Спосіб гідролізу поліфруктозанів

Винахід відноситься до мікробіологічної, харчової та медичної галузей і може бути використаний для отримання гідролізатів рослинної сировини, що містить високомолекулярні фруктозани (Інулін). Виготовлені за таким способом гідролізати рослинної сировини можуть бути застосовані у якості джерела вуглецю та біологічно активних речовин у живильних середовищах при культивуванні мікроорганізмів. У біотехнології відомий спосіб гідролізу полісахариду крохмалю під впливом ультразвукових коливань частотою 720 кГц, включаючий виготовлення водного розчину полісахариду, озвучування розчину протягом 20 хв. [Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. - М. - Физматгиз. - 1963. - С. 179-180]. Але ці параметри обробки розчину крохмалю в полі ультразвуку (УЗ) не сприяють проведенню процесу гідролізу полісахаридів з необхідною ефективністю, тобто при найменшій витраті енергії виготовити гідролізати з максимальним вмістом редукуючих речовин (РР) та не дозволяють зберегти у гідролізаті якомога більше його біологічно активних речовин. Відомий спосіб отримання гідролізату топінамбура [Швец В.Н., Иванова Л.А., Дворник С.А., Тодосийчук СР. Исследование эффективности различных способов подготовки топинамбура к сбраживанию//Изв. вузов, пищ. технол. - 1995. - № 5-6. - С. 30-32], що включає подрібнення топінамбура, змішування з водою, додавання до суміші концентрованої сірчаної кислоти до pH 1,65-2,3, гідроліз суміші на водяній бані протягом 60 хв при температурі 90-95°С. Але цей спосіб не забезпечує максимальний гідроліз поліфруктозанів рослинної сировини, а велика температура та значна тривалість процесу не сприяють виготовленню гідролізату з високою біологічною цінністю. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу гідролізу поліфруктозанів шляхом застосування енергії ультразвукових коливань, забезпечити скорочення часу на проведення гідролізу, зниження температури, при якій проводять процес, накопичення більшої кількості редукуючих речовин та максимальне збереження біологічно активних речовин рослинної сировини. Поставлена задача вирішується тим, що у способі гідролізу поліфруктозанів, який включає подрібнення топінамбура, змішування з водою, додавання концентрованої сірчаної кислоти, гідроліз суміші, згідно винаходу, після змішування з водою у співвідношенні 0,5:1-2:1 проводять екстракцію сухих речовин топінамбура при температурі 70-80°С протягом 35-45 хв, після чого здійснюють фільтрацію, до отриманого рідкого екстракту додають концентровану сірчану кислоту та проводять гідроліз суміші в полі ультразвукових коливань з частотою 20-50 кГц при температурі 50-70°С протягом 2-6 хв. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками та очікуваним технічним результатом полягає в слідуючому. Необхідною стадією приготування гідролізатів є попередня екстракція рослинної сировини. В отриманий на цій стадії екстракт переходять не тільки поліфруктозани, а й багато інших, необхідних для життєдіяльності мікроорганізмів компонентів рослинної сировини, чим забезпечується його повноцінний склад. Крім того, при введенні стадії екстракції полегшується процес гідролізу і зменшуються витрати електроенергії на його проведення. Відомо, що одним з основних факторів, що визначають швидкість та ступінь екстракції розчинних речовин сировини є співвідношення втрати мас твердої та рідкої фаз, В зв'язку з цим при розробці способу екстракції поліфруктозанів та Інших біологічно активних речовин рослинної сировини обов'язковим було визначення оптимальних значень гідромодулю процесу співвідношення мас сировини та води, який би забезпечив необхідний вміст редукуючих речовин (РР) в гідролізаті (табл. 1). З табл. 1 бачимо, що проведення екстракції при гідромодулі менше ніж 0,5:1 маємо дуже розбавлений екстракт та гідролізат, а при значеннях гідромодулю більше ніж 2:1 процес екстракції дуже сповільнюється, фільтрація суміші ускладнюється, кількість редукуючих речовин у гідролізаті та ступінь гідролізу зменшуються. При здійсненні екстракції з гідромодулями від 0,5:1 до2:1 після гідролізу можна досягти значної кількості РР у гідролізатах рослинної сировини (ГРС) (від 5,25-8,94%) при високому ступені гідролізу поліфруктозанів. Важливими параметрами екстракції, крім гідромодулю, є також температура та тривалість процесу. Оптимальні значення цих параметрів, які забезпечують максимально можливий, при тому чи Іншому гідромодулі, вміст редукуючих речовин є такі: температура 70-80°С, тривалість процесу 35-45 хв (табл.2, досліди 2-4). З даних табл. 2 бачимо, що здійснення екстракції при температурі нижче 70°С і тривалості процесу менше 35 хв неможливо досягти необхідного вмісту РР у гідролізатах і, навпаки, збільшення температури від 80°С та тривалості більше 50 хв призводить до зниження РР у середовищі, що, можливо, пов'язане з процесом меланоїдиноутво-рення. Досліди в табл. 2 проводили при гідромодулі 1:1, Для ефективного проведення фізико-хімічних процесів під впливом ультразвукових коливань важливе значення має правильний вибір їх частоти. При дослідженні процесу гідролізу поліфруктозанів рослинної сировини під впливом ультразвуку нами був визначений діапазон оптимальних частот УЗ, при яких процес іде найбільш ефективно (табл. 3, досліди 2-4). В даних прикладах (табл, 3) спосіб здійснювали при інтенсивності УЗ 2 Вт/см та температурі 60°С протягом 4 хв. Як бачимо з табл. 3 проведення гідролізу поліфруктозанів під впливом ультразвукових коливань частотою менше 20 кГц (дослід 1) не дозволяє отримати гідролізати з високим вмістом PP. Підвищення ж частоти УЗ більше 50 кГц суттєво не впливає на ступінь гідролізу поліфруктозанів на вміст РР у гідролізатах. Відомо, що інтенсивність УЗ є найбільш суттєвим фактором, з яким пов'язаний вплив ультразвукової кавітації на хімічні та фізико-хімічні процеси. Встановлено, що оптимальні інтенсивності, які сприяють здійсненню процесу гідролізу з максимальним ефектом, є 1,5-3,0 Вт/см2 (табл. 4, досліди 2-4). Як бачимо з табл. 4 при проведенні гідролізу під впливом ультразвукових коливань інтенсивністю нижче 1,5 Вт/см2 неможливо досягти високого ступеню гідролізу поліфруктозанів рослинної сировини. Це обумовлено тим, що хімічні реакції в рідких середовищах майже не проходять при Інтенсивностях нижче порогу кавітації, який для розчинів рослинної сировини, що містить поліфруктозани, становить 1,5 Вт/см2. Та навпаки, підвищення Інтенсивності УЗ більше 3 Вт/см2 призводить до різкого падіння вмісту РР у гідролізатах, що пов'язано з густим та суцільним виникненням бульбашок кавітації при високих інтенсивностях, які розсіюють ультразвукову енергію та заважають їй впливати на реакцію з достатньою силою. В наведених дослідах (табл. 4) спосіб здійснювали при частоті ультразвукових коливань 30 кГц та температурі 60°С протягом 4 хв. Слід зазначити, що швидкість гідролізу інуліновмістної сировини при постійному pH середовища залежить від температури обробки: чим вона вища тим швидше іде процес. Але, при дуже високих температурах проходить розклад не тільки утвореної фруктози, а й Інших біологічно активних речовин рослинної сировини. В зв'язку з цим дуже важливим був вибір оптимальної температури гідролізу. З приведених в табл.5 прикладів здійснення способу при частоті УЗ 30 кГц, Інтенсивності 2 Вт/см2, температурі 60°С та тривалості процесу 4 хв бачимо, що оптимальними температурами є 50-70°С (приклади 2-4), Таким чином, температура нижче 50°С є недостатньою для досягнення високого ступеню гідролізу поліфруктозанів, а температура більша, ніж 70°С в нашому способі призводить до підвищеного розкладу фруктози та зменшення, в зв'язку з цим, вмісту РР у середовищі. Спосіб здійснювали таким чином. Вимиті клубні рослинної сировини (топінамбур, цикорій, жоржина) подрібнюються. Екстракцію сировини здійснюють при температурі 70-80°С та гідромодулі 0,5:1-2:1 протягом 35-45 хв. Після цього суміш фільтрують. Відфільтрований екстракт з початковою температурою 50-70°С направляють на гідроліз, який здійснюють під впливом ультразвукових коливань з частотою 20-50 кГц, інтенсивністю 1,5-3 Вт/см2 протягом 2-6 хв в присутності сірчаної кислоти, що додається в середовище до pH 1,65-2,3. Приклади здійснення способу. В усіх прикладах процес здійснювали при таких постійних параметрах: Приклад Вимиті клубні топінамбура подрібнюються. Екстракцію сировини здійснюють при температурі 75°С та гідромодулі 1:1 протягом 40 хв. Після цього суміш фільтрують. Відфільтрований екстракт з температурою 60°С направляють на гідроліз, який здійснюють під впливом ультразвукових коливань з частотою 30 кГц, Інтенсивністю 2 Вт/см2 протягом 2 хв в присутності сірчаної кислоти, що додається в середовище до pH 1,65-2,3. В результаті здійснення способу отримано гідролізат з вмістом редукуючих речовин 7,1% при ступені гідролізу поліфруктозанів 94,9%. Склад біологічно активних речовин гідролізату топінамбура слідуючий: Таким чином, після проведення гідролізу екстракту з коренеплодів топінамбура під впливом УЗ згідно способу протягом 2 хв отримано продукт, який є повноцінним джерелом фруктози та біологічно активних речовин, та може бути використаний у живильних середовищах при культивуванні мікроорганізмів. Останні приклади здійснення способу зведені у табл. 6. Як бачимо з табл. 6 максимально можливий вміст РР в гідролізатах рослинної сировини досягається в способі при проведенні гідролізу під впливом ультразвуку протягом 2-6 хв (приклади 2-4, 6) і становить для топінамбура 7,10-7,16% та 9,66% для цикорію. При цьому за прототипом можна отримати гідролізати з вмістом РР лише 2,79%. В необробленому екстракті вміст редукуючих речовин становить 0,6%. Тобто, ми отримаємо гідролізати, в яких пройшов майже повний гідроліз поліфруктозанів (ступінь гідролізу становить 94,9-95,8%). Крім того, в гідролізатах, що обробляються ультразвуком протягом 2-6хв, накопичується значна кількість таких важливих біологічно активних речовин як амінокислоти (АК). В необробленому екстракті з коренеплодів топінамбура (ЕКТ) ця цифра Дорівнює 11,7 мг/100 мл. При проведенні гідролізу ЕКТ згідно з прототипом накопичується значно менше АК(14,7-16,4 мг/100 мл). Крім того, в зв'язку з тим, що отримання гідролізатів за допомогою ультразвукових коливань проходить при значно нижчій, ніж в прототипі температурі, ми одержуємо продукт, в якому зберігається більшість вітамінного складу рослинної сировини, В прикладах 24 кількість таких вітамінів, як В5, В6, В7 майже не змінюється у порівнянні з необробленими екстрактами (В5 0,089, В6 - 0,24, В7 - 0,00283). При цьому при здійсненні гідролізу по прототипу кількість вітамінів зменшується вдвічі. Аналізуючи приклади бачимо, що обробка екстрактів ультразвуком менше 2 хв є недостатньою для повного гідролізу поліфруктозанів і максимального накопичення редукуючих речовин та амінокислот (приклад 1). І, навпаки, якщо проводити процес більше 6 хв (приклад 5) вміст редукуючих речовин буде зменшуватись, що зв'язано з процесом розкладу фруктози; кількість вітамінів значно знижується, біологічна цінність гідролізатів погіршується. Таким чином, обробка екстрактів з рослинної сировини ультразвуком протягом 2-6 хв забезпечує отримання гідролізатів з високим вмістом редукуючих та біологічно активних речовин, що робить їх цінними компонентами живильних середовищ при культивуванні продуцентів біологічно активних речовин в мікробіологічній, медичній та харчовій промисловості.