Биотехнология инулина и его практическое применение

Яровой, Сергей Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биотехнология инулина и его практическое применение
ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Биотехнология инулина и его практическое применение"

/ и

ЯРОВОЙ Сергей Анатольевич

БИОТЕХНОЛОГИЯ ИНУЛИНА И ЕГО ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

03.01.06 - «Биотехнология (в том числе бионадатехнологии)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ЛЕК 2011

Воронеж - 2011

005006037

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Полянский Константин Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Григоров Василий Степанович

кандидат биологических наук, доцент, Абрамова Инна Николаевна

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», кафедра биофизики и биотехнологии.

Защита состоится «26» декабря 2011 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.035.06 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, пр-т Революции, д. 19.

Автореферат отправлен по адресу referat_vak@mon.gov.ru для размещения в сети Интернет Министерством образования и науки РФ и размещен на сайте www.vgta.vm.ru

Автореферат разослан «25» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент

Шуваева Г.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объем рынка инулина в РФ составляет 15-20 тыс. тонн в год. В настоящее время инулин в Российской Федерации не производится, а высо-кофруктозные сиропы готовятся изомеризацией глюкозных сиропов, полученных гидролизом крахмалсодержащего сырья. Экспортом инулина в Россию занимается бельгийская компания Beneo-Orafti, которая также занимает 70% мирового рынка инулина. Остальную долю делят между собой компании Cosucra из Бельгии и Sensus из Голандии.

На сегодняшний день выделяются два основных направления использования инулина: фармацевтическая и пищевая промышленность. В фармацевтике инулин используется в виде биологически активных добавок (капли, таблетки) для профилактики и лечения различных заболеваний (противоопухолевые и противовоспалительные препараты, диабет, ожирение, болезнь почек, артрит и т.д.). В пищевой промышленности он используется не только как пищевое волокно (функциональные продукты питания), но и как технологический ингредиент (жирозаменитель, стабилизатор эмульсий и аэрированных продуктов и т.д.). Перспективно в этом плане изучение биологических особенностей инулиносодержащих растений и возможности их использования в разработке технологий получения инулина.

К известным инулиносодержащим растениям относят якон, цикорий, топинамбур, лопух большой, одуванчик лекарственный и др. Из них наиболее перспективными растениями являются топинамбур и цикорий, обладающие уникальным химическим составом и наличием инулина. Топинамбур и цикорий нашли широкое применение в диетическом питании как в натив-ном виде, так и в виде комбинированных продуктов. Продукты, содержащие инулин рекомендуются при широком спектре заболеваний. В настоящее время известны многочисленные исследования по данной проблеме ученых (Жеребцов H.A., Корнеева О.С., Пащенко Л.П., Зеленков В.Н., Манешин В.В., Бобровник Л.Д., Голубев В.Н. и др.).

Наряду с актуальностью проблемы получения инулина, не менее актуально получение полифруктозида с различной молекулярной массой и достоверность определения этого показателя. По литературным данным, эта величина имеет широкий диапазон 315-6000. В тоже время согласно медицинским исследованиям наиболее полезным является инулин с молекулярной массой более 4000 Da (Заключение Самарского военно-медицинского института, 2007 г.). Кроме того, в настоящее время недостаточно полно изучено влияние инулина на метаболическую активность дрожжевых культур при получении биомассы.

Таким образом, исследование особенностей инулинсодержащих растений, возможности их применения при производстве инулина различной

молекулярной массы, а также использование инулина в составе питательных сред при получении биомассы дрожжей и создании функциональных пищевых продуктов является актуальным.

Цель работы: научное и практическое обоснование способов получения инулина из инулиносодержащего растительного сырья и его использование в биотехнологии дрожжей и пищевой промышленности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. обосновать выбор инулиносодержащего растительного сырья для использования в технологии получения инулина;

2. разработать технологию получения инулина из инулиносодержащего растительного сырья;

3. определить состав и свойства полученного инулина и фруктозо-глюкозного сиропа;

4. исследовать влияние инулина на интенсификацию метаболической активности дрожжей;

5. обосновать возможность использования инулина, фруктозо-глюкозного сиропа и молочной сыворотки при создании функциональных продуктов питания.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. технология получения инулина из цикория и модифицированная технология получения инулина из топинамбура;

2. адаптированная методика определения высокомолекулярных углеводов методом гельпроникающей хроматографии;

3. способ интенсификации метаболической активности дрожжей добавлением инулина при производстве биомассы;

4. улучшение физико-химических и органолептических свойств, а также повышение антиоксидантной активности функциональных продуктов при внесении инулина.

Научная новизна. Впервые подобраны условия гельхроматографи-рования растворов, содержащих инулин, и определена его молекулярная масса.

Разработана технология получения инулина из отечественного инулиносодержащего растительного сырья (цикорий).

Экспериментально подтверждена и модифицирована технология получения высокомолекулярного инулина из топинамбура

Научно обосновано применение инулина для интенсификации метаболической активности дрожжей БассИаготусез сегеш1ае-28 и Юиууеготусез тагаапш - ВКМ У-1148.

Установлено совместное влияние инулина и молочной сыворотки, фрук-тозо-глюкозного сиропа и молочной сыворотки на технологические процессы и качество готовых пищевых продуктов.

Выявлено изменение содержания инулина и фруктозы в готовых изделиях в зависимости от вносимых дозировок инулина и молочной сыворотки и фруктозо-глюкозного сиропа и молочной сыворотки.

Техническая новизна работы подтверждается патентом РФ № 2428885 от 20.06.2010.

Практическая значимость работы. Получен высокомолекулярный инулин из топинамбура по модифицированной технологии и проведена апробация его использования при создании функциональных пищевых продуктов в условиях производства на ООО «Исток».

Определены рациональные дозировки инулина и молочной сыворотки при создании функциональных пищевых продуктов.

Установлены рациональные дозировки фруктозо-глюкозного сиропа и молочной сыворотки при создании функциональных пищевых продуктов.

Основные положения диссертационного исследования рекомендуются к внедрению в учебный процесс по курсу «Пищевая химия» по специальности 110 305 «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях преподавательского состава и научных работников ВГАУ (г. Воронеж, 2007 - 2010 гг.);

IV Международная научно-практическая конференция «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» посвященной 80-летию факультета Технологии молочных продуктов (г. Омск, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 статьей в журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 150 страницах, включая 17 таблиц и 53 рисунка. Список литературы включает 178 источников российских и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, научная новизна, практическая значимость и цели выполненных исследований.

Глава 1. Аналитический обзор литературы. Проведен обзор и анализ существующих способов получения инулина из инулиносодержащего растительного сырья. Дана характеристика наиболее перспективного инули-

носодержащего растительного сырья как объекта биотехнологии. Рассмотрены существующие методики качественного и количественного определения инулина в сырье и продуктах, а также наиболее перспективные направления применения инулина в т.ч. в пищевой промышленности и медицинской биотехнологии. На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Глава 2. Объекты и методы исследований. Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории «Биологических анализов» и лаборатории кафедры «Биохимия и микробиология», ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет». Часть исследований была проведена в лабораториях инструментальных методов пищевой химии (ЛИМПХ) и кафедры «Технологий хранения и переработки зерна» ВГТА, а также учебной лаборатории ВГТА хлебозавода №7 г. Воронежа.

