Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоконверсия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
Т.А. Никифорова
Е.В. Волошин
БИОКОНВЕРСИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО
СЫРЬЯ
Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский
государственный университет» для обучающихся по образовательной программе
высшего образования по направлению подготовки 19.04.02 Продукты питания из
растительного сырья
Оренбург
2017
УДК 664 (03)
ISBN 978-5-7410-1781-4
© Никифорова Т.А., 2017
Волошин Е.В.
© ОГУ, 2017
ББК 36 я 7
Н62
Рецензент – кандидат технических наук, доцент В.П. Попов
Н62 Биоконверсия растительного сырья: учебное пособие / Т.А. Никифо-
рова, Е.В. Волошин; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2017 –
129 с.
ISBN 978-5-7410-1781-4
Учебное пособие предназначено для преподавания дисциплины вариа-
тивной части магистрам дневной формы обучения по профилю подготовки
«Новые пищевые продукты для рационального сбалансированного питания».
УДК 664 (03)
ББК 36 я 7
2
Содержание
Введение………………………………………………………………………..……….
1 Ферментативный гидролиз растительного сырья…………………………….
1.1 Общая характеристика процессов ферментативного гидролиза……………
1.2 Ферментативный гидролиз компонентов растительного сырья………………
2 Микробиологическая биоконверсия растительного сырья…………………..
2.1 Схема биоконверсии растительного сырья в кормовые и
пищевые продукты………………………………………………………………
2.2 Отходы пищевой промышленности……………………………………………
2.3 Предобработка сырья……………………………………………………………
2.4 Культуры микроорганизмов…………………………………………………….
2.5 Способы культивирования………………………………………………………
2.6 Режимы культивирования………………………………………………………
2.7 Продукты биоконверсии………………………………………………………..
3 Производство биотоплива…………………………………………….……..….
3.1 Биоэтанол…………………………………………………………………….……
3.2 Биоводород………………………………………………………………….….….
4 Лабораторный практикум……………………………………………………...
4.1 Лабораторная работа №1 Влияние комплексных улучшителей на
качество хлеба…………………………………………………………………..
4.2 Лабораторная работа №2 Применение ферментных препаратов в
кондитерском производстве…………………………………………………...
4.3 Лабораторная работа №3 Биоконверсия вторичного сырья……………….
4.4 Лабораторная работа №4 Исследование растительного
сырья………………………………………………………………………………..
4.5 Лабораторная работа №5 Производство этилового
спирта…………………………………………………………………………….
4.6 Лабораторная работа №6 Изучение методов определения спирта в
продукции…………………………………..……………………………………
Список использованных источников……………………………………………….…
4
5
5
10
54
55
57
67
73
76
79
83
93
93
95
97
97
100
108
114
119
125
129
3
Введение
Биоконверсия (биотрансформация) - это раздел биотехнологии, наука по
изучению превращения одних органических соединений биологического сырья в
другие под действием ферментных систем растительного, микробного и животно-
го происхождения.
Биотехнология является многоотраслевым и чрезвычайно наукоемким
производством. В научных и промышленных целях биотехнология использует
биохимические, микробиологические, химико-аналитические и другие методы
исследований, разработанные и применяемые в фундаментальных науках, лежа-
щих в основе биотехнологии. Формирование биотехнологии как самостоятельно-
го научного направления привело к развитию собственных методов. Это методы
культивирования биообъектов, ферментации биомассы, изоляции и очистки полу-
чаемых продуктов.
Разработка методов генной инженерии, основанных на создании рекомби-
нантных ДНК, привела к «биотехнологическому буму». Биотехнология многоли-
ка. Она использует достижения различных отраслей науки, таких как микробио-
логия, биохимия, генетика, электроника, химическая, биохимическая и механиче-
ская технологии, научные основы получения пищевых продуктов и пищевые тех-
нологии.
Объектами биотехнологии служат различные живые организмы: вирусы,
бактерии, грибы, клетки, ткани растений и животных, которые являются проду-
центами разнообразных веществ. Современная биотехнология является преиму-
щественно микробиотехнологией, так как наиболее часто в качестве ее объектов
применяются микроорганизмы. При определенных условиях они, как правило,
легко размножаются в питательных средах. Относительная простота строения ге-
нетического аппарата и наличие плазмид у бактерий позволяет использовать их в
генной инженерии.
Авторы выражают благодарность Макарову Сергею Юрьевичу и Славской
Ирине Леонидовне – доцентам кафедры «Технология бродильных производств и
виноделие» МГУТУ им. К.Г. Разумовского за материал по биоконверсии.
4
1 Ферментативный гидролиз растительного сырья
1.1 Общая характеристика процессов ферментативного гидролиза
В природе гидролитические процессы, как правило, осуществляются в от-
крытых системах, что объясняет эффективность естественной конверсии расти-
тельного сырья. Клетки микроорганизмов являются открытыми гидролитическими
системами, поскольку продукты расщепления полимеров, образующиеся год дей-
ствием клеточных гидролаз, потребляется в циклах конструктивного и энергетиче-
ского метаболизма. Открытыми системами являются почвенные биоценозы, где
гидролитический распад полимеров происходит под действием внеклеточных фер-
ментов микроорганизмов, а продукты гидролиза потребляются как продуцентами
ферментов, так и чужеродными видами микробов, растениями, беспозвоночными.
Примером открытой системы является пищеварительный тракт животных, где
осуществляется непрерывный процесс гидролиза органического вещества и по-
требления продуктов гидролиза организмом хозяина и симбионтами.
Типы гидролитических процессов. При переработке растительного сырья в
пищевые продукты, корма, энергоносители широко используется ферментативный
гидролиз. При этом возникают задачи различной степени сложности, что определяется видом и числом гидролизуемых субстратов, их локализацией в сырье, агре-
гатным состоянием в гидролитической системе, заданной степенью расщепления и
составом продуктов гидролиза.
Некоторые характерные примеры гидролитических процессов различных
типов даны в таблице 1. Наиболее простыми являются процессы гидролитического
расщепления индивидуальных водорастворимых субстратов (тип 1). Из процессов
этого типа в технологии используются инверсия сахарозы, гидролиз лактозы, дру-
гих олигосахаридов, гликозидов. Важнейшие компоненты растительного сырья полисахариды, белки, липиды - представлены группами соединений, имеющих
Таблица 1 - Типы гидролитических процессов при переработке растительного сырья
Вид субстрата
Агрегатное со-
стояние суб-
страта
Число
фер-
ментов
Порядок
введения
ферментов
Примеры процессов
Индивидуальное
вещество
Водный раствор
1
-
Инверсия сахарозы β- фруктофуранозидазой
Гидролиз лактозы β-галактозидазой
Группа соеди-
нений общей
структуры
Коллоидный
водный раствор
1 - Декстринизация (разжижение) крахмала α-амилазой
1
-
Гидролиз крахмала или амилодекстринов глюкоамилазой
1
-
То же - с помощью β-амилазы
1
-
Гидролиз растительного белка с помощью микробной
или животной протеазы
Несколь-
ко
Одновре-
менно
Гидролиз растительных белков микробными протеазами
в процессе силосования кормов
2 или бо-
лее
Последова-
тельно
Получение сахаристых продуктов из крахмала с приме-
нением α-, β-амилазы, глюкоамилазы, пуллуланазы
Дисперсия твер-
дой фазы в вод-
ной среде
1 или бо-
лее
Одновре-
менно
Гидролиз целлюлозы до глюкозы с помощью целлюлоли-
тических ферментов
Водная эмуль-
сия
1 или бо-
лее
Одновре-
менно
Гидролиз жиров липазами
Группа соеди-
нений различ-
ной структуры
Коллоидный
водный раствор
2 или бо-
лее
Одновре-
менно
Гидролиз растворимых коллоидов соков, вин, пива ком-
лексом гликозидаз и пептидаз с целью стабилизации
напитков
Гетерофазная
водная колло-
идная система
2 или бо-
лее
Одновре-
менно
Гидролиз полисахаридов и белков с помощью гликозидаз
и пептидаз при получении осахаренных спиртовых заторов, пивного и виноградного сусла, соков. Гидролиз рас-
тительного сырья ферментными комплексами при полу-
чении продуктов биоконверсии
6
6
общие свойства, что позволяет рассматривать их как субстраты соответствующих
ферментов. Так целлюлоза - это группа высокомолекулярных линейных полимеров
β-1,4-связанной глюкозы, крахмал - группа линейных и разветвленных полимеров
α-1,4-связанной глюкозы и т.д. Такие субстраты неоднородны по величине моле-
кул, степени ветвления, числу и виду замещающих групп, характеру распределения
молекул в сырье (отдельные молекулы, скопления в виде гранул, мицелл с участ-
ками кристалличности и пр.). Эти различия, а также большое разнообразие проме-
жуточных продуктов гидролиза осложняют каталитический процесс. Поэтому пол-
ный гидролиз неоднородных субстратов, как правило, проводят с помощью двух
или более ферментов. Теоретически возможен глубокий гидролиз полимерных
субстратов одним ферментом. Глюкоамилаза расщепляет крахмал практически
полностью до глюкозы. Некоторые микробные эндо-глюканазы и целлобиогидро-
лазы в открытых каталитических системах могут осуществлять глубокий гидролиз
нативной целлюлозы. Однако на практике индивидуальные гидролазы обычно ис-
пользуют для частичного гидролиза полимеров.
Классический пример - декстринизация крахмала с помощью α-амилазы.
Этот процесс входит в технологию многих видов сахаристых продуктов, применя-
ется при получении осахаренных заторов в спиртовой промышленности, микро-
биологических питательных сред из крахмалистого сырья. Примером применения
индивидуального фермента для гидролиза неоднородного полимерного субстрата
служит также процесс получения белковых гидролизатов с помощью микробной
или животной протеазы, в частности, гидролизата белков соевого шрота - отхода
производства соевого масла.
Большинство полисахаридов и белков растительного происхождения спо-
собны давать гомогенные коллоидные растворы, поэтому гидролиз таких субстра-
тов может быть проведен в однородной среде, что существенно облегчает регуля-
цию процессов и их описание.
Нерастворимые в воде гидрофильные субстраты, такие как целлюлоза, не-
которые виды гемицеллюлоз, гидролизуют в виде дисперсий твердой фазы. Ско-
рость гидролиза нерастворимых субстратов зависит от степени дисперсности, так
как реальная концентрация субстрата пропорциональна удельной поверхности
7
диспергированных частиц. Существенна также прочность агрегации молекул в ча-
стицах субстрата. Кристаллический субстрат гидролизуется труднее аморфного.
При гидролизе диспергированных субстратов используют, как правило,
комплекс гидролитических ферментов. Наблюдается кооперативность действия и
синергический эффект, что объясняется низкой атакуемостью нерастворимого суб-
страта.
Гидрофобные неоднородные субстраты - жиры - дают в воде эмульсии.
Степень их дисперсности, так же как и в предыдущем случае, определяет скорость
ферментативной реакции. Сохраняется общая закономерность: для частичного
гидролиза триацилглицеролов можно использовать индивидуальную липазу, для
глубокого гидролиза предпочтителен комплекс липаз.
В технологии пищевых продуктов и кормов распространены процессы гид-
ролиза смеси нескольких субстратов различной природы. Это процессы гидролиза
нефракционированного растительного сырья - зерна, солода, зеленой массы растений, плодов, овощей и т.д. Они используются при получении осахаренных заторов
в спиртовой промышленности, пивного сусла, плодовых и овощных соков, хлеб-
ных заквасок, питательных сред для микробиологической биоконверсии. Некото-
рые из этих процессов, такие как осветление напитков, проводятся в однородных
средах или средах с небольшим содержанием взвешенной фазы. Другие, и их
большинство, осуществляются в гетерофазных системах. В обоих случаях может
быть достигнута высокая скорость процесса гидролиза, но при проведении реакции
в гетерофазной системе существенна степень дисперсности субстратов.
При использовании для гидролиза двух и более ферментов их во многих
случаях вводят в реакционную среду одновременно. Это оправдано при отсутствии
ингибирования продуктами гидролиза, при проявлении синергизма действия фер-
ментов, а также при гидролизе нескольких субстратов, локализованных в одном
виде сырья.
Проведение одностадийного гидролиза часто связано с невозможностью
разделить процесс на стадии из-за отсутствия препаратов, обладающих преимущественной активностью определенных ферментов.
8
К недостаткам одностадийного гидролиза нужно отнести, прежде всего,
сложность регуляции степени гидролиза субстрата тем или иным ферментом в
присутствии других, действующих на тот же субстрат. В отдельных случаях можно
вывести из реакции определенный фермент с помощью соответствующих ингиби-
торов, однако использование этого приема в технологии пищи и кормов ограниче-
но.
Необходимое условие - отсутствие ингибирования продуктами реакции -
также редко реализуется на практике. Так при одновременном осахаривании зер-
нового сырья с помощью целлюлаз, гемицеллюлаз и амилаз в закрытой системе ак-
тивность целлюлаз снижается по мере накопления глюкозы за счет амилолиза
крахмала.
В процессах с заданным составом конечных продуктов, таких как получе-
ние сахаристых продуктов из крахмала, применяют последовательную, постадий-
ную обработку ферментами. На первой стадии крахмал декстринизируют с помо-
щью α-амилазы, контролируя степень расщепления. Затем образовавшиеся декс-
трины гидролизуют другими амилолитическими ферментами, получая гидролизат
с заданным составом сахаров.
Последовательное применение гидролитических ферментов целесообразно
при гидролизе слабоизмельченного растительного сырья. На первых стадиях гид-
ролиза расщепляют внешние структурные компоненты тканей и клеток, а затем
внутриклеточные компоненты. При гидролизе сильноизмельченного сырья можно
пренебречь его изначальной архитектоникой и проводить одновременно гидролиз
нескольких субстратов или выборочно гидролизовать одни компоненты, не затра-
гивая других.
Технология конкретного продукта может предусматривать полный или не-
полный гидролиз определенных компонентов растительного сырья, с образованием
заданных продуктов гидролиза. Это определяет выбор ферментных препаратов и
режима проведения гидролиза. Для неполного расщепления субстрата с образова-
нием в качестве продуктов реакции крупных его фрагментов используют ферменты
эндо-типа. Полный гидролиз осуществляют с помощью экзо-ферментов или комплекса эндо- и экзо-ферментов. Воздействие эндо-гидролаз проиводит к быстрому
9
снижению вязкости субстрата, ускорению диффузионных процессов и гидролиза в
целом. Это особенно важно при гидролизе субстрата, локализованного внутри
крупнодисперсных частиц, когда скорость гидролиза лимитируется оттоком про-
дуктов гидролиза по капиллярам, что в вязких средах проходит очень медленно.
Примером может служить гидролиз белков и полисахаридов крупномолотого зер-
на, солода.
Режим проведения гидролиза выбирают в соответствии с оптимальными
условиями действия используемых ферментов и границами изменения параметров,
допустимыми в рамках конкретной технологии. Гак при получении гидролизатов
растительного сырья для микробиологической биоконверсии можно полностью со-
блюсти оптимальные для ферментов условия температуры, pH среды, ввести неко-
торые минеральные или органические активаторы или стабилизаторы, если они
необходимы. В то же время технология пищевых продуктов, напитков вводит
определенные ограничения на изменения состава сырья, его кислотности, темпера-
турного режима обработки. Поэтому ферментативная активность может прояв-
ляться неполностью, что нужно учитывать при разработке режимов ферментации
пищевого сырья.
В отдельных случаях различия в режиме гидролиза обуславливают последо-
вательное применение ферментных препаратов. Так при осахаривании крахмала
стадию декстринизации-разжижения проводят при температуре от 85 °С до 110 °С,
а осахаривание декстринов глюкоамилазой – при 40 – 45 °С.
1.2 Ферментативный гидролиз компонентов растительного сырья
1.2.1 Полисахариды клеточных стенок
В состав клеточных стенок растений входят целлюлоза, гемицеллюлоза,
пектиновые вещества, белок, низкомолекулярные органические вещества, мине-
ральные элементы. Основой структуры клеточной стенки является комплекс цел-
люлозы, гемицеллюлозы и пектина. [1]
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]