления, сохраняют стабильную форму, не выкипают и не деформируются при выпечке. Пектины придают мармеладу, зефиру, пастиле эластичность, мягкость структуры, усиливают фруктовый аромат. В консервной промышленности пектин служит стабилизатором соков, загустителем томата-пюре, острого томатного соуса, желирующей добавкой в повидле, джемах, конфитюрах. Созданы также рецептуры напитков на основе яблочного, сливового и лимонного соков, сока из черноплодной рябины, тыквы, груш с добавлением пектинов. Ассортимент продуктов расширяется за счет использования пектинсодержащих порошков из моркови, капусты, тыквы. В молочной промышленности пектин находит применение как эмульгатор при производстве мороженого, фруктово-молочных напитков, сметаны, майонеза. Кроме того, пектины в молочных продуктах (кисломолочные напитки, йогурт, творог) стабилизируют молочные белки во время тепловой обработки при низкой кислотности, предотвращая образование осадка и хлопьев. Для молочной и консервной промышленности используют цитрусовые пектины. Лучшим качеством обладает пектин из лайма (разновидность лимона), хорош пектин из лимона, удовлетворителен — из грейпфрута и апельсина. Неудовлетворительные характеристики имеет пектин из мандаринов.

Разделяющая способность пектинов позволила на их основе разработать новую технологию переработки молочного сырья, предусматривающую фракционирование компонентов с образованием молочнобелковых концент ратов определенного состава и свойств (Молочников, Гар-сюта, 1994). Пектин также может использоваться в сыроделии и хлебопечении.

Известно, что пектин обладает не только желирующей способностью, но он характеризуется наличием ценных биологических свойств. Потребность в пектине для человека составляет 2—4 г в сутки. Производство этого продукта на предприятиях бывшего СССР составляло 350—400 т в год (0,20—0,22% к потребности). Недостаток пектина в продуктах питания — одна из причин снижения сопротивляемости человеческого организма, особенно в условиях ухудшения экологической обстановки (Гулый и др., 1992).

Главным показателем качества пектинов является степень этерификации. Пектины делят на высоко- и низко-метоксилированные. Пектины со степенью этерификации, превышающей 50%, имеют высокую молекулярную массу, для образования из них стойкого желе необходимы pH около 3,0 и присутствие сахара. Низкометоксили-рованные пектины образуют гель при наличии ионов кальция или других поливалентных металлов, но в широких пределах pH.

Пектиновые вещества используются в фармацевтической практике в качестве вспомогательных и самостоятельных терапевтических средств для лечения соматических и инфекционных заболеваний. Известны гемостатические, дезинтоксикационные и антисептические свойства пектинов. Производные пектинов применяют при острой недостаточности кальция в организме. Особый интерес представляет способность пектинов образовывать нерастворимые комплексные соединения с поливалентными металлами, чем объясняются их радиопротек-торные и антиоксидантные свойства. Установлено, что 1 г свекловичного пектина способен связать от 160 до 420 мг стронция (Фан-Юнг и др., 1984). Разработана технология получения пектин-витаминного препарата из отходов переработки цитрусовых, предназначенного для предотвращения всасывания радионуклидов в желудочно-кишечный тракт и их декорпорации (Лазарева, Меньшиков, 1999). Препарат содержит клетчатку, пектины, витамин Р

(флавоноиды: кверцетин, нарингин, рутин и др.), витамины группы В (тиамин, рибофлавин), РР (никотиновая кислота и никотинамид) и С (аскорбиновая и дигидроас-корбиновая кислоты). Комплексообразование зависит от вида пектина и от природы химического элемента, деминерализация пектина улучшает процесс. Наличие способности к комплексообразованию позволяет рекомендовать использовать пектинсодержащие продукты для лечебно-профилактического питания на производствах, связанных с постоянными контактами с токсическими металлами (Миронов и др., 2003).