Объектами исследования служили: инулин из топинамбура (ТУ 9360001-50477279-2000), клубни цикория (ТУ 9198-327-04605473-98), клубни топинамбура (ТУ 9731-001-11866470-94), фруктозо-глюкозный сироп из топинамбура (ФГС) (ТУ 9360-003-504279-2002), протосубтилин ГЗх (ГОСТ 23636-90), фруктоза кристаллическая (ТУ 9111-011-35937677-02), глюкоза кристаллическая (ГОСТ 975-88), сахароза кристаллическая (ГОСТ 5833-75), мука пшеничная высшего сорта (ГОСТ Р 52189-2003), дрожжи хлебопекарные прессованные (ГОСТ 171-81), подсолнечное масло (ГОСТ 1129-93), сыворотка молочная после производства творога (ОСТ 10-213-97), высокоактивный инулин Beneo™GR (Orafti®HR), дрожжи Saccharomyces cerevisiae-ZS (Пат. № 2209829 РФ), дрожжи Kluyveromyces marxianus (ВКМ Y-1148).

В качестве сырья для совершенствования и разработки технологии получения инулина использовались клубни топинамбура сорта «Интерес» и клубни цикория, выращенные в Рамонском районе, Воронежской области (20082010 гг. октябрь).

В работе применялись стандартные и специальные опубликованные в литературе методы анализа Для получения экспериментальных данных в процессе диссертационного исследования проводили комплекс химических, физико-химических и микробиологических исследований.

Массовую долю влаги определяли согласно ГОСТ 21094, ГОСТ 8494, а также на влагомере МХ-50 A&D Company, Limited (Япония), массовую долю сухих веществ в растворах по ГОСТ 8764, плотность сырья и активную кислотность растворов по ГОСТ 3625 и ГОСТ 26781 соответственно. Определение цветометрических характеристик сырья и готовой продукции осуществляли с помощью белизномера лабораторного «Блик-РЗ» и планшетного сканера HP Scanjet 3570С со слайд-адаптером. Вязкость полуфабрикатов измеряли на ротационном вискозиметре «Реотест-2». Оценку консистенции готовых продуктов

проводили методом пенетрадии. Для определения молекулярной массы инулина использовали метод гельпроникающей колоночной хроматографии и метод МАЛДИ. Качественное подтверждение наличия инулина и фруктозы в сырье и готовых изделиях производили с помощью метода тонкослойной хроматографии.

Измерения антиоксидантной активности осуществлялось двумя методами: амперометрическим на приборе «ЦветЯуза-01-AA» и кулонометре «Экс-перт-006-антиоксиданты».

Органолептическая оценка и пористость хлебобулочных изделий определялась по ГОСТ 5667 и ГОСТ 5669 соответственно, объем измерялся с помощью объемомерников. При органолептической оценке готовых изделий применяли сенсоромегрический анализ с применением масс-чувствительных сенсоров.

Количество углеводов в сырье и готовых изделиях определяли методами: метод Бертрана, резорциновый метод (метод Селиванова), метод Починка

Целью биохимических исследований являлось изучение влияния инулина из топинамбура на рост и размножение дрожжей Saccharomyces cerevisiae и Kluyveromyces marxianus и интенсивность ассимиляции ими инулина в различных средах - молочной сыворотке и пивном сусле. Дрожжи Kluyveromyces marxianus В KM Y-1148 были получены из Всероссийской коллекции микроорганизмов ИБФМ РАН, дрожжи Saccharomyces cerevisiae-ZS из коллекции кафедры биохимии и микробиологии ВГАУ.

Обработку экспериментальных данных проводили с привлечением методов математической статистики, регрессионного анализа и программ Statistica 7.0 и MS Excel.

Глава 3. Биотехнология инулина: получение, изучение физико-химических показателей и применение.

Разработка и модификация технологий получения инулина из цикория и топинамбура. К наиболее распространенному сырью для выделения инулина в нашей климатической зоне относится цикорий и топинамбур. Была предложена модификация известной технологии получения инулина из топинамбура, описанной в патенте РФ № 2148588. Технология была выбрана благодаря своей простоте, доступности материалов и оборудования и как наиболее экономически эффективная в сложившихся условиях.

В качестве изменений в способе было предложено не осуществлять очистку сока ультра- и диафильтрацией, а также использовать ферментный препарат протеазы, для гидролиза белков, содержащихся в топинамбуре (рис. 1). Это позволяет снизить затраты на технологию и соответственно снизить стоимость конечного продукта.

А В

Измельчение свежих клубней топинамбура (размер частиц 0,3-1,0 мм) Измельчение свежих клубней т (размер частиц 0,3-1,0 опинамбура им)

Прессование (СВ 21.5%) Прессование (СВ 21,5 %)

Нагревание с последующей фи (80-85°С, 1-2 мин) атрацией Очистка от белковых и кош дисперсных примесей фермент ратом протеазы с последующ! нием и фильтрацией (80-85°С одидно-ным препа-м нагрева, 1-2 мин)

Ультрафильтрация на полых олокнах Нанофильтрация, полупрониц : брана (-1,8 нм) 1емая мем-

Диафильтрация Осветление (активированный у 0,05-0,3%, 50-60°С, 30-4 галь, ОУ-А, )мин)

Нанофильтрация., полупроница брана (-1,8 нм) змая нем- Центрифугировали!

Осветление (активированный уголь, ОУ-А, 0,05-0,3%, 50-60°С, 3040Мин) .....N -........- ------- -------- —....... . -.....-Ж Концентрация раствора под ва 60°С,150-180 мм рт. ст., СВ гуумом (5560-65%)

ч\ Центрифугирование У Кристаллизация инулина (5-6°С, (И5)

Концентрация раствора под вакууйом (55-60°С,15()-180 мм рт. ст., СВ-Й-65%) 4 ч. Измельчение yf

Кристаллизация инулина" (4°С, 6 ч) У

Измельчание

Рисунок 1 - Схемы технологий получения: А-инулина из топинамбура (Пат. № 2148588); В-модифицированная технология.

А В I

Подготовка и измельчение клубней цикория | Измельчение свежих или высушенных клубней цикория (размер 0,3-1,0 мм)

Экстрагирование горячей водой (75°С, 60 мин.) 1 Экстрагирование горячей водой (80-85°С, 60 мин.) !

Фильтрование экстракта Упаривание под вакуумом (50-'60°С, 120150 мм. рт. ст., до СВ 25-30%)

1 Термообработка (160-180°С, 30-40 мин.) Обесцвечивание активированным углем -ОУ-В (1,5-2,0%, 55-60°С, 40-60 мин.)

Сушка на распылительной сушилке с получением готового продукта (5&'С) Фильтрование через ткань с першротГ

Сушка на распмлительной^сущилке с получением готового проекта (40-45°С)

Рисунок 2 - А-схема прототипа (А.с. СССР №1658969), В-схема разработанной технологии получения полифруктозанов из цикория (Пат. № 2428885)

Модифицированная технология позволяет выделять инулин, доброкачественностью 86%, с примесью минералов и растворимых окрашенных веществ. Использование такого инулина для пищевых и микробиологических целей, позволяет обогащать продукты комплексом микроэлементов и пищевых волокон, а также вносить в среды для культивирования микроорганизмов дополнительные источники азота, в виде аминокислот, образующихся при гидролизе белков ферментами. Полученный инулин представляет собой мелкодисперсный гигроскопичный порошок светло-кремового цвета, влажностью 7,3%, плохо растворимый в воде и нерастворимый в спирте. Содержание инулина 86%, 6% клетчатки, 7% низкомолекулярные сахара (фруктоза, глюкоза), 1% минеральные вещества и микроэлементы (Мп, К, N3, Р, Са).

Кроме топинамбура в исследованиях разрабатывалась технология получения инулина и всего комплекса полифруктозанов из цикория. Схема разработанной технологии представлена на рисунке 2.

Использование этой технологии позволяет более полно выделить весь комплекс полифруктозанов, избежать темного окрашивания экстракта, снизить теплоэнергозатраты и улучшить качество продукта.

Определение молекулярной массы инулина. Установлено, что основной фракцией в полученном инулине из топинамбура является инулин со средней степенью полимеризации около 5200 Оа, что соответствует 32 фруктозным остаткам. Хроматограмма определения и параметры калибровки представлены на рисунке 3 и таблице 1 соответственно.

1.>М2 13141

133* | изм

1 и»»

\ 11И7

Ё им»

и»)

1.ММ

и*"

- 1

1 1 ]

! / \ /

\ / д ..........

у 1 \

/ ! I

1 1 и Л- : и' 1 1

1\( : —к [\ | , /!1

/ / /1 .,/1 ш! /У V и

Рисунок 3 - Хроматограмма веществ при элюировании через колонку

15* 20.0 25.0 30.0 35,0 40,0 <5,0 50,0 55* 60.0 6>." Обьо* микягга, ил

ППГ-6000 -ПММ00

ПГЗГ-ЗООО —ГОГ-2000 Смиргоа — ГИМНУ« -ИяуямистшшимГ^ря

Метод МАЛДИ показал, что в образце инулина из топинамбура наибольшая концентрация частиц с молекулярной массой от 2500 до 3500 Эа (п от 16 до 22 фруктозных остатка). В результате опыта установили, что

энергия импульса лазера идет не только на испарение инулина, но и на разрыв межмолекулярных связей цепочки, вследствие чего цепочка разрушается, и на детекторе регистрируются отдельные фрагменты вещества. Можно заключить, что метод МАЛДИ, несмотря на свою точность, требует дальнейшего изучения для использования при анализе полисахаридов.

Таблица 1 - Параметры калибровки и объемы выхода веществ

Стандарт Молекулярная масса, Эа Логарифм молекулярной массы (1о§М) Объем удерживания (Уц), см3

ПЭГ-6000 6000,00 3,78 27,5

ПЭГ-3000 3000,00 3,48 34,2

ПЭГ-2000 2000,00 3,30 36,2

ПЭГ-100 100,00 2,00 56,2

Сахароза 342,30 2,53 45,5

Глюкоза 180,16 2,26 51,0

Фруктоза 180,17 2,25 52,3

Инулин 5200.00 3.72 30,0

Изучение влияния инулина на активность дрожжей.

По стандартной методике определения способности сбраживать углеводы в трубках Дургама были проведены исследования инулиназной активности дрожжей Юиууеготусез тагаапш (ВКМ У-1148) и БассЬаготусез се-геушае -ТЪ В результате установлено, что дрожжи К1. тагаапиз (ВКМ У-1148) и 8. сегеу1з!ае-г8 обладают способностью сбраживать как инулин Ве-пеоЧЖ, так и полученный нами инулин (ТУ 9360-001-50477279-2000, доброкачественность 86%). При культивировании дрожжей К1. татапш и Б. сегеу1Б1ае с добавлением инулина Вепео'шОЯ и инулина из топинамбура энергичное выделение газа начиналось уже через сутки. Установлено, что дрожжи 8. сегеушае более энергично бродят при добавлении инулина из топинамбура. Брожение заканчивалось через 5 суток, по мере использования инулина.

Изучали влияние инулина с доброкачественностью 86% на накопление биомассы дрожжами 8.сегеушае и К1.тагх1апш при культивировании на молочной сыворотке и неохмеленном пивном сусле, а также определяли влияние инулина на изменение газообразующей активности дрожжей .

Установлено, что при увеличении концентрации инулина в сыворотке, повышается интенсивность накопления биомассы дрожжей по сравнению с контрольным образцом (рисунок 4). Максимальное накопление биомассы (12,5 г/л) дрожжами Б. сегеушае наблюдалось при концентрации инулина в среде 5%, что в 3 раза превышает массу клеток в контрольном образце. Наибольшее количество биомассы (10,5 г/л) дрожжей К1. тапаапш выявле-

но при добавлении 4% инулина, что более чем в 2 раза превышает ее в контрольном образце, а при внесении 5% инулина накопление биомассы ниже образца с массовой долей 4% на 24% и составляет 8 г/л.

Контроль (8 сяехтяае) Опыт (Б саегтаае)

■ Контроль (К) пилит») Опьи (К1 шагавши)

Рисунок 4 - Зависимость накопления биомассы дрожжей от содержания инулина в сыворотке

Инулин, «О | Контроль (5 ссттмяае) Олыг (5. | Контроль (К1 тагшш*) Е2 Опыт (К]

Рисунок 5 - Зависимость накопление биомассы дрожжей от содержания инулина в сусле

В надосадочных жидкостях определяли количество редуцирующих Сахаров до и после гидролиза по методу Починка. Внесение инулина в состав питательных сред для выращивания дрожжей от 1% до 5%; не показало существенных различий в его ассимиляции. Это свидетельствует о том, что при культивировании в молочной сыворотке, содержащей инулин, дрожжи К1. тагхшпш и 8. сегеушае используют его интенсивно.

При культивировании дрожжей в сусле (рисунок 5) наибольшее накопление биомассы (12,0 г/л) Б. сеге\'шае-28 наблюдалось при концентрации инулина 3%, что на 30% больше, чем в контроле. Инулин в надоса-дочной жидкости не обнаружен, что свидетельствует о полном его использовании дрожжами. При увеличении концентрации инулина в питательной среде до 4 и 5% накопления биомассы дрожжами снижалось. Концентрация Сахаров в надосадочной жидкости увеличивалась, что свидетельствовало о снижении потребления инулина.

Внесение инулина в количестве 1-4% повышало интенсивность накопления биомассы дрожжей К1. тагмапш. Максимальное накопление биомассы отмечено при концентрации инулина - 1% и составляло 10,8 г/л, что на 23% больше по сравнению с контролем. Увеличение концентрации инулина приводило к увеличению содержания редуцирующих Сахаров в среде, что свидетельствовало о снижении ассимиляции полисахарида. Это подтверждается и снижением скорости накопления биомассы. При концентрации инулина 5% масса дрожжевого осадка не отличается от массы осадка в контроле.

Микроскопический анализ состояния исследуемых дрожжевых культур показал повышение степени упитанности и количества почкующихся клеток на средах с инулином. Количество мертвых клеток, наоборот, в образцах с добавлением инулина снижалось по сравнению с контролем (среда без инулина).

При определении газообразующей активности дрожжей 8,сегеу1з1ае, было установлено, что при увеличении содержания инулина сусле, сбраживание Сахаров самого сусла и инулина наиболее интенсивно в первый час брожения (рисунки 6, 7). Газообразующая активность максимальна при внесении 3% инулина (на 36% больше контрольного образца).

№ 3% 4% ;н

Щ Контроле (сусло) Опыт (С>'СЛО+1Ш)7ШН)

Контроль (сывороты) опыт (сыворотмН>ияуша!)

Рисунок 6 - Зависимость газообразующей активности дрожжей от концентрации инулина в среде

о_

11 ШЛ иу"41 II С 12? 4-'®

60 120 180 240 300 | 60 120 1М) 240 300

Сшоротаа Сусло

Прфлодлапезьмо;» орадгшы. шн. 1 -Кошролъшй оброки .Я г - 14 : 4 г--

5-4Г» а»-?.

Рисунок 7 - Изменение скорости газообразования дрожжей в зависимости от содержания инулина в %

При концентрации инулина в сусле 4 и 5% газообразующая активность превышает этот показатель по сравнению с контролем несколько меньше, чем при внесении 3% инулина и составляет: 135 и 133%, соответственно, по отношению к контролю. В опытах с молочной сывороткой максимальное газообразование наблюдалось при внесении 5% инулина (на 55% больше контрольного образца с сывороткой и на 19% больше образца в сусле с 3% инулина). Интенсивность газообразования в исследуемый период времени была больше на средах с инулином при этой концентрации, как в сусле, так и в молочной сыворотке по сравнению с контрольными образцами. Это говорит об интенсификации использования инулина дрожжами при добавлении сыворотки.

В результате проведенных исследований установлено, что инулин при добавлении его в питательную среду обладает стимулирующим действием на рост и развитие дрожжей 8. сегеушае и К1. тагаапш. Дрожжи Б. сегеушае наиболее интенсивно накапливают биомассу при добавлении 5% инулина в молочную сыворотку и 3%- в сусло. Интенсивность газообразо-

вания наиболее высокая при массовой доле инулина 3% в сусле и 5% в молочной сыворотке. Дрожжжи KI. marxianus наиболее активно накапливают биомассу при добавлении 4% инулина к сыворотке и 1% в сусле. Наибольшая газообразующая активность в среде с инулином 3% и 5%, соответственно, в сусле и молочной сыворотке. Таким образом, молочная сыворотка может быть успешно использована как компонент питательной среды в технологических процессах, основанных на жизнедеятельности дрожжей .

Реологические характеристики полуфабрикатов. В соответствии с задачей по использованию инулина для создания функциональных продуктов питания готовили тесто из пшеничной муки высшего сорта, дрожжей прессованных хлебопекарных, поваренной соли и воды с добавлением молочной сыворотки, инулина, ФГС и топинамбура в различных концентрациях к массе муки. Измерение вязкости осуществляли сразу после замеса теста и в динамике через 30, 60, 90, 120, 150 и 180 мин брожения теста. Для измерения использовали образцы массой 10 г.

При внесении инулина в тесто в концентрации от 0 до 8% (рис. 8 А) наблюдается снижение значений касательного напряжения сдвига и, соответственно, эффективной вязкости теста сразу после замеса. При гидролизе инулина, редуцирующие сахара способны образовывать комплексы (глико-протеиды) с белками муки, упрочняя структуру белка и, соответственно, повышая эффективную вязкость по сравнению с контрольным образцом.

При добавлении молочной сыворотки (рис. 8 В и С), в количестве 10 и 20% к массе муки эффективная вязкость образцов сразу после замеса, как и при добавлении инулина, была ниже вязкости в образцах без сыворотки. Добавление сыворотки расслабляет внутримолекулярную и внутриглобу-лярную структуру белкового вещества, что приводит к снижению показателей эффективной вязкости образцов с сывороткой. Минимальное значение исследуемого показателя наблюдается в образце с добавкой 8% инулина и 20% молочной сыворотки, что на 628,13 Па«с меньше, чем в контрольном образце (без добавок).

При внесении ФГС в тесто (рис. 9 А) происходит снижение его эффективной вязкости сразу после замеса. Через 60-90 мин наблюдается закрепление образцов, наиболее высокими показателями в конце брожения характеризуется образец с наименьшей дозировкой ФГС (3%), далее с дозировкой 6% и 8%. Добавление молочной сыворотки расслабляет клейковину теста, что возможно связано с влиянием лактозы, лактулозы и солей аммония на белково-протеиназный комплекс муки. Несмотря на дегидратирующее (расслабляющее) действие в начале брожения, добавление ФГС приводит к закреплению теста к концу брожения. Это происходит тем быстрее, чем ниже дозировка ФГС в образцах. Добавление 8% ФГС к образцам без

сыворотки снижает эффективную вязкость полуфабрикатов сразу после замеса на 29% по сравнению с контролем, к концу брожения (120-180 мин.) показатели эффективной вязкости образца с контролем практически уравниваются (образец с 8% ФГС).

Продолхзпедьность брожения, мпн

5 1200

5 1000 я

В 800 -6г:

600

| 1200

XI;

30 60 90 120 150 ISO Ч^ 3; Продолжительность 4.

брожетпи, МИН

№

S 4

с 0

>ч 1

зо ба во з:о i5o iso s^ 3 Продолжительность X. 4. брОЖСТПМ, мин

Рисунок 8 - Изменения эффективной вязкости теста в процессе брожения: А - без внесения молочной сыворотки; В - с внесением 10% молочной сыворотки; С - с внесением 20% молочной сыворотки; дозировка инулина 1 -0%; 2-3%; 3-6%; 4-8%

X 1 Ч!

30 60 90 120 150 IRQ N4 3 Продолжительность X, брожеяил, viffl

| 1200

* \ \

\ \

N * fci

* Ч

5 1200 *

s 1000

ао «а 90 w 150 т > 3. Продолжительность ^ 4.

4 ft,

\ \\ \ \

30 60 90 1:0 1J0 Продолжительность брожения, мин

\3:

брожент, млн

Рисунок 9 - Изменения эффективной вязкости теста в процессе брожения: А - без внесения молочной сыворотки; В - с внесением 10% молочной сыворотки; С - с внесением 20% молочной сыворотки; дозировка ФГС 1 - 0%; 2 -3%; 3-6%; 4-8%.

В образцах с добавлением 20% молочной сыворотки и 3% ФГС увеличение эффективной вязкости по сравнению с контролем происходит после

30 мин. брожения, при добавлении 6% ФГС после 45 мин., 8% ФГС после 100 мин. брожения. При дозировке ФГС 3% эффективная вязкость увеличивается наиболее быстро. Исходя из данных, полученных в эксперименте, при разработке функциональных пищевых продуктов необходимо предусматривать увеличение начальной влажности теста в зависимости от дозировки молочной сыворотки, инулина и ФГС. Это необходимо для достижения оптимальной влажности в конце стадии брожения, что в свою очередь обеспечит высокое качество готовых продуктов.

