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 сучасному біотехнологічному виробництві відомий спосіб підготовки живильних середовищ для дріжджів за допомогою електроактивування при виробництві спирту, включаючий виготовлення живильного середовища, заповнення ним анодної зони електроактиватора, а катодної - водою, електроактивування середовища протягом 6-7 хв при температурі 56-57°С [Фищенко А.Н. Разработка технологии производственных дрожжей в производстве спирта с использованием электрохимической обработки питательных сред: Автореф. дисс. канд. техн. наук - Киев, 1988. - С. 23]. Параметри електрохімічної обробки середовища за таким способом дозволяють регулювати pH та здійснювати антисептування середовищ, але не забезпечують умов для гідролізу високомолекулярних полісахаридів, таких як фруктозани. Відомий спосіб отримання гідролізату топінамбура, що включає подрібнення коренеплодів 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 [Швец В.Н., Иванова /I.A., Дворник CA., Тодосийчук СР. Исследование эффективности различных способов подготовки корнеплодов топинамбура к сбраживанию // Изв. вузов. Пищ. технол. 1995.-N=5-6. С. 30-32]. Але цей спосіб не забезпечує максимальний гідроліз поліфруктозанів рослинної сировини, а висока температура та значна тривалість процесу не сприяють одержанню гідролізату з високою біологічною цінністю. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу гідролізу поліфруктозанів рослинної сировини шляхом застосування електрохімічної обробки екстракту з рослинної сировини, яка містить поліфруктозани, забезпечити скорочення часу на проведення гідролізу, зниження температури, при якій проходить процес, накопичення в одержаних гідролізатах більшої кількості редукуючих речовин та максимальне збереження біологічно активних речовин. Поставлена задача вирішується тим, що у способі гідролізу високомолекулярних фруктозанів, який включає подрібнення топінамбура, змішування з водою з послідуючим гідролізом, 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, отриманий рідкий екстракт направляють на гідроліз, який проводять за допомогою процесу електроактивування протягом 15-25 хв при початковій температурі 30-35°С і щільності струму 140-160 А/м2, при цьому рідким екстрактом заповнюється анодна зона, а катодна - розчином мінеральної солі. 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 витрати 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, кількість редукуючих речовин у гідролізаті та ступінь гідролізу зменшуються. При здійсненні екстракції з гідромодулями від 0,5:1 до 2:1 після гідролізу можна досягти значної кількості РР у гідролізатах рослинної сировини (ГРС) (5,13-8,78%) 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 від 50 хв призводить до зниження РР у середовищі, що, можливо, пов'язане з процесом меланоїдиноутворення. Досліди в таблиці 2 проводили при гідромодулі 1:1. Електроліз - це сукупність процесів, які відбуваються при проходженні постійного електричного струму через електрохімічну систему, що складається з двох електродів (катод і анод)та розчину електроліту. Враховуючи те, що електрохімічна система, до якої входять електроди І електроліти, буде працювати ефективно лише при наявності в середовищі, що обробляється, іонів - носіїв електричного заряду, необхідно забезпечити саме такі, сприятливі для процесу електролізу умови. Слід зазначити, що рослинна сировина така як, наприклад, топінамбур, не має в своєму складі достатньої кількості вільних Іонів. Тому для прискорення процесу електроактивування пропонується замість води заповнювати-катодну зону розчином мінеральної солі. Оптимальні кількості розчину мінеральної солі становлять 0,5-2,5% (табл. 3, досліди 2-4). Досліди в табл. З проводили при щільності струму 150 А/м2 та тривалості процесу електроактивування 20 хв. Збільшення кількості мінеральної солі в розчині більше ніж 2,5% призводить до зниження ступеню гідролізу поліфруктозанів та вмісту редукуючих речовин у середовищі, що пов'язано із процесом розкладу фруктози. І, навпаки, внесення солі в кількостях нижчих 0,5% не сприяє швидкому здійсненню процесу електроактивування. Для проведення процесу електролізу з мінімальними енергетичними витратами важливе значення має підбір щільності струму, яка прямопропорційна напрузі, що підводиться до електродів та залежить від відстані між електродами. В прикладах, що наведені в табл. 4, визначення оптимальної щільності струму проводили обробляючи ЕКТ при вмісті NaCI в анодній зоні 2%. Як бачимо з табл. 4 (дослід 2-4), процес електроактивування необхідно здійснювати при щільності струму 140-160 А/м2, збільшення значень цього параметру вище 160 А/м суттєво не впливає на час обробки, а при щільності струму нижче 140 А/м ми не досягаємо необхідного ступеню гідролізу поліфруктозанів та вмісту РР у гідролізатах. Відомо, що гідроліз полісахаридів залежить від температури проведення процесу. Оптимальні початкові температури середовища при проведенні процесу електроактивування приведені в табл. 5 (дослід 2-4). Досліди проводили, обробляючи ЕКТ протягом 20 хв при щільності струму 150 А/м та кількості NaCI в анодній зоні 2 %. Зменшення початкової температури нижче 30°С не сприяє повному гідролізу поліфруктозанів та отриманню гідролізатів рослинної сировини з високим вмістом РР, а підвищення початкової температури вище 35°С призводить до швидкого зниження pH середовища, що також погано впливає на кінцеву якість гідролізатів, не дає можливості досягти максимально можливого ступеню гідролізу поліфруктозанів. Спосіб здійснюється слідуючим чином. Вимиті клубні рослинної сировини (топінамбур, цикорій, жоржина) подрібнюються. Екстракцію сировини проводять при температурі 70-80°С та гідромодулі 0,5:1-2:1 протягом 35-45 хв Після цього суміш фільтрують. Відфільтрований екстракт з рослинної сировини з початковою температурою 30~35°С направляють в електроактиватор. Паралельно у проміжній ємності готують розчин мінеральної солі концентрацією 0,5-2,5%. Заповнення анодної зони електроактиватора екстрактом та катодної розчином NaCl або КСІ проводять одночасно при нульовій напрузі на електродах. Після заповнення електроактиватора подають напругу на електроди, яка забезпечує щільність струму 140-160 А/м2, та проводять гідроліз екстракту протягом 15-25 хв. Після закінчення Гіроцесу електролізе звільняють катодну і анодну зони одночасно, при цьому гідролізат направляють у приймальну ємність, електроактиватор заповнюють новою порцією екстракту та розчину мінеральної солі. Приклади здійснення способу. В усіх прикладах в якості мінеральної солі використовували NaCI і процеси здійснювали при таких постійних параметрах: гідромодуль 1:1; температура екстракції 75°С; тривалість екстракції 40 хв; щільність струму при електроактивуванні 150 А/м2; кількість NaCI в катодній зоні електроактиватора 2%; початкова температура рослинної сировини 35°С. Приклад. Вимиті клубні топінамбура подрібнюють. Екстракцію здійснюють при температурі 75°С та гідромодулі 1:1 протягом 40 хв. Після чого суміш фільтрують. Паралельно у проміжній ємності готують розчин NaCI концентрацією 2%. Заповнення анодної зони електроактиватора екстрактом та катодної зони розчином NaCI проводять одночасно при нульовій напрузі на електродах. Після заповнення електроактиватора подають напругу на електроди, яка забезпечує щільність струму 150 А/м2, та проводять гідроліз екстракту протягом 15 хв. В результаті електроактивування отримано гідролізат з вмістом редукуючих речовин 7,0% при ступені гідролізу поліфруктозанів 93,52%. Склад біологічно активних речовин послідуючий: сума амінокислот - 0,172 мг/100 мл; вітамін С - 2,64 мг/100 мл; вітаміни групи В, мг/100 мл: Ві -0,21; Вз-0,50; В5-0,079; Bβ- 0,210; В?-0,0027. Таким чином, після обробки ЕКТ протягом 15 хв в електроактиваторі отримуємо гідролізат, який є повноцінним джерелом фруктози та біологічно активних речовин і може бути використаний в живильних середовищах при культивуванні мікроорганізмів. Подальші приклади здійснення способу зведені в табл. 6. Як бачимо з табл. 6 максимально можливий вміст РР в гідролізатах рослинної сировини досягається в способі при проведенні процесу електроактивування протягом 15-25 хв (приклад 2-4, 6) 1 становить 7,0-7,08%. При цих умовах за прототипом можна отримати гідролізати з вмістом РР лише 2,79%. В необробленому екстракті вміст редукуючих речовин становить 0,6%. Тобто, ми отримуємо гідролізати із яких пройшов майже повний гідроліз поліфруктозанів (ступінь гідролізу становить 93,52-94,65%). Крім того, в гідролізатах одержаних за допомогою електроактивування протягом 15-25 хв накопичується значна кількість таких важливих біологічно активних речовин як амінокислоти (АК). В пообробленому 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 здійснення електроактивування екстрактів з рослинної сировини проходить при значно нижчій температурі, ніж в прототипі, ми одержуємо гідролізати, в яких зберігається більшість вітамінного складу сировини. В прикладах 2-4, 6 кількість таких вітамінів як Bs, Вб, В7 майже не змінюється у порівнянні з необробленими екстрактами. При здійсненні гідролізу за прототипом кількість вітамінів зменшується вдвічі. Аналізуючи приклади бачимо, що обробка екстрактів менше 15 хв є недостатньою для повного гідролізу поліфруктозанів і максимального накопичення редукуючих речовин та амінокислот(приклад 1). і, навпаки, якщо проводити процес більше 25 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, здійснення процесу електроактивування екстрактів з рослинної сировини за нашим способом протягом 15-25 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.