Получение пищевых добавок биотехнологическими методами

ЛЕКЦИЯ 16. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ДОБАВОК. 1. Классификация пищевых добавок и БАД к пище. Гигиеническая регламентация применения пищевых добавок. 2. Получение пищевых красителей биотехнологическими методами на примере препаратов -каротина. 3. Биотехнологические процессы получения интенсивных подсластителей и сахарозаменителей, усилителей вкуса. 4. Биотехнология получения консервантов на примере низина и пропионовой кислоты.

Классификация пищевых добавок и БАД к пище 1. ПД, снижающие калорийность пищи: пищевые волокна, микрокристаллическая целлюлоза, пектиновые вещества и т. п. ; 2. ПД, улучшающие внешний вид, вкус, запах, цвет: ароматизаторы, подслащивающие вещества, отбеливающие вещества, красители и т. п. ; 3. ПД, улучшающие консистенцию пищи: загустители, поверхностно-активные вещества, стабилизаторы и т. п. ; 4. ПД, удлиняющие сроки хранения пищи: консерванты, антиокислители; 5. Радиопротекторы и энтеросорбенты экологически вредных веществ: пектиновые вещества, хитин и хитозан, лигнин, полисорб и т. п. ; 6. ПД, повышающие питательную ценность пищи: концентраты и изоляты белка, аминокислоты, витамины, микроэлементы и другие; 7. Лечебно-профилактические добавки.

Технология получения препаратов β-каротина. Технология концентрата предусматривает следующие операции: – очистка молочной сыворотки от жира и казеиновой пыли, – депротеинизация методом термокислотной или кислотно-щелочной коагуляции; – пастеризация депротеинизированной сыворотки и охлаждение до температуры инокуляции молочнокислых палочек и дрожжей 30 -32 о. С; – внесение растворов питательных солей (сернокислого аммония – 0, 8 %, фосфата калия однозамещенного – 0, 3 %, сернокислого магния – 0, 05 %); приготовление закваски молочнокислых бактерий на пастеризованном обезжиренном молоке (доза внесения 0, 5 -1, 0 %) и рабочей культуры дрожжей (доза внесения 10 -50 %) на среде, состав которой аналогичен составу производственной питательной среды; – производственная ферментация при температуре 30 -32 о. С, р. Н 4, 05, 0, интенсивности аэрации 35 -60 м 3/м 3*ч, максимальное накопление каротиноидов наблюдается за 96 часов культивирования; – сгущение и сушка концентрата.

Биотехнологические процессы получения интенсивных подсластителей и сахарозаменителей В настоящее время в мире освоено биотехнологическое производство четырех групп подслащивающих веществ: – сахаристые крахмалопродукты; – сиропы гидролизованной лактозы; – сахарозаменители; – интенсивные подсластители.

Технология получения сиропов гидролизованной лактозы В промышленных условиях процесс ферментативного гидролиза лактозы реализуется с использованием следующих типов биокаталитических систем: – биореакторы с однократным использованием препарата лактазы и ее последующей термической инактивацией; – блочная аппаратура типа «биореактор – ультрафильтрационный модуль» с многократным использованием ферментного препарата за счет рециркуляции ультраконцентрата; – проточные биореакторы колонного или тарельчатого типа; – каскады последовательно соединенных аппаратов с полыми волокнами (возможно совмещение гидролиза с процессом ультрафильтрации молочной сыворотки); – системы с инжекцией малых количеств стерильного растворимого фермента в асептических условиях в молочное сырье, подвергнутое УВТ-обработке, с последующим медленным протеканием гидролиза лактозы в молочных продуктах в процессе их хранения.

Схема технологической линии производства концентрата с гидролизованной лактозой

Каротиноиды из растительного сырья. Благодаря наличию ин­тенсивной окраски каротиноиды широко применяют в качестве пищевых красителей. Антиокислительные, противоопухолевые и провитаминные свойства каротиноидов дают возможность улуч­шить качество пищевых продуктов.

Главным источником каротиноидов являются различные виды растительного сырья (томаты, ягоды бересклета), где эти соедине­ния находятся в виде комплексов. Природные комплексы каротиноидов обладают более высокими стабильностью, биологической активностью и усвояемостью, чем индивидуальные продукты хи­мического синтеза.

Существующие способы выделения препаратов каротиноидов из растительного сырья немногочисленны ив большинстве своем основаны на прямой экстракции целевого компонента маслами или органическими растворителями. Сложность выделения каро­тиноидов заключается в том, что представители этого класса со­единений находятся в растительном сырье в ассоциации с различ­ными биополимерами.

Применение в пищевой промышленности препаратов кароти­ноидов ограничено гидрофобностью этих пигментов. Повышения гидрофильности возможно достигнуть путем сорбции каротинои­дов на гидрофильный агент (пектин, белок и т. д.). Введение каро­тиноидов в пищевые продукты в сорбированном на биополимерах виде позволяет повысить пищевую ценность изделий, обогатить их цветовую гамму и значительно расширить сферу применения гидрофобных пигментов.

Основными нелипидными компонентами томатного сырья, с которыми связаны каротиноиды, являются целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин, белок, в соответствии с этим в качестве гидролизующих агентов используют ферментные препараты с пек-толитической, целлюлолитической и протеолитической актив­ностями.

Гидролиз проводят при гидромодуле 1:5, температуре 50 °С, дозировке ферментных препаратов 0,5 % СВ сырья в течение 3 ч при периодическом перемешивании реакционной смеси.

В процессе ферментативного гидролиза расщепляются полимер­ные компоненты сырья. Низкомолекулярные продукты гидролиза переходят в жидкую фазу ферментативного гидролизата, а десорбированные с расщепленных полимеров каротиноиды ресорбируются на негидролизованных компонентах сырья. В результате изменяется коэффициент распределения каротиноидов между жид­кой и твердой фазами.

Концентрирование на поверхности твердой фазы каротинои­дов при одновременном увеличении потерь СВ сырья позволяет существенно повысить степень обогащения сырья целевым ком­понентом при проведении ферментативного гидролиза. При этом содержание каротиноидов в твердой фазе ферментативного гидролизата возрастает в 7,5—11 раз по сравнению с их количеством в исходном продукте, чем достигается обогащение сырья.

Выделение каротиноидов проводят смесями 96%-го этанола и обезличенного подсолнечного масла при соотношении обогащен­ное сырье: этанол: масло = 1:2:2 в течение 20 мин при 78 °С. Из шрота после спиртово-масляной экстракции проводят повторноевыделение биологически активных липидов маслом в течение 20 мин при 80 °С и равном соотношении реагентов.

При использовании в качестве гидролизующих агентов препа­ратов Целлюлаза 100 и Пектофоетидин П10Х выход каротиноидов в масло возрастает в 1,6—2,3 раза (за исключением обработки су­хой томатной кожуры Пектофоетидином П10Х) по сравнению с выходом при прямой экстракции и составляет в зависимости от вида сырья 79—88 % их содержания в исходном продукте. Целлюлазу 100 (Ц100) рекомендуют использовать для ферментативного гидролиза томатной пасты, свежих томатных выжимок, томатной кожуры, а Пектофоетидин П10Х (ПФ П10Х) — для ферментатив­ной обработки свежих томатов и томатной мякоти.

Выход каротиноидов зависит от вида томатного сырья и соот­ношения компонентов реакционной смеси (табл. 20.2). Оптималь­ным из испытанных является вариант соотношения обогащенное сырье: этанол: масло =1:2:2, при котором в масляную фазу экст­ракта переходит не менее 62 % каротиноидов сырья. Концентра­ция целевого компонента составляет 76 мг/100 см3.

Выход каротиноидов в масляный экстракт при проведении предварительной обработки ферментами составляет не менее 80 %.

Препараты каротиноидов из томатного сырья интенсивного красного цвета, без запаха, со слабым перечным привкусом.

Масляные экстракты каротиноидов достаточно устойчивы при хранении. Экстракты из сырья, подвергнутого ферментативной обработке, более устойчивы по сравнению с их аналогами из не­обработанного ферментами сырья.

Схема получения масляных экстрактов каротиноидов из раз­личных видов томатного сырья включает две основные стадии: обогащение сырья и экстракцию целевого компонента из обога­щенного продукта (рис. 20.3).

Сорбаты каротиноидов на пектине АМ-201 (100 мг/г сорбента) темно-рыжего цвета, без запаха и вкуса. Препараты хорошо рас­творяются в воде, изменяя свою окраску на оранжевую. Сухие сорбаты каротиноидов томата и их водные растворы достаточно стабильны — после хранения в течение 70 сут содержание расти­тельных каротиноидов составило не менее 78 % исходного. Со­хранность каротиноидов в водном коллоидном растворе сорбата выше, чем в сухом препарате.

На территории России произрастает много растений, плоды которых содержат достаточные количества биологически актив­ных соединений — каротиноидов, антоцианов, токоферолов. Вы­деление каротиноидов и антоцианов из этих плодов проводят способом, аналогичным описанному ранее для томатного сырья. Результаты, представленные в таблице 20.3, показывают, что для исследованных видов характерно преобладание одного класса пигментов — каротиноидов или антоцианов.

Наиболее богатый источник каротиноидов — ягоды бересклета (107мг/100см3). Этот вид сырья характеризуется также высоким содержанием токоферолов (378 мг/100 г), что особенно ценно. Высокое содержание антоцианов отмечено у ягод барбариса и аронии (657 ед. ОП/г и 1932 ед. ОП/г соответственно).

Каротиноиды из микробной биомассы. Ликопин — красный пигмент плодов томата, относится к природным соединениям груп­пы каротиноидов. Это пигмент, который придает красную окраску овощам и фруктам, таким, как помидоры, арбузы, розовые грейп­фруты и др. Его широко применяют в качестве пищевого красите­ля при изготовлении продуктов питания, особенно при производ­стве колбас и ветчинных изделий, где он может заменить нитрит натрия. Исследования последних лет свидетельствуют о том, что ликопин наряду с красящей функцией имеет самостоятельное значение как биологически активная добавка. Ликопин оказывает общеукрепляющее действие на организм и обладает множеством ценных фармакологических свойств. Подавляя в организме свободнорадикальное окисление, ликопин стабилизирует иммунный статус организма, улучшает протекание ряда важнейших биологи­ческих процессов в организме, в том числе нормализует уровень глюкозы в крови, липидный обмен, зрение и контролирует ново­образование клеток.

В условиях растущей потребности в ликопине особую важность приобретает проблема изыскания его новых источников.

До сих пор основным источником ликопина являются расте­ния, в частности специально отселекционированные сорта томатов Lycopersicon sp. Однако очень низкий выход (0,3—0,4 мг/г сырья), сезонность, действие неблагоприятных погодных факторов и фитопатогенов делают этот способ экономически неэффективным. Один килограмм такого ликопина стоит около $5000 США. Высо­кая цена и дефицит ликопина на рынке — основные причины от­сутствия необходимого человеческому организму антиоксиданта в ежедневном рационе питания.

Решение указанных проблем возможно путем создания биотех­нологического способа получения ликопина.

Способность синтезировать ликопин обнаружена у различных видов микроорганизмов, но наиболее активным продуцентом яв­ляется гриб Blakeslea trispora. В результате многоступенчатой се­лекции и отбора получена пара штаммов гриба Blakeslea trispora ВСБ-129 (-) и ВСБ-130 (+), обладающих сверхспособностью к синтезу ликопина.

Сотрудниками ГосНИИсинтезбелок оптимизированы состав питательной среды, время выращивания, соотношение (+) и (—) форм при совместном культивировании. Установлено, что на сре­де с глюкозой через 36 ч накапливается до 35 мг/г АСВ ликопина, а на кукурузно-соевой среде через 48 ч — до 30 мг/г АСВ. При этом в отличие от известных, используемых на практике штаммов гриба BL trispora селекционированные штаммы синтезируют лико­пин без добавления в среду предшественников и стимуляторов образования ликопина, а сумма ликопина составляет 95—98 % ка-ротиноидов.

Состав оптимизированной питательной среды, г/дм3: гидрол (зеленая патока) — 66,5; кукурузный экстракт — 81; (NH4)2SO4 — 1,281; К2НРО4 — 4,1.

На основании проведенных исследований разработана прин­ципиальная технологическая схема получения ликопинсодержащей биомассы (рис. 20.4).

Масляную экстракцию ликопина из биомассы проводят в три ступени при 55 °С в течение 45 мин каждую.

Ликопин, как было отмечено, имеет немаловажное значение в пищевой промышленности. При этом наряду с жирорастворимой формой существует большая потребность в водорастворимой фор­ме ликопина.

Получение водорастворимого ликопина осуществляется сме­шиванием жирорастворимого ликопина с фракцией фосфолипидов, полученной при комплексной переработке биомассы гриба В1. trispora. При смешивании в определенном соотношении полу­ченный продукт приобретает вододисперсионную форму. Соглас­но данному методу при смешивании с водой фосфолипиды обра­зуют так называемые мицеллы, в которые включаются кристаллы ликопина. Преимущество данного метода заключается в том, что фосфолипиды, которые, как и ликопин, обладают ценными био­логическими свойствами, можно получать совместно с ним в одном технологическом процессе.

Поскольку в составе липидов исследуемого гриба помимо ли­копина обнаружены и другие ценные компоненты, экстракцию проводят в мягких условиях (t = 50…55 °С), чтобы в дальнейшем, после выделения ликопина, оставшуюся часть биолипидного комплекса можно было использовать для переработки. При этом по­лучают кристаллы ликопина с чистотой до 95 % и коэффициентом извлечения 0,67.

Работы в области поиска пищевых красителей на основе каротиноидов привели к обнаружению нового природного источника этих соединений — микроскопической водоросли Dunaliella sabina, которая рекомендована для использования в европейских странах. β-Каротин, выделенный из этой водоросли, придает пищевым продуктам оттенки от золотисто-желтого до оранжевого цвета.

Пищевые красители различной химической структуры из расти­тельного сырья. Шиконин — нафтохиноновый пигмент красно­го цвета, широко используют в Китае, Корее, Японии как краси­тель и лекарственный препарат. В настоящее время фирма «Allok» (Германия) включила шиконин в список пищевых красителей.

В Институте биоорганической химии РАН проведено срав­нение спиртового и масляного экстрактов из клеточной культуры A. euchroma, потенциальных источников пищевого красителя шиконина, по антимикробной активности и стабильности окраски.

Антимикробную активность препаратов изучали на суточных культурах Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, Escherichia coli, Pse-udomonas aeruginosa, Candida sp.

Выяснено, что масляные и спиртовые экстракты из A. euchroma обладают высокой антимикробной активностью, а по сравнению с раствором чистого препарата шиконина более активно подавляют рост грамположительных бактерий и дрожжей рода Candida.

Таким образом, использование спиртового и масляного экст­рактов из A. euchroma в качестве пищевого красителя позволяет одновременно увеличивать срок хранения продуктов благодаря высокой антимикробной активности предлагаемых препаратов.

В целом массовое производство пищевых красителей на основе использования методов биотехнологии считается наиболее перс­пективным во всем мире.

Возможна интенсификация процессов выделения и других пи­щевых красителей из природного сырья с помощью ферментных препаратов микробного происхождения.

Например, разработан способ получения красного пищевого красителя из сока, выжимок и непосредственно из измельченной краснокочанной капусты среднепоздних сортов. Сырье стерили­зуют и подвергают воздействию гемицеллюлазных ферментов гри­ба A. niger. После окончания гидролиза выжимки отделяют, а гидролизат фильтруют и упаривают. Полученный краситель устойчив к действию микрофлоры листьев капусты.

В МГУПП разработан способ получения натуральных пищевых красителей путем обработки отходов переработки свеклы, апель­синов и крапивы ферментными препаратами:

• Поликанесцином, обладающим β-галактозвдазной (1300 ед/г), ксиланазной (1100 ед/г) и β-глюканазной (460 ед/г) активностями. Оптимальные условия действия препарата: температура 30…45 °С, рН 3-5;

• Лизофунгином, обладающим β-глюканазной (1800 ед/г), целлюлазной (90 ед/г) и ксиланазной (40,5 ед/г) активностями. Опти­мальные условия действия: температура 45…55 °С, рН 6,5—7;

• Целловиридином, обладающим β-глюканазной (450 ед/г), целлюлазной (2000 ед/г) и ксиланазной (800 ед/г) активностя­ми. Оптимальные условия действия: температура 45…50°С, рН 4,5-5,5.

Растворы ферментных препаратов использовали как для непо­средственной экстракции ферментов, так и