Качественное и количественное определение инулина и ФГС в сырье и готовых продуктах. Для качественного подтверждения наличия инулина и ФГС в сырье и готовых изделиях, в работе был использован метод тонкослойной хроматографии. Хроматографирование производили восходящим способом, трехкратным элюированием смесью дистиллированной воды, уксусной кислоты и н-бутанола. Количественное определение инулина и ФГС осуществляли химическими методами, в частности резорциновым методом. Результаты измерений представлены на рисунках 10 и 11. При увеличении дозировок инулина и ФГС в рецептуре продукта увеличивалось содержание инулина и фруктозы в готовом продукте.

Рисунок 10 - Содержание инулина в Рисунок 11 - Содержание фруктозы готовом в зависимости от дозировки в готовом продукте в зависимости

Антиоксидантная активность сырья и готовых изделий. Определялось влияние инулина, ФГС и молочной сыворотки на изменение антиок-сидантной активности (АОА) хлебобулочных изделий в зависимости от их дозировок.

Измерение АОА на кулонометре «Эксперт-006-антиоксиданты». В

таблице 2 представлена суммарная антиоксидантная активность (CAOA) (X) образцов инулина из топинамбура, ФГС и инулина фирмы Sigma. Инулин обладает низкой САОА (высокоочищенный инулин Sigma), а высокие показатели САОА у инулина и ФГС из топинамбура можно объяснить наличием

инулина и сыворотки

от дозировки ФГС и сыворотки

примесей иных биологически активных веществ. Результаты исследования САОА образцов хлебобулочных изделий с инулином и молочной сывороткой представлены на рисунке 12.

Таблица 2 - Суммарная антиоксидантная активность образцов инулина и ФГС мг на 100 г продукта (стандарт - рутин) ____

Образцы X АХ Sx S Е%, отн

Инулин из топинамбура 1590,71 65,23 0,020 26,29 4,10

Высокоочищенный инулин Sigma 10,23 0,23 0,010 0,14 2,25

Фруктозо-глюкозный сироп 1629,87 31,24 0,008 12,54 1,92

Повышение АОА готовых изделий пропорционально увеличению содержания инулина и молочной сыворотки. Эффект увеличения САОА в зависимости от дозировки инулина и сыворотки в совокупности можно объяснить образованием веществ, повышающих САОА продукта (гидроксиме-тилфурфурол, диоксисоединения, производные фурана и т.д.). Внесение сыворотки увеличивает начальную кислотность теста, что также способствует интенсификация этого процесса.

При повышении доли редуцирующих Сахаров ФГС (рис. 13), проявляется дегидратирующее действие на белки клейковинного каркаса, повышение содержания свободных ОН-групп, что снижает САОА готового продук-

та.

□ 800

tZPSO □ ™>

СЛ «о П 6М

Рисунок 12 - Изменение суммарной антиоксидантной активности образцов в зависимости от внесения сыворотки и инулина, мг на 100 г (стандарт - рутин)

□ «о

□ »о

□ 55»

Рисунок 13 - Изменение суммарной антиоксидантной активности в зависимости от внесения сыворотки и ФГС, мг на 100 г (стандарт - рутин)

Измерение АОА на анализаторе «ЦветЯуза-01-АА». В таблице 3 представлена АОА исследованных образцов инулина, выделенного из клуб-

ней, которые различались по месту выращивания (г.Воронеж; Воронежская область, Рамонский район) и времени сбора (середина и конец октября). В качестве образцов сравнения использовали высокоочищенный инулин из цикория фирм Sigma и Orafti (содержание инулина со степенью полимеризации >5 - 99%, средняя степень полимеризации > 23).

Таблица 3 - АОА исследуемых образцов (стандарт - кверцетин)

Наименование образцов АОА, мг/100 г

Инулин Sigma 0,11

Инулин Beneo Orafti 0,14

Инулин из топинамбура (партия 1) 6,65

Инулин из топинамбура (партия 2) 11,39

Инулин из топинамбура (партия 3) 6,47

ФГС из топинамбура 1,23

Наибольшая АОА определена у инулина из топинамбура (партия 2), наименьшая - у образцов сравнения из цикория.

При исследовании влияния инулина из топинамбура на АОА хлебобулочных изделий в процессе хранения, измерения осуществляли через 6 ч, 24 ч, 48 ч, 72 ч после выемки из печи (рис. 14).

Наибольшая АОА после 6 ч хранения соответствует контрольному образцу. При увеличении содержания инулина АОА снижается и достигает минимальной величины при 8%. Инулин повышает АОА через 24 ч хранения.

На рисунках 15 и 16 представлено изменение АОА хлебобулочных изделий в зависимости от внесения инулина и сыворотки, ФГС и сыворотки.

Инулин из топинамбура, как и любой полисахарид, не обладает восстанавливающими свойствами, однако внесение инулина с доброкачественностью 86%, полученного по модифицированной методике, повышает АОА продукта с увеличением его дозировки. Возможно, это связанно с веществами, образующимися в процессе приготовления продукта. Таким образом, использование в пищевой промышленности инулина с меньшей доброкачественностью целесообразно.

Рисунок 14 - Изменение АОА хлебобулочных изделий с инулином при хранении, мг/100 г (стандарт аскорбиновая кислота)

Пнуяин. * е

Изменение АОА в за-

Рисунок 15 висимости от внесения сыворотки и инулина, г/100 мг (стандарт - квер-цетин)

Рисунок 16 - Изменение АОА в зависимости от внесения сыворотки и ФГС, г/100 мг (стандарт - кверце-тин)

Определение аромата хлебобулочных изделий сенсорными методами. С помощью мультисенсорной системы установили, что, несмотря на отсутствие различий при органолептической оценке, аромат хлебобулочных изделий с добавлением сыворотки и инулина менялся. При увеличении дозировки инулина в образце, его аромат приближался к аромату порошка инулина из топинамбура.

В образцах с массовой долей сыворотки 10% увеличение дозировки инулина смещает площадь «визуальных образов» ароматов хлебобулочных изделий в плоскость образцов без сыворотки, т.е. специфический запах вносимых в продукт образцов нивелируется.

Рисунок 17 - Компонентный анализ хлебобулочных изделий с сывороткой и инулином: 1 - без внесения добавок (контроль); 2 - 0% сыворотки, 5% инулина; 3 - 0% сыворотки, 8% инулина; 4 - 10% сыворотки, 0% инулина; 5-10% сыворотки, 5% инулина; 6 - 10% сыворотки, 8% инулина; 7 - 20% сыворотки, 0% инулина; 8 - 20% сыворотки, 5% инулина; 9 - 20% сыворотки, 8% инулина; 10 - порошок инулина из топинамбура

(ГЗ

9 10 о О

Г1)

■ о '*''•—З1

Пшняя

По суммарной оценке всех исследуемых показателей наиболее рационально внесение в изделия: - 5% инулина и 10% молочной сыворотки Это

соответствует удельному объему 323 г/см3 и 77% пористости. При выработке изделий с добавлением ФГС и молочной сыворотки целесообразно внесение их в количестве 7 и 10% соответственно. При этом удельный объем составляет 313 г/см3, пористость 89%.

Установлено, что несмотря на снижение показателей хлебобулочных изделий с рациональной концентрацией инулина и ФГС, внесение указанных дозировок позволяет, прежде всего, сохранить функциональные свойства продукта, т.к. остаточное содержание инулина составляет 2,3% (для изделий с инулином); фруктозы - 3,4% (для изделий с ФГС). При рекомендованных институтом питания РАМН 279 г хлеба в сутки, хлеб с инулином обеспечивает удовлетворение потребности в пищевых волокнах на 32% (6,5 г инулина) без учета пищевых волокон уже присутствующих в хлебе из муки пшеничной (2,7%). Хлебобулочные изделия с добавлением ФГС, калорийность которых не повышается, обладают высокими органолептическими свойствами.

Глава 4 Технико-экономическая оценка разработанных продуктов.

Определение конкурентных возможностей той или иной продукции возможно только при определении потребности и стоимости основного и дополнительного сырья на производство условной единицы продукции.

Исходя из расчетов отпускная цена 1т. хлебобулочных изделий с молочной сывороткой и инулином составляет 32,20 тыс. руб., что соответствует при массе единицы продукта 300 г - 9,70 руб. за 1 шт., изделия с молочной сывороткой и ФГС - 36,02 тыс. руб. соответствует - 10,80 руб. за 1 шт. Предложенные функциональные пищевые продукты являются конкурентоспособными. Полученная цена находится приблизительно в середине ценового диапазона установившегося для диетических хлебобулочных изделий.

Выводы

1. Доказано, что по модифицированной технологии, включающей обработку инулиносодержащего сырья ферментным препаратом и сокращающей технологические стадии производства, можно получить инулин из топинамбура с доброкачественностью 86%;

2. Установлено, что инулин, полученный из топинамбура по модифицированной технологии, имеет среднюю молекулярную массу, определенную методом гельпроникающей хроматографии, 5200 Оа (г/моль), что соответствует 32 фруктозным остаткам;

3. Разработана технология получения сухого экстракта с влажностью 8-10% из цикория корневого обыкновенного, содержащего не менее 85% фрук-тозанов со степенью полимеризации более 2;

4. Показано, что инулин оказывает стимулирующее действие на дрожжи Saccharomyces cerevisiae-ZS и Kluyveromyces marxianus - ВКМ Y-1148 при их культивировании в молочной сыворотке и пивном сусле. Максимальное накопление биомассы дрожжей рода Saccharomyces в молочной сыворотке наблюдается при концентрации инулина 5%; в пивном сусле -3%; для дрожжей рода Kluyveromyces в молочной сыворотке - 4%, в пивном сусле -1%;

5. Доказано, что использование инулина, молочной сыворотки и ФГС улучшает качество функциональных продуктов. Максимальное увеличение АОА (на 52% по сравнению с контролем) отмечено при добавлении 8% инулина с 20% молочной сыворотки;

6. Установлено, что при добавлении 5% инулина с 10% молочной сыворотки и 7% ФГС с 10% молочной сыворотки улучшаются органолептиче-ских и физико-химических свойства функциональных пищевых продуктов.

Основные результаты диссертации опубликованы

в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Соколенко, Г.Г. Применение инулиносодержащей биодобавки при сбраживании молочной сыворотки и пивного сусла дрожжами Sacharomyces cerevisiae и Kluyveromyces marxianus / Г.Г. Соколенко, С.А. Яровой, К.К. Полянский // Биотехнология. - 2010. - №6. - 0,32 п.л. (лично автором - 0,11 п.л.).

2. Яровой, С.А. Комплексное влияние инулина и молочной сыворотки на развитие дрожжей рода Saccharomyces / С.А. Яровой, Г.Г. Соколенко, В.В. Манешин, К.К. Полянский // Вестник ВГАУ. - 2010. - №4 (27). - 0,29 п.л. (лично автором - 0,07 п.л.).

3. Рудаков, О.Б. Исследование продуктов комплексной переработки топинамбура методом гель-проникающей и тонкослойной хроматографии при создании продуктов функционального питания / О.Б. Рудаков, С.А. Яровой, Г.Г. Соколенко, К.К. Полянский // Сорбционные и хроматографиче-ские процессы. - 2010. - Т.Ю.Вып.6. - 0,38 п.л. (лично автором - 0,1 п.л.).

4. Яровой, С.А. Состояние и перспективы развития рынка хлебобулочных изделий / С.А. Яровой, К.К. Полянский, A.A. Яровой // Хлебопродукты. -2009. - № 12. - 0,15 п.л. (лично автором - 0,05 п.л.).

5. Лапин, A.A. Хлебобулочные изделия для функционального питания и их антиоксидантные свойства / А.А Лапин, С.А. Яровой, К.К. Полянский //Бутлеровские сообщения. - 2010. - Т.21.№9 - 0,97 п.л. (лично автором -0,32 пл.).

Статьи и материалы конференций

1. Яровой С.А. Перспективы производства экологически чистых продуктов питания / С. А. Яровой // Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания. Материалы научно-практической конференции, посвященной 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ имени К.Д. Глинки. - Воронеж, 2008 г. - 0,13 п.л. (лично автором - 0,13 п.л.).

2. Полянский, К.К. Влияние инулина на активность дрожжей при сбраживании молочной сыворотки / К.К. Полянский, С.А. Яровой, Г.Г. Соколенке // Переработка молока. - 2010. - №6. - 0,19 п.л. (лично автором -0,06 п.л.).

3. Яровой, С.А. Влияние молочной сыворотки, инулина и фруктозо-ппокозного сиропа из топинамбура на реологические характеристики теста / С.А. Яровой, Е.И. Пономарева, К.К. Полянский // Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию факультета технологии молочных продуктов Омского государственного аграрного университета. - Омск, 2011 г. - 0,30 п.л. (лично автором - 0,10 п.л.).

4. Яровой, С.А. Влияние функциональных ингредиентов (молочная сыворотка, инулин, фруктозо-глюкозный сироп) на антиоксидангные свойства пищевых продуктов / С.А. Яровой, П.Н. Савин, К.К. Полянский // Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию факультета технологии молочных продуктов Омского государственного аграрного университета - Омск, 2011 г. - 0,24 п.л. (лично автором - 0,08 п.л.).

Изобретения

1. Способ получения сухого экстракта из цикория корневого обыкновенного / Манешин В.В., Полянский К.К, Артемьев В.Д., Васильева Ю.П., Магомедов М.Г., Манешина Е.В., Яровой С.А. - № 2007128490/13(031023).

Подписано в печать 25.11. 2011. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

ФГБОУ ВПО «Воронежский пхударственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии 394036, Воронеж, пр-т. Революции, 19

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Яровой, Сергей Анатольевич, Воронеж

61 12-5/1276

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЯРОВОЙ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

БИОТЕХНОЛОГИЯ ИНУЛИНА И ЕГО ПРАКТИЧЕСКОЕ

ПРИМЕНЕНИЕ

Специальность: 03.01.06 - «Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Полянский К. К.

Воронеж 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6 Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Характеристика инулиносодержащего сырья как объекта биотехнологии 10

1.1.1 Состав, свойства и применение инулина 10

1.1.2 Сравнительная характеристика цикория и топинамбура как сырья для производства инулина 14

1.2 Технологии получения инулина из инулиносодержащего растительного сырья 20

1.2.1 Технологии получения инулина из цикория 20

1.2.2 Технологии получения инулина из топинамбура 21

1.3 Существующие методики определения инулина 26

1.4 Влияние инулина на рост и развитие дрожжевых культур 28

1.5 Инулин как функциональный компонент при создании пищевых продуктов 30 Глава 2 Объекты и методы исследований

2.1 Организация работы и схема проведения исследований 34

2.2 Объекты и методы исследований 36

2.2.1 Физико-химические методы исследований 37

2.2.2 Химические методы исследований 49

2.2.3 Биохимические методы исследований 52

2.3 Технология получения ФГС из топинамбура 54

2.4 Математическая обработка экспериментальных данных 55 Глава 3 Биотехнология инулина: получение, изучение физико-химических показателей и применение

3.1 Разработка и модификация технологий получения инулина из цикория и топинамбура 56

3.2 Определение молекулярной массы инулина 60

3.2.1 Определение молекулярной массы инулина методом гельпроникающей хроматографии 60

3.2.2 Определение молекулярной массы инулина методом МАЛДИ 63

3.3 Изучение влияния инулина на активность дрожжей Saccharomyces cerevisiae-ZS и Kluyveromyces marxianus ВКМ Y-l 148 65

3.3.1 Метаболизм дрожжей при культивировании на молочной сыворотке 68

3.3.2 Метаболизм дрожжей при культивировании на сусле 71

3.3.3 Оценка физиологического состояния дрожжей при культивировании 75

3.3.4 Влияние инулина на газообразующую активность дрожжей Saccharomyces cerevisiae-ZS 79

3.4 Влияние инулина, ФГС и молочной сыворотки на реологические характеристики полуфабрикатов 81

3.5 Технология хлебобулочных изделий с инулином, ФГС и молочной сывороткой 88

3.6 Качественное и количественное определение инулина и ФГС в

сырье и готовых продуктах 92

3.7 Антиоксидантная активность сырья и готовых изделий 94

3.7.1 Измерение АОА на кулонометре «Эксперт-006-антиоксиданты» 97

3.7.2 Измерение АОА на анализаторе «ЦветЯуза-01 -АА» 98

3.8 Влияние инулина, ФГС и молочной сыворотки на

органолептические и физико-химические показатели готовых изделий 105

3.8.1 Реологические характеристики готовых изделий 109

3.8.2 Определение аромата хлебобулочных изделий сенсорными методами ИЗ

3.8.3 Влияние инулина, ФГС и молочной сыворотки на цветометрические характеристики готовых изделий 115

3.9 Влияние инулина, ФГС и молочной сыворотки на изменение удельного объема и пористости 120

Глава 4 Технико-экономическая оценка разработанных пищевых продуктов

4.1 Маркетинговая оценка инулина и функциональных продуктов 126

4.2 Оценка экономической эффективности производства пищевых продуктов с инулином и ФГС 129 Выводы 133 Список использованной литературы 135 Приложения 150

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ДИССЕРТАЦИИ

РАМН - Российская академия медицинских наук;

БАД - биологически активная добавка;

ФГС - фруктозо-глюкозный сироп;

АО - антиоксиданты;

АОА - антиоксидантная активность;

САОА - суммарная антиоксидантная активность;

МАЛДИ, MALDI - метод матрично-активированной лазерной

десорбции/ионизации;

ТСХ, TLC - тонкослойная хроматография;

ГПХ - гельпроникающая хроматография (гель-фильтрация);

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ЖКТ - желудочно-кишечный тракт;

СВ - сухие вещества;

ОП - оптическая плотность;

ВКМ - Всероссийская коллекция микроорганизмов.

ВВЕДЕНИЕ

Объем рынка инулина в РФ составляет 15-20 тыс. тонн в год. В настоящее время инулин в Российской Федерации не производится, а высокофруктозйые сиропы готовятся изомеризацией глюкозных сиропов, полученных гидролизом крахмалсодержащего сырья. Экспортом инулина в Россию занимается бельгийская компания Beneo-Orafti, которая также занимает 70% мирового рынка инулина. Остальную долю делят между собой компании Cosucra из Бельгии и Sensus из Голландии.

Основным, широко применяемым способом производства инулина является его выделение из инулиносодержащего растительного сырья, К наиболее известным инулиносодержащим растениям относят: якон, цикорий, топинамбур, лопух большой, одуванчик лекарственный и др. Из них наиболее перспективными растениями являются топинамбур и цикорий, обладающие уникальным химическим составом и высоким содержанием инулина. Топинамбур и цикорий нашли широкое применение в диетическом питании как в нативном виде, так и в виде комбинированных продуктов. Продукты, содержащие инулин рекомендуются при широком спектре заболеваний. В настоящее время известны многочисленные исследования по данной проблеме ученых (Жеребцов H.A., Корнеева О.С., Пащенко Л.П., Зеленков В.Н., Манешин В.В., Бобровник Л.Д., Голубев В.Н. и др.).

Наряду с актуальностью проблемы получения инулина, не менее актуально получение полифруктозида с различной молекулярной массой и достоверность определения этого показателя. По литературным данным эта величина имеет широкий диапазон 315-6000. В тоже время согласно медицинским исследованиям наиболее полезным является инулин с молекулярной массой более 4000 Da. Кроме того, в настоящее время недостаточно полно изучено влияние инулина на метаболическую активность дрожжевых культур при получении биомассы.

Целью исследования было научное и практическое обоснование способов получения инулина из инулиносодержащего растительного сырья и его использование в биотехнологии дрожжей и пищевой промышленности. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

2. разработать технологию получения инулина из инулиносодержащего растительного сырья;

3. определить состав и свойства полученного инулина и фруктозо-глюкозного сиропа;

4. исследовать влияние инулина на интенсификацию метаболической активности дрожжей;

Научная новизна исследований. Впервые подобраны условия гельхроматографирования растворов, содержащих инулин, и определена его молекулярная масса.

Научно обосновано применение инулина для интенсификации метаболической активности дрожжей БассИаготусез сегеу1з!ае-28 и КЛиууеготусеБ шагаапш - ВКМ У-1148.

Установлено совместное влияние инулина и молочной сыворотки, фруктозо-глюкозного сиропа и молочной сыворотки на технологические процессы и качество готовых пищевых продуктов.

Техническая новизна работы подтверждается патентом РФ № 2428885 от 20.06.2010.

Практическая значимость работы.

Получен высокомолекулярный инулин из топинамбура по модифицированной технологии и проведена апробация его использования при создании функциональных пищевых продуктов в условиях Производства на ООО «Исток».

Установлены рациональные дозировки фруктозо-глюкозного сиропа и молочной сыворотки при созданий функциональных пищевых продуктов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях преподавательского состава и научных работников ВГАУ (г. Воронеж, 2007 - 2010 гг.);

Научные положения, выносимые на защиту:

1. технология получения инулина из цикория и модифицированная технология получения инулина из топинамбура;

3. способ интенсификации метаболической активности дрожжей добавлением инулина при производстве биомассы;

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 статьей в журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент. Общий объем публикаций 2,97 п.л., из них вклад автора - 1,03 п.л.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 150 страницах, включая 17 таблиц и 53 рисунка. Список литературы включает 178 источников российских и зарубежных авторов.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Характеристика инулиносодержащего сырья как объекта биотехнологии

Инулин подобно крахмалу, служит запасным углеводом и встречается во многих растениях. Известно около 36000 растений, содержащих это натуральное растительное волокно, инулин входит в состав оболочек зерен пшеницы и ржи, которые удаляются при производстве муки. В настоящее время в качестве инулиносодержащего растительного сырья используется топинамбур, георгин, цикорий, одуванчик, якон, девясил и т.д. В России к наиболее перспективным культурам для его получения относят цикорий и топинамбур. Как правило, в растениях вместе с инулином встречаются родственные углеводы - инуленин, левулин, псевдоинулин, иризин и др., которые при гидролизе также дают D-фруктозу и глюкозу [9,55, 100, 104,105, 112, 137,145,158].

1.1.1 Состав, свойства и применение инулина

Инулин принадлежит к группе веществ под названием «фруктаны», которые представляют собой натуральные олиго- и полисахариды. Фруктаны состоят, в основном, из фруктозы, соединенной гликозидными связями, могут иметь, как минимум, один остаток глюкозы, соединенный с фруктозой по принципу молекулы сахарозы. Однако наличие глюкозы не является необходимым, некоторые фруктаны начинаются с молекулы фруктозы. Основной их характеристикой является степень полимеризации, т.е. количество остатков фруктозы. Молекулярное строение фруктанов может иметь как линейную, так и разветвленную структуру.

Инулин это общее название класса, который охватывает все фруктаны с линейной структурой, соединенной р-(2,1) гликозидными связями. Этот тип связи дает инулину свои уникальные физиологические и структурные свойства. Из-за р-связи в молекуле, инулин не гидролизуется под действием энзимов слюны и тонкого кишечника человека. Пищеварительные ферменты человека специфичны для а-гликозидных связей. В результате чего фруктаны

типа инулин являются неперевариваемыми и ферментируются только в толстом кишечнике [7,45].

Общепринято к инулину относить углеводы из группы полисахаридов, состоящие из остатков £)-фруктозы соединенных (3-(2,1) гликозидными связями и одного остатка а-О-глюкопиранозы. Инулин в чистом виде, это белый кристаллический порошок, легко растворимый в горячей воде (36,5 % при 100°С) и трудно в холодной (0,02 % при 14°С). Молекулярная масса 5000-6000, молекула инулина - (СбНю05)п имеет форму цепочки, в которой гексозы соединены между собой полуацетальными гидроксилами между первым и вторым углеродными атомами. Имеет сладкий вкус. При гидролизе под действием кислот или фермента инули-назы образует 1>-фруктозу и небольшое количество глюкозы. Инулин, как и промежуточные продукты его ферментативного расщепления - инулиды, не обладает восстанавливающими свойствами [81].

Исследования древних стоянок человека позволили выдвинуть гипотезу о ежедневном употреблении 50 г инулина древним человеком, современная рекомендуемая дозировка составляет 5-15 г/сутки. Известно, что инулин обладает лечебно-профилактическими свойствами. Весь инулин употребленный в пищу достигает кишечника, избирательно стимулируя рост и метаболическую активность определенных видов бактерий. Инулин и его коротко-цепочные производные - олишфруктозиды в равной степени являются пре-биотиками. Длинноцепочный инулин перерабатывается медленней, чем ко-роткоцепочная фракция (СП<10) и имеет возможность стимулировать мета-

СНгОН

НЖ----°\Н

< он н >

ош-----/

он

н он

НОНгС

Н 01^

НОНаС

<н о: н

НОНгС //О

н о

8 &

:нюн

Рисунок 1.1 - Схематической изображение молекулы инулина

болическую активность в более отдаленных отделах кишечника. Таким образом, длинноцепочный инулин (СП>25) имеет более выраженные пребиотиче-ские свойства по сравнению с короткоцепочной олигофруктозой. Однако, на практике показано, что наибольший эффект оказывает комбинация инулина с различной длиной молекулярной цепочки.

На сегодняшний день, выделяются два основных направления использования инулина: фармацевтическая и пищевая промышленность. В фармацевтике инулин используется в виде биологически активных добавок (капли, таблетки) для профилактики и лечения различных заболеваний. Ежедневное употребление инулина значительно повышает количество бифидобактерий в кишечнике и снижает количество патогенных бактерий (Salmonella, Listeria, Campilobacter, Bacteroides, Proteus, Staphylococci, Veillonellae, Enterococci, Streptococci spp.) и ентеропатогенних (E.coli, Clostridium perfringens и Vibrio cholerae), способствует повышению иммунитета, стимулирует работу поджелудочной железы, нормализует количество глюкозы и липидов крови, снижает количество холестерина и тригаицеридов в крови и печени, понижает кровяное давление у пожилых людей с гиперлипидемией, снижает количество токсичных метаболитов и тяжелых металлов (Ва, Sr), улучшает минеральную адсорбцию (Са2+, Mg2+, Fe2+, Р043"), используется как добавка, улучшающая углеводный и липидный обмен у больных сахарным диабетом и т.д. Некоторые производные инулина обладают противоопухолевым действием, могут служить инъекционным препаратом для введения железа, противовоспалительным средством, а также для диагностики функционального состояния почек (инулиновый тест) [37,45, 48, 55, 87, 89,123].

В пищевой промышленности благодаря своим свойствам, инулин и порошки с высоким его содержанием используют как пищевую добавку при производстве продуктов функционального питания. К наиболее известным продуктам с инулином, появившимся в последнее время на рынке, можно отнести продукты на молочной и кисломолочной основе, хлебобулочные и кондитерские изделия, алкогольные и кофейные напитки, соки, растительные

масла, детское питание и т.д. В настоящее время в России приобретают популярность продукты с инулином: биокефир «Эффективный» компании «Вимм-Билль-Данн», питьевые йогурты «Эрмигурт prebiotic» компании «Эрманн», детская каша Heinz с пребиотиками, кофе «Для похудения» компании «Лео-вит Нутрио» и др.

Инулин используется не только как пребиотическое пищевое волокно (функциональные продукты питания), но и как технологический ингредиент. При взаимодействии с водой инулин способен образовывать гелеобразную структуру, схожую со структурой жира, тем самым выступая в роли жирозаменителя, стабилизатора эмульсий и аэрированных продуктов [15, 52, 88, 129, 178].

Инулин служит исходным материалом для промышленного получения фруктозы в виде фруктозо-глюкознош сиропа (ФГС), который применяется как подсластитель пищевой промышленности. ФГС используется в производстве мороженого, соков и напитков, в кондитерской и хлебопекарной промышленности и т.д. с целью замены сахара на фруктозу. Преимуще

Информация о работе

Яровой, Сергей Анатольевич
кандидата технических наук
Воронеж, 2011
ВАК 03.01.06

Диссертация

Биотехнология инулина и его практическое применение - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы