Разработка технологии подготовки корзинок-соцветий подсолнечника для получения пищевого пектинового экстракта

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»

УДК 664.8.022.6

05.00.00 Технические науки

Разработка технологии подготовки корзинок-соцветий подсолнечника для получения пищевого пектинового экстракта

Родионова Людмила Яковлевна

д.т.н., профессор

Косарева Оксана Ивановна аспирант

В статье приведены результаты исследований по подготовке корзинок-соцветий подсолнечника для получения пищевого пектинового экстракта. Изучено влияние ферментных препаратов на органолептические и физико-химические показатели гидратопектина и определены оптимальные параметры ферментной обработки, такие как концентрация используемых ферментных препаратов, температура и продолжительность обработки

Ключевые слова: корзинки-соцветия подсолнечника, ферментный препарат, гидратопектин, пектиновые вещества

ферментный подсолнечник пектиновый

Пектиновые вещества - это физиологически активные полисахариды типа рамногалактуронан, представляющие собой полимеры D-галактуроновой кислоты [1]. Они содержатся в различных растениях: овощах, фруктах, пряно-ароматическом и дикорастущем сырье. Количественное содержание пектина в зависимости от источника колеблется в пределах 0,8-28% к сухой массе растительного сырья [2]. Пектиновые вещества существуют в нескольких формах: нерастворимой (протопектин) и растворимой в воде, свободной галактуроновой кислоте и ее солей. Сырье, содержащее более 70% протопектина к сумме пектиновых веществ, считается экономически выгодным для получения пектина [3].

Основными промышленно значимыми источниками пектина являются кожура цитрусовых, яблочные выжимки, корзинки-соцветия подсолнечника и жом сахарной свеклы.

В корзинках-соцветиях подсолнечника пектиновые вещества находятся в белой внутренней ткани корзинки в основном в водонерастворимой форме, который составляет 53-72% от общего количества пектиновых веществ и составляет основу пекто-целлюлозной оболочки клетки и срединной пластинки, и служат цементирующим веществом, скрепляющим клетки в единую ткань [4].Поскольку протопектин включен в оболочку растительной клетки, то для увеличения выхода пектиновых веществ необходимо разрушить связь между ним и целлюлозой.Также необходимо учитывать, что корзинки подсолнечника в своем составе имеют большое количество различных углеводов: целлюлозы, сахаров, а такжекрасящих, ароматических, белковыхи других балластных соединений, присутствие которых не позволяет без дополнительной обработки получить качественные пектиновые экстракты, так как эти вещества не только затрудняют выход пектиновых веществ, но и обуславливают специфический вкус и аромат пектинового экстракта.

Поэтому, при производстве пектина и пектинопродуктов необходимо уделять особое внимание предварительной подготовке сырья, для максимально полного удаления из него восстанавливающих сахаров, веществ белкового характера и других балластных соединений.

С учетом этих факторов для получения пектиновых экстрактов целесообразно использовать предварительную ферментную обработку. Поскольку целлюлоза имеет прочные химические связи с протопектином, для его выделения необходимо разрушить эти связи [5].

Известно, что в корзинках подсолнечника содержится около 26% целлюлозы, которая и является субстратом для целлюлолитических ферментов, а количество протопектина колеблется от 22% до 25%. Разрыв целлюлозных цепочек, с которыми связан пектин, под действием фермента, способствует освобождению пектина, из растительного материала.

Ферментативная деструкция целлюлозы может происходить под действием нескольких ферментов, собранных в полиферментные системы (комплексы), состоящие из экзо- и эндоферментов. Их совместное функционирование позволяет с максимальной эффективностью превращать целлюлозу в мономерные единицы [6].

Протопектин представляет собой макромолекулярный комплекс, в который, кроме пектиновых веществ, входят целлюлоза, катионы (Ca, Mg) и анионы (фосфат). Первичная стенка клетки представляет собой макромолекулу, компоненты которой тесно взаимосвязаны. Между мицеллами целлюлозы и ксилоглюканом существуют многочисленные водородные связи. В свою очередь, ксилоглюканковалентносвязан с боковыми галактановыми цепями пектиновых веществ, а пектиновые вещества через арабиногалактанковалентно связаны со структурным белком.

Учитывая, что клеточные стенки отличаются относительно высоким содержанием двухвалентных катионов, в основном Са и Mg (0,5... 1,0 %), между пектиновыми молекулами, содержащими свободные карбоксильные группы, могут возникать хелатные связи в виде солевых мостиков.

Ранее исследователями научной школы Л.В. Донченко было проведено изучение целесообразности использования в производстве пектина и пектинового экстракта из корзинок-соцветий подсолнечника ферментов с высокой целлюлолитической активностью для ослабления связей и снижения жестких режимов гидролиза-экстрагирования. Экспериментальные исследования подтвердили их целесообразность [4]. Однако, в настоящее время, промышленное производство подобных ферментных комплексов приостановлено. Поэтому, в ходе исследования, изучалисьновые виды ферментных препаратовиспользуемые, в настоящее время, в биотехнологии.

Целью настоящих исследований явилось следующее: выбор ферментных препаратов, подходящих для обработки корзинок-соцветий подсолнечника для получения пектинового экстракта, и разработка оптимальных параметров обработки сырья перед гидролизом-экстрагированием. На первом этапе исследований проводилась предварительная обработка корзинок-соцветий подсолнечника различными ферментными препаратами, с высокой целлюлолитической и пектолитической активностью. В ходе исследования изучалось влияние концентрации фермента, длительности обработки и вида фермента на выход пектина и качество пектинового экстракта.

Для этого в качестве объектов исследования были выбраны ферментные препараты Celluclast (Дания), Viscozyme (Дания) и Депектил Кларификэйшн (Франция), обладающие целлюлолитической, целлюлозно-пектолитической и пектолитической активностью. Ферментный препарат Celluclastи Viscozуmeпредставляют собой жидкость светло-коричневого цвета, а Депектил Кларификэйшн, содержащий три главных пектолитических фермента (пектинэстераза, полигалактуроназа и пектинлиаза), представлен в виде порошка.

Исследование проводилось следующим образом: перед закладкой на хранение заготовленные и измельченные корзинки подсолнечника высушили до воздушно-сухого состояния в течение 2 часов при температуре 100oC, для инактивации ферментов, содержащихся непосредственно в сырье и влияющих на сохранность пектиновых веществ, в процессе хранения. Затемсырье промывалось водой комнатной температуры иподвергалось предварительной обработкес использованием растворов ферментных препаратов различной концентрации и временем обработки -1, 1,5, и 2 часа, температурой обработки - 40оС, 45оС, 50оС, при этом гидромодуль поддерживался равным 1:15. Далее жидкая фаза сливалась, сырье промывалось водой и проводилось гидролиз-экстрагирование, с использованием в качестве гидролизующего агента молочной сыворотки. Длительность гидролиза-экстрагирования составляла 2 часа при температуре 85оС.

Далее для выбора оптимального ферментного препарата проводились исследования полученного пектинового экстракта, где в качестве критерия оценки качества принимали органолептические показатели и концентрацию пектиновых веществ в экстракте.

Ферментный препарат Celluclast содержит в своем составе преимущественно целлюлазы, что способствует разрыву прочных внутриклеточных связей протопектина с целлюлозой клеточных стенок и повышению выхода пектиновых веществ.

Важным технологическим фактором, влияющим на действие ферментных препаратов, является температурный режим. Оптимальной температурой действия ферментных препаратов является 35-50оС, поэтому исследования проводили в этом интервале. Согласно, полученным в результате исследования данным, оптимальной температурой действия ферментного препарата Celluclast является 35oC и она обеспечивает наибольший выход пектиновых веществ в указанном интервале. Далее проводились исследования по изучениювлияния дозировки фермента на концентрацию пектиновых веществ в экстракте. Результаты исследования влияния ферментной обработки на концентрацию пектиновых веществ (ПВ) в экстракте и его органолептические показатели представлены на рисунке1.

Рисунок 1 Влияния дозировки фермента Celluclast на концентрацию пектиновых веществ в экстракте

Исходя из данных рисунка, наибольшая концентрация пектиновых веществ в экстракте достигается при обработке исследуемого сырья ферментным препаратом Celluclast, в течение 1 часа при t=35oC.

Не менее значимым фактором, влияющим на эффективность извлечения пектиновых веществ, является продолжительность процесса предварительной обработки. Результаты экспериментальных исследований, влияния продолжительности процесса обработки ферментном Celluclast на концентрацию пектиновых веществ в экстракте, представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 Влияние продолжительности процесса обработки при различной дозировке ферментного препарата на концентрацию пектиновых веществ в экстракте

Из представленных на рисунке данных, следует, что при использовании 1,0 % и 2,0 % раствора Celluclast при изменении температуры обработки ферментным препаратом наиболее высокая концентрация пектиновых веществ в экстракте достигается при продолжительности процесса - 1,5 часа. Дальнейшее увеличение продолжительности предварительной обработки корзинок подсолнечника ферментомCelluclastприводит к снижению концентрации пектиновых веществ в экстракте.

Максимальное значение концентрации пектиновых веществ в экстракте установлено обработкой 2,0 % раствором фермента. Несколько меньшая концентрация пектиновых веществ в экстракте достигается при дозировке ферментного препарата - 3,0%: 0,47% при обработке в течение 3 часов против 0,51% - в течение 1,0 часа. Наблюдалось снижение интенсивности смолистого аромата при использовании фермента 2,0% концентрации и времени обработки 1,5 часа.

Таким образом, в ходе проведения исследования установлено, что использование ферментного препарата Celluclast, при различной температуре и продолжительности обработки не способствует полному удалению специфического запаха подсолнечника, который обусловлен наличием минеральных фосфатов, фосфорных эфиров и белкового фосфора, но частично сокращает его интенсивность по сравнению с образцом без предварительной ферментной обработки.

Наличие специфического (смолистого) привкуса пектинового экстракта из корзинок-соцветий подсолнечника резко ограничивает сферу его применения и не позволяет использовать в пищевой промышленности для получения качественных изделий, выработанных на его основе. Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективе использования ферментного препарата в технологии получения качественных гидратопектинов.

Исследования ферментного препарата Viscozyme проводили при идентичных условиях. Варьирование концентрации, температуры и времени обработки не дало положительного результата, сохранялась тенденция, как при использовании фермента Celluclast, но концентрация пектиновых веществ в экстракте находилась в пределах 0,23-0,38%, а при использовании фермента Celluclast, она была равна 0,35-0,53%.

По органолептическим показателям экстракты, полученные с применением фермента Viscozyme, также значительно уступают экстрактам, полученным с использование препарата Celluclast.

На следующем этапе изучали ферментный препарат Дeпектил Кларификэйшн.

Дeпектил Кларификэйшн представляет собой ферментный препарат, обладающий пектолитической активностью, содержащий в своем составе пектинэстеразу, полигалактуроназу и пектинлиазу.

Исследования ферментного препарата Дeпектил Кларификэйшн проводили при идентичных условиях, с одним отличием -дополнительноеувеличение температуры обработки до 50оС. Это связано с полученными отрицательными результатами при температуре 40-45оС. Дальнейшее повышение температуры нецелесообразно, так как оптимум действия ферментных препаратов находится в пределах 35-50оС и его превышение ведет к потере активности фермента.

Результаты исследований зависимости концентрации пектиновых веществ в экстракте от температуры обработки при использовании фермента Депектил Кларификэйшн представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 Зависимость концентрации пектиновых веществ в экстракте от температуры обработки при использовании фермента Депектил Кларификэйшн

После проведенных исследований было установлено, что оптимальной температурой действия фермента Депектил Кларификэйшн являетсятемпература 50оС. При этом пектиновый экстракт имел очень легкий аромат подсолнечника.

При изучении влияния изменения дозировки ферментного препарата видно, что 2% концентрация способствует наибольшему выходу пектиновых веществ, а при 1% и 3% концентрации происходит снижение пектиновых веществ в экстракте, что подтверждают данные рисунка 4.

Рисунок 4 Зависимость концентрации пектиновых веществ в экстракте от дозировки фермента Депектил Кларификэйшн

Проведенные исследования по предварительной ферментной обработке корзинок-соцветий подсолнечника сырья позволили сделать вывод, что ферментный препарат Депектил Кларификэйшн способствует повышению концентрации пектиновых веществ в экстракте, одновременно снижая интенсивность его специфического аромата.

Депектил Кларификэйшн по результатам исследований является самым эффективным из рассмотренных ферментных препаратов, обеспечивающим максимальную концентрацию пектиновых веществ в экстракте. Наилучшими органолептическими показателями характеризуется пектиновый экстракт, также полученный при обработке ферментным препаратом Депектил Кларификэйшн при температуре 50оС и дозировке 2%.

Значимым технологическим фактором в получения гидратопектина являются параметрыгидролиз-экстрагирования. Было проведено изучение влияния температуры гидролиз-экстрагирования, обработанного ферментным препаратом Депектил Кларификэйшн сырья, в пределах 75-90 оС (шаг 5оС) на концентрацию пектиновых веществ. Результаты представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 Зависимость концентрации пектиновых веществ в экстракте от температуры гидролиз-экстрагирования обработанного ферментным препаратом сырья

Установлено, что при увеличении температуры гидролиз-экстрагирования с 75оС до 85оС происходит повышение концентрации пектиновых веществ с 0,27% до 0,51%. Это согласуется с теорией процесса гидролиза-экстрагирования пектина и его химией. Высокая температура процесса повышает проницаемость растительной ткани и скорость молекулярной диффузии, снижая вязкость, что облегчает его выделение [7].

Дальнейшее повышение температуры до 90оС приводит к деградации пектиновой молекулы, что обуславливает снижение концентрации пектина до 0,27%.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о перспективе использования ферментных препаратовв технологии получения гидратопектинов. Также следует отметить, что ферментный препарат Депектил Кларификэйшн в большей степени, чем Celluclastи Viscozyme, способствует очистке от балластных веществ и получению качественного пектинового экстракта из корзинок-соцветий подсолнечника. Оптимальными параметрами предварительной обработки являются температура 50оС и 2% концентрация раствора ферментного препарата Дeпектил Кларификэйшн.

Литература

1 Оводов, Ю.С. Полисахариды цветковых растений: структура и физиологическая активность //Биоорганическая химия, 1998. Т. 24, -- С. 483-501.

2 Родионова, Л.Я. Технология пектиносодержащих пищевых композиций функционального назначения. - Краснодар, КГАУ, 2004 г. - 233 с.

3 Сапожникова, Е.В. Пектиновые вещества и пектолитические ферменты / Е.В. Сапожникова. - М.: Москва, 1971. - С. 45.

4 Соболь, И.В. Биохимическое обоснование технологии получения пектина повышенной биологической ценности из соцветий подсолнечника: автореф. дисс. … канд. техн. наук.- Краснодар,1997.- 27 с.

5 Соболь, И.В. Предварительная обработка корзинок-соцветий подсолнечника для получения качественных гидратопектинов / И.В. Соболь, Л.Я. Родионова, И.Н. Барышева // Молодой ученый. - 2015. - № 5.1. - С. 99-102

6 Будаева, В.В. Исследование ферментативного гидролиза отходов переработки злаков /В.В. Будаева, Р.Ю. Митрофанов, В.Н. Золотухин /Ползуновский вестник, №3 2008, с.322-327.

7 Донченко, Л. В. Пектин: основные свойства. Производство и применение / Л. В. Донченко, Г. Г. Фирсов. - М: Дели Принт, 2007. - 276 с.

Размещено на Allbest.ru