Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоконверсия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
одним видом жирной кислоты. Это характерно для оливкового масла, где олеино-
вая кислота составляет 80 %, и касторового, где 85-88 % суммы жирных кислот
представлено рицинолевой кислотой. Характер распределения жирных кислот в
триацилглицеролах имеет существенное значение, так как ферменты, катализиру-
ющие преобразования липидов (липазы), проявляют позиционную специфичность.
Липазы (триацилглицеролацилгидролазы, 3.1.1.3) являются универ-
сальными ферментами, используемыми для преобразования липидов. Субстратами
липаз являются глицериды и другие сложные эфиры. Липазы более других пред-
ставителей класса гидролаз обладают способностью катализировать различные ти-
пы реакций. Эти типы следующие:
Гидролитическое расщепление жиров липазами протекает с заметной ско-
ростью в средах с концентрацией воды не ниже 1 %. Реакция присходит в гетерогенной среде на границе раздела липиды - вода, скорость ее зависит от степени
дисперсности субстрата.
51
Липазы проявляют специфичность в отношении оптических изомеров эфи-
ров (стереоспецифичность), позиционную, глицеридную и жирнокислотную спе-
цифичность.
По позиционной специфичности липазы делят на две группы: позиционно
неспецифичные, освобождающие при гидролизе триглицеридов жирные кислоты
из всех трех позиций, и 1,3 - специфичные. Примерами позиционно неспецифичных служат липазы Candida cylindracea, Geotrichum candidum, Pseudomonas sp. 1,3
- Специфичны липазы грибов A.niger, Candida lipolytica, грибов рода Rhizopus, а
также панкреатическая липаза. У большинства исследованных липаз не отмечено
стереоспецифичности, различающей позции 1 и 3 в глицеридах. Лишь относительно липазы золотистого стафилококка известно, что она гидролизует эфирные связи
поз. 3 в 10 раз медленнее, чем поз.1.
При длительном гидролизе глицеридрв 1,3-специфичные липазы способны
отщепить жирные кислоты из всех положений, поскольку 2- моноглицериды и 1,2-
дигилицериды как менее конформационно стабильные самопроизвольно изомери-
зуются в 1 - моноглицериды и 1,3- диглицериды.
Липазы со специфичностью к поз. 2, по-видимому, менее распространены,
чем иные. Такая липаза найдена у С. cylindracea.
Жирнокислотная специфичность липаз выражается в предпочтении к жир-
ным кислотам определенной длины цепи. В целом липазы легко отделяют жирные
кислоты средней длины. Это характерно для липаз микроскопических грибов, за
исключением пенициллов. Липаза Pen. roqueforti предпочитает жирные кислоты с
короткой цепочкой и практически не катализирует отщепление длинноцепочечных
жирных кислот. Липазы Candida и Pseudomonas не ограничены в специфичности к
длине цепи жирных кислот, а липаза G. candidum специфична по отношению к
длинноцепочечным жирным кислотам, содержащим цис-двойные связи в омега-9позиции, таким как олеиновая, линолевая, линоленовая и т.п.
Глицеридная специфичность выражена не у всех липаз. Фермент из Pen. cy-
clopium гидролизует мокоглицериды и диглицериды и практически нс действует на
триглицериды.
52
Микробные липазы - ферменты с молекулярной массой 30-55 кДа, опти-
Коммерче-
ская марка
липазы
Продуцент
Оптимум действия
Специфичность
рН
темпера-
тура
позици-
онная
жирнокис-
лотная
А
Asp. niger
5-7
30-40
1,3 2
К, С, Д
М
Mucor javanicus
5,5-8,5
30-45
1,3>2
С>Д
Р
Pseudomonas sp.
5-9
40-65
1,3>2
К>Д
F
Rkizopus javanicus
5-7,5
30-45
1,3 2
С>Д
Д
R. deiemar
5-7
30-45
1,3 2
С>Д
AY
C. cylindracea
5-8
30-50
1, 2, 3
К>Д
L
C. lipolytica
5-8
25-35
1,3 2
К, С, Д
G
Pen.cydopium
4,5-7,5
30-50
1,3>2
-
R
Pen. roqueforti
6-8
25-35
1,3>2
К, С Д
СЕ
Humicola lanuginosa
5,5-8,5
40-60
1,3>2
К>Д
CES
Pseudomonas sp.
5-10
50-65
1, 2, 3
К>Д
GC
Geotrichum candidum
5-8
40-50
1, 2, 3
Олеиновая,
линолевая
N
R. niveus
5-7
30-45
1,3 2
С>Д
АК
Pseudomonas sp.
9-11
45-55
1, 2, 3
К>Д
Примечание: К, С, Д - жирные кислоты с короткими, средними, длинными цепочками
мальная температура действия не превышает 65 °С, оптимальный pH большинства
исследованных липаз лежит в слабокислой и нейтральной зоне (таблица 6). Бактерии рода Pseudomonas продуцируют щелочные липазы и липазы с широкой зоной
рН-оптимума.
Таблица 6 - Свойства липаз, входящих в состав зарубежных коммерческих
препаратов
53
Липазы микроорганизмов имеют умеренную термостабильность. Потери
активности за полчаса составляют для липазы R. niveus – 40 % при 50 °С, Ps. fluo-
rescens – 40 % при 60 °С, R. japomcus – 50 % при 55 °С. Термостабильность липаз
снижается в микроводных средах. Для проведения длительных процессов в микро-
водных средах используют липазы, иммобилизованные на твердых и гелеобразных
носителях (хитине, целите, церамиде, смоле Дауэкс, в фотопоперечносшитых смо-
лах, в геле альгината кальция). Иммобилизация повышает термостабильность ли-
паз. Липаза Ps. fluorescens, иммобилизованная на смоле Дауэкс MWA-1, сохраняла
73 % активности после 160 ч работы при 60 °С в концентрированном субстрате.
2 Микробиологическая биоконверсия растительного сырья
Биоконверсия или биотрансформация - это превращение одних органических соединений в другие под действием ферментных систем микро-
организмов. Превращению могут подвергаться как продукты жизнедеятельности
микроорганизмов, так и специально вводимые в среду вещества. Классическими
примерами биоконверсии служат процессы получения продуктов брожения: спир-
тов, органических кислот (уксусной, молочной, глюконовой, лимонной) из угле-
водных субстратов, ферментативное превращение глюкозы в фруктозу, гидрокор-
тизона в преднизолон и т.д.
Большинство промышленно важных процессов биоконверсии осу-
ществляется путем многоступенчатого превращения субстрата в конечный продукт
с участием нескольких ферментов или ферментных систем. Технологическое пре-
имущество биоконверсии по сравнению с процессами химических превращений
веществ состоит в том, что необходимые катализаторы синтезируются культурой
микроорганизма, и конверсия может быть осуществлена в одну стадию. Кроме то-
го, ферментативные процессы в живых системах энергетически более выгодны,
чем химический синтез.
В процессах биоконверсии используются как свободные клетки микроорга-
низмов, так и иммобилизованные, то есть фиксированные на носителе. Так тради-
ционный способ получения этилового спирта основан из культивировании
дрожжей в свободном состоянии в сбраживаемой среде, а новейшая технология
54
предусматривает сбраживание сахара в спирт при пропускании сахарных раство-
ров через колонну с иммобилизованными дрожжевыми клетками.
В технологии биоконверсии наряду с клетками микроорганизмов при-
меняют выделенные из них ферменты, как в свободном (растворенном) состоянии,
так и иммобилизованные.
Термин «биоконверсия» включает не только процессы «чистой» конверсии
одного вещества в другое, но и такие сложные процессы, как биологическая очист-
ка сточных вод, объектов природы (почв, водоемов), детоксикация пищевых про-
дуктов и кормов, трансформация органических субстратов в белковые корма и пи-
щевые продукты и пр. В этих случаях речь не идет о получении продукта точного
химического состава, определяются лишь допустимые границы концентрации кон-
вертуемого субстрата или целевого продукта, например, допустимая концентрация
нефтяных загрязнений, или содержание белка в кормовом продукте. [1]
2.1 Схема биоконверсии растительного сырья в кормовые и пищевые
продукты
Процессы биоконверсии могут осуществляться по различным техно-
логическим схемам в зависимости от состава сырья, доступности его действию
ферментных систем микроорганизмов, заданной характеристики целевого продук-
та. Основные варианты биоконверсии систематизированы на схеме.
В процессах биоконверсии используют необработанное растительное сырье
(«прямая» биоконверсия), или сырье, подвергнутое предварительной обработке
механическими, химическими, электрохимическими, радиационными методами, а
также с помощью ферментных препаратов. Прямая биоконверсия целесообразна
при переработке жидких субстратов с достаточно высоким содержанием легко-
усвояемых соединений углерода и азота. При переработке твердых субстратов
прямую биоконверсию применяют при наличии микроорганизмов с мощными
ферментными системами, способными воздействовать на биополимеры сырья,
прежде всего, на структурные полимеры.
Труднодоступное микробным ферментам сырье предварительно обрабаты-
вают с целью повышения удельной поверхности, набухаемости, частичной или
полной деструкции сложных биополимеров и их комплексов. Особое место зани-
55
мает ферментативная обработка сырья, которая по сути является биоконверсион-
ным процессом. Путем ферментативной обработки получают корма повышенной
усвояемости, прежде всего, высокоэфективные углеводные корма, то есть содер-
жащие большое количество легкоусвояемых сахаров. Корма, полученные путем
микробиологической биоконверсии после ферментативной предобработки, пред-
ставляют собой продукты двойной биоконверсии.
Микробиологическую биоконверсию растительного сырья осуществляют
путем глубинной, твердофазной или ферментации смешанного типа. Выбор спосо-
ба культивирования зависит от вида сырья и физиологических особенностей мик-
роорганизма, используемого при биоконверсии. Двухступенчатую ферментацию
смешанного типа применяют при необходимости двухстадийной биоконверсии
сырья различными штаммами микроорганизмов. Такая ферментация проводится,
например, при биологической детоксикации кормов с высоким содержанием афла-
токсинов.
Среди продуктов биоконверсии растительного сырья можно выделить сле-
дующие группы: корма с повышенным содержанием легкоусвояемых веществ,
протеинизированные корма (то есть корма с повышенным содержанием белка),
белковые пищевые продукты и обезвреженные корма.
Рисунок 5 - Схема биоконверсии растительного сырья
56
2.2 Отходы пищевой промышленности
Основными источниками сырья для биоконверсии являются пищевая про-
мышленность и сельскохозяйственное производство. Отходы сельс-
кохозяйственного производства (солома злаков, стебли и листья кукурузы, почат-
ки, стебли и корзинки подсолнечника, ботва различных корнеплодов, отходы вино-
градной лозы, чайных плантаций, стебли табака и пр.) характеризуются низкой
кормовой ценностью из-за наличия трудногидролизуемых полисахаридов и невы-
сокого содержания белка. Некоторые виды сельскохозяйственных отходов содер-
жат компоненты, сдерживающие их использование на корм скоту.
Отходы пищевой промышленности более богаты питательными вещества-
ми, безвредны, легче поддаются ферментативной и микробиологической биокон-
версии, различным видам предобработки. Эти ресурсы рассматриваются как
наиболее перспективные для биоконверсии. Количество вторичных ресурсов в пи-
щевой промышленности составляет 60-80 % от перерабатываемого сырья, в некоторых случаях достигает 95 %.
Винодельческая промышленность. Основные виды вторичных ресурсов: ви-
ноградные выжимки, гребни, дрожжевые и гущевые осадки.
Виноградные выжимки получают после прессования при изготовлении бе-
лых и розовых вин, безалкогольной продукции и после отжатая выбродившей мез-
ги при изготовлении красных вин. Виноградные выжимки представляют собой
плотные остатки, отделенные от сока или вина, и состоят из кожицы, семян вино-
града и остатков жидкости. Они бывают сладкие, полученные после прессования
белого винограда; экстрагированные (промытые), полученные из сладких выжимок
после экстракции сахара и виннокислых соединений, и сброженные, полученные
после прессования перебродившей мезги или сброженные при хранении.
Выход виноградных выжимок составляет в среднем 14 % от переработанного винограда. Свежие виноградные выжимки из-под пресса содержат 4550 % сухих веществ (СВ).
Гребни отделяются от гроздьев винограда перед его прессованием. Выход
гребней составляет в среднем 3,5 % от переработанного винограда.
57
Дрожжевые и гущевые осадки - это винные дрожжи и гуща, оседающие на
дно резервуаров после брожения сусла и спиртования сусла и вина. Выход дрож-
жевых и гущевых осадков составляет 6-8 % от перерабатываемого винограда.
По содержанию СВ дрожжевые осадки разделяются на три категории: жид-
кие винные дрожжи, дрожжевая гуща и отжатые дрожжи. В среднем дрожжевые и
гущевые осадки содержат 20 % СВ.
В настоящее время вторичное сырье виноделия в основном используется
при получении этилового спирта и виннокаменной кислоты. Виноградные семена,
отделенные от сладких и промытых выжимок, используют для получения вино-
градного масла и таннина. Полученные после отделения спирта и виннокаменной
кислоты экстрагированные выжимки частично применяют для изготовления кор-
мовой муки. Для этого выжимки сушат, отделяют семена и дробят. Степень ис-
пользования экстрагированных выжимок не превышает 10-15 %, в большинстве
случаев они, как и дрожжевые осадки, выбрасываются, сжигаются, спускаются в
канализацию.
Консервная промышленность и плодоовощное хозяйство. Эти отрасли хра-
нят и перерабатывают свыше 70 видов плодоовощной продукции, представленной
более чем 700 наименований сортов. Наибольшее значение для промышленной пе-
реработки имеют томатные и яблочные выжимки, отходы плодоовощных баз (от-
ходы капусты, свеклы, моркови, картофеля).
Томатные выжимки образуются при производстве томатного сока и концен-
трированных томатопродуктов. Большинство томатных цехов оснащено автомати-
зированными линиями с усовершенствованными семяотделителями. Выход томат-
ных выжимок в среднем составляет 30 % к массе томатов, содержание СВ в выжимках 25-30 %. Состав выжимок дан в таблице 7. Выход сухих семян составляет
0,4 % к массе томатов, сырых семян - 1,2 %. Сухие томатные семена используют
для производства масла. На это идет около 3 % семян, остальное - на кормовые цели.
58
Таблица 7 - Химический состав выжимок, % к сухим веществам
Яблочные выжимки образуются при производстве яблочного сока. Количе-
ство их составляет в среднем 35 % к массе сырья. Ввиду высокого содержания са-
харов, кислот и пектина яблочные выжимки могут быть использованы для получе-
ния пищевого пектина и сахаросодержащего порошка. Экстракты выжимок, полученные с помощью холодной воды, содержат 2-4 % сахара и 0,1-0,2 % органиче-
ских кислот и могут использоваться для производства напитков, уксуса, спирта. На
изготовление пектина идет лишь 3-5 % общего количества яблочных выжимок.
Производство яблочного пектина из выжимок имеет низкую рентабельность.
Яблочные выжимки по содержанию питательных веществ превосходят мно-
гие виды сочных кормов, но животные неохотно поедают их, и значительная часть
выжимок переходит в неиспользуемые отходы.
Отстой яблочного сока включает мелкие частицы плодовой ткани, скоагу-
лированные колоидные вещества, нерастворимые компоненты сырья, в некоторых
случаях дрожжевые клетки. Отстой образуется при сепарировании, фильтрации и
отстаивании соков в процессе производства и при хранении в крупных емкостях.
Количество осадка, в зависимости от его консистенции, может составлять от 0,5 %
до 5 % к массе сока. Осадок, образующийся при сепарировании и фильтрации,
уплотнен, почти не содержит сока и частично используется на корм скоту и как
удобрение.
При переработке яблок и груш на компоты, варенье, джем, маринады и пр.
образуются отходы, которые состоят из кожицы с прилегающим к ней слоем мяко-
ти и семенного гнезда. Количество таких отходов составляет 30-35 % к массе плодов.
59
Значительный интерес в качестве сырья для биоконверсии представляют
отходы плодоовощных баз. Количество таких отходов очень велико. Плотные и
жидкие отходы резко ухудшают санитарное состояние баз. На очистные сооруже-
ния с жидкими стоками поступает большое количество органических остатков.
Вывоз плотных отходов, их продажа на корм нерентабельны.
Сахарная промышленность. Сахарные заводы дают большое количество
побочной продукции. Это жом, меласса, рафинадная патока, фильтрационный оса-
док, свекловичный «бой» и хвостики свеклы. Наибольший интерес представляет
свекловичный жом - обессахаренная свекловичная стружка, остающаяся после из-
влечения из нее сахара диффузионным способом. Регламентированный выход
свекловичного жома составляет 83 % к массе переработанной свеклы. В жоме содержится 6-8 % СВ.
Свекловичный жом является сезонным сырьем. В необработанном состоя-
нии он может храниться не более 3 дней, так как быстро подвергается микробиоло-
гической порче. Для увеличения сроков хранения жом прессуют до содержания СВ
14-20 %, а затем сушат до содержания СВ 86-93 %. Производство сухого жома не
превышает 8 % общей массы, поскольку являются энергоемким.
Основным потребителем свекловичного жома является животноводство.
Жом используется как добавка к кормам. Сухой жом находит применение в микро-
биологической промышленности как компонент питательных сред, в кондитерской
промышленности - как сырье для производства свекловичного пектина.
Свекловичный жом имеет низкое содержание белка (8,3-8,9 % на СВ), невысокую зольность (4,2-5,7 %), почти не содержит нуклеиновых кислот (0,1-0,2 %).
Основную массу СВ жома составляют углеводы: клетчатка (17,2-26,3 %) и пектиновые вещества (20-29 %); общая сумма полисахаридов 61,7-66,1 %.
Пивоваренная промышленность. Пивоваренная промышленность дает такие
отходы, как пивная солодовая дробина, солодовые ростки, зерновые отходы, сплав
зерна, остаточные пивные дрожжи. В отходы переходит около 25 % сырья.
Солодовая дробина - основной вид вторичного сырья пивоварения, она об-
разуется в процессе фильтрации затора как остаток после отделения пивного сусла.
Дробина содержит около 25 % СВ. Выход сырой дробины составляет 125-130 % к
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]