В литературе представлены данные о выраженном ги-похолестеринемическом эффекте пектина, поэтому препараты, содержащие пектин, применяют при атеросклерозе (Cerda et al., 1988; Лазарева, Меньшиков, 1999). Кроме радиопротекторного и гипохолестеринемического действия пектин оказывает положительное влияние на некоторые показатели иммунитета, в частности на Т-лим-фоциты и фагоцитарную активность нейтрофилов (Чаяло и др., 1992; Запорожец и др., 1991). Кроме того, пектин проявляет антиаллергическую активность (Sawabe et al., 1992), а также обеспечивает стихание воспалительных процессов и нормализацию двигательной функции кишечника при обострении хронического энтерита. Показано, что высокомолекулярные пектины являются сильными стимуляторами адгезии, резко угнетающими развитие условно-патогенных энтеробактерий, стафилококков и патогенных микроорганизмов и усиливающими рост молочно-кислой микрофлоры (Морев и др., 2000; Estibaliz et al., 2003). Поэтому пектин можно рекомендовать не только для лечения острых кишечных инфекций, но и для профилактики и лечения дисбактериозов в качестве модулятора адгезии, нормализующего микрофлору; возможно совместное применение пектинов с эубиотика-ми. Наиболее благоприятный биоценоз по составу микробной флоры в кишечнике достигается при использовании яблочного пектина (Кашинцев и др., 1989). Пектин может снижать уровень глюкозы и проявлять антиопухолевую активность (Yamada, 1996).

Пектины являются вспомогательным средством при приготовлении многих лекарственных форм, служат основой для получения пастилок, суппозиториев, являются исходным сырьем в производстве гидрогелей, таблеток, мягких желатиновых и ректальных капсул, свечей.

Пектины способствуют лучшему усвоению пищи и широко рекомендуются в диетическом и детском питании (Аймухамедова и др., 1984; Фан-Юнг и др., 1984; Припутина, 1991). Производство пектина можно рассматривать как комплексную переработку промышленного растительного сырья, логическое завершение процессов получения соков и сахара из фруктов, овощей и корнеклубнеплодов. Однако большой спрос на пектиновые вещества, сложность технологии их извлечения позволяют выделить производство как самостоятельное. Это обусловлено и наличием сырьевой базы, охватывающей цитрусовые, яблочные, виноградные выжимки, свекловичный жом, корзинки подсолнечника, корнеклубнеплоды и др.

Лучшее сырье для получения пектина с высокими студнеобразующими свойствами — цитрусовые и яблочные выжимки, содержание пектиновых веществ в которых соответственно 20—25 и 10—18% на сухую массу. Из яблочных выжимок вырабатывают 45—50% пектина в мире. Для производства пектина с высокими комплексообразующими свойствами используют свекловичный жом и корзинки подсолнечника.

В пищевой индустрии отрасль производства пектиновых веществ сравнительно молодая. Впервые экспериментальный выпуск пектина из цитрусовых был организован в 1924 г. в США (Гулый и др., 1992). Основным производителем цитрусового пектина является американская фирма Gerules Inc., имеющая 150 дочерних предприятий в странах мира. Крупнейшее предприятие Kopenhagen pectin fabrik (Дания) вырабатывает для различных отраслей пищевой промышленности около 14 типов высокоме-токсилированных и 6 типов низкометоксилированных пектинов с торговой маркой «Genu», отличающихся скоростью студнеобразования. Яблочный пектин производится в основном в Великобритании, Франции, Австрии,

Швейцарии, Германии. Свекловичный пектин для лекарственных препаратов выпускается в Канаде и Германии. Фирма Herbstreith Fox из четырех основных видов растительного сырья: яблочные и цитрусовые выжимки, свекловичный жом, корзинки подсолнечника — выпускает более 100 сортов высоко-, средне- и низкоэтерифициро-ванных классических пектинов. Пектины из жома сахарной свеклы применяют для выработки диетических и фармацевтических продуктов, а также для производства изделий технического назначения. Пектин из корзинок подсолнечника обладает высокой молекулярной массой и низкой степенью этерификации. Как и пектин из сахарной свеклы, он содержит определенное количество ацетильных групп. Пектин из корзинок подсолнечника успешно применяют при выпуске высококачественных косметических изделий. Ассортимент дополняет группа так называемых комбинированных пектинов, которые производят из специально составленных смесей различного сырья.

Промышленным сырьем для получения пектина служат яблочные и цитрусовые выжимки, свекловичный жом. Традиционная технология производства пектина основана на кислотном гидролизе растительного сырья при высоких температурах и молекулярной диффузии пектина в экстракт (Кочеткова и др., 1991). Известны способы выделения пектина, сочетающие действия на различное пектинсодержащее сырье химических веществ, жестких режимов температуры и pH (А. с. СССР № 840043, 854934, 921500, 1027171). К недостаткам этих способов можно отнести гидролиз гликозидных и сложноэфирных связей пектина, вызывающий нарушение структуры пектиновых веществ, снижение их молекулярной массы и, следовательно, студнеобразующей способности; значительное содержание в пектине других растительных полисахаридов; использование для очистки больших объемов органических растворителей и т. д. Указанные технологии не являются экологически чистыми и безотходными, они предъявляют требования к оборудованию, которое должно быть стойким к химическим реагентам. Уникальность физико-химических свойств и различные аспекты использования пектиновых веществ, большая потребность в пектинах как природных детоксикантах продолжают привлекать внимание исследователей к разработке новых технологий их производства. Одним из основных направлений исследований является разработка способов, основанных на экологически чистых и безопасных агентах, гидролизующих сырье.

Разработан способ извлечения пектина из яблочных выжимок с использованием в качестве гидролизующего агента электроактивизированной воды с pH 1,2—1,6, полученной на электродиализной установке (Бакирь и др., 1994). Способ включает 1,5-часовой гидролиз сырья при температуре 80 °C и pH 1,5 и последующую 0,5-часовую экстракцию.

Помимо перечисленных методов разработаны ферментные методы получения пектина из растительного сырья. Получение высокого выхода пектина, его довольно значительная молекулярная масса и отсутствие необходимости в антикоррозийной аппаратуре делают ферментные методы особенно перспективными. Растительное сырье, как правило, подвергают комплексной обработке высокой температурой и ферментными препаратами, в основном целлюлолитического, протеолитического и амилолитического действия. Так, при извлечении пектина из свежих яблок, груш, айвы и другого пектинсодержащего сырья применяют целлюлазные препараты Целловири-дин, Целлогеотрихнин, Целлобазидин в концентрации 0,1—0,3% к весу сырья. Обработка проводится при температуре 45—50 °C в течение 2—3 ч (А. с. СССР № 467732).

Перед извлечением пектина из шрота хлопчатника сырье обрабатывают Амилосубтилином Г10Х и Амилори-зином П10Х (0,2—0,4%) в течение 5 ч при 35 °C (А. с. СССР № 535937).

Обработка свекловичного жома культурой гриба Tricho-derma koningi перед экстрагированием позволила выделить 94% целевого продукта с молекулярной массой 30 кДа и метоксильной составляющей — 6% (Шелухина, 1988). Применение для данной цели комплекса пектолитических и целлюлолитических ферментов, продуцируемых грибом Geotrichum candidum, в соотношении 12:1 обеспечило получение 95— 98% высококачественного пектина. Способ выделения пектина заключается в 72-часовой обработке свекловичного жома при 43—45 °C и гидромодуле 1:10 буферным раствором с pH 3,8—4,0, содержащим 0,5% комплексного ферментного препарата (Аймухамедова, 1988). После инкубации гидролизат отфильтровывают, пектин выделяют осаждением одним или двумя объемами ацетона. Преимущество способа определяется простотой аппаратурного оформления, малостадийностью технологического процесса, высоким выходом близкого к нативному высокомолекулярного и высокометоксилированного пектина.

Разработан способ получения модифицированного пектина, основанный на гидролизе растительного сырья и деэтерификации полиуронида ферментами грибов рода Aspergillus, Trichoderma и бактерий Bacillus subtilis. Процесс осуществляется при 40—45 °C, pH 4,5—5,0 и гидромодуле 1:6 с последующей очисткой и концентрацией пектина. В качестве сырья использовались выжимки яблок, красной смородины, красной и черноплодной рябины. Получен энзиматически модифицированный пектин «Ради-пект», предназначенный для производства препаратов радиопротекторного действия (Гребешова и др., 1993).

С целью разработки способа получения пищевого пектина мацерирующая способность препаратов Пектомаце-рин и Пекталлиацин испытана на цитрусовых выжимках (Михайлова, 1995). При оптимизации условий гидролиза сырья использовались концентрации препаратов, выраженные в единицах пектолитической активности (ПкА) на 100 г сухих цитрусовых выжимок. Определение выхода пектина и оценку его качества проводили согласно ГОСТу 29186-91. Результаты изучения зависимости выхода пектина от концентрации препаратов и способа прекращения ферментолиза представлены в табл. 6.1 и 6.2.

Установлено, что для извлечения пектина с высокой желирующей способностью достаточно использовать 2— 5 ед. активности препарата Пектомацерин или 30—40 ед. препарата Пекталлиацин на 100 г. сырья. Применение более высоких концентраций препаратов приводило к заТаблица 6.1. Влияние концентрации ферментных препаратов на выход пектина из цитрусовых выжимок

Пекталлиацин, ед. ПкА/100 г сырья

Выход пектина, %

Студнеобра-зуюшая способность, °Т-Б

Пектомацерин, ед. ПкА/100 г сырья

Выход пектина, %

Студнеобра-зуюшая способность, °Т-Б

20

12.3

156

0,5

8,5

210

25

13,0

205

1,0

9,0

206

30

14,1

257

2,0

10,1

226

35

14,3

250

5,0

10,4

221

40

14.2

252

10,0

10,8

149

45

12.6

180

20,0

12,0

160

50

12,2

175

30,0

11,6

165

Таблица 6.2. Влияние способа прекращения ферментолиза на выход и качество пектина

Препарат

Способ прекращения ферментолиза

Выход пектина,%

Студнеобразующая способность пектина, °Т-Б

Пектомацерин Г10Х

pH 2,0

9,5

153

Пектомацерин Г10Х

pH 2,0, 60-25 °C

9,5

265

Пекталлиацин Г10Х

pH 2,0

13,5

226

Пекталлиацин Г10Х

pH 2,0, 60-25 °C

9,5

167

метному увеличению выхода пектина, но значительно снижало его качество.

Для получения максимального количества пектина ферментолиз цитрусовых выжимок препаратами Пекто-мацерин и Пекталлиацин целесообразно проводить в течение 30—60 мин при 40—45 °C.

Выход пектина и его студнеобразующая способность в значительной степени зависят от времени экстракции. Экстрагирование пектина осуществлялось в 2 этапа: сначала проводилась 4 ч обработка сырья, экстракт удалялся, а затем с добавлением воды проводилась вторая 16— 18 ч экстракция. Согласно полученным результатам (табл. 6.3), проведение двойной экстракции увеличило выход продукта на 36—50% и повысило его студнеобразующую способность. Ферментный способ получения пектина из отходов переработки цитрусовых защищен авторским свидетельством № 1791455.

Таблица 6.3. Влияние двойной экстракции на выход и студнеобразующую способность пектина

Выход пектина, %

Студнеобразующая способность, °Т-Б

I фракция

II фракция

Всего

I фракция

II фракция

15,4

6,2

21,8

189

266

14,1

7,6

21,7

209

265

Помимо создания новых способов получения пектинов и пектинсодержащих продуктов большое значение приобретают исследования по разработке технологий их получения из нетрадиционных источников сырья, таких, как створки хлопковых коробочек, виноградных и айвовых выжимок, кормового арбуза, коры хвойных деревьев и др. Так, пищевой порошкообразный пектин, полученный из хлопковой створки, характеризуется следующими физико-химическими свойствами: содержание пектина — 70—75%, степень этерификации — не менее 50%. Пектин рекомендован для производства мармеладно-пастильных кондитерских изделий, глазурования овощных и фруктовых цукатов. Для создания организации высокорентабельного промышленного производства пектина необходимо также современное аппаратурное оформление технологической схемы (Шелухина, 1988; Аймухаме-дова, 1988).

Следует также отметить, новое направление исследований — осуществление модификации структуры пектина в растении (Willats et al., 2006). Производство пектина будет начинаться на молекулярном уровне с применения растительных генов и получения растительных пектинов с заранее определенными свойствами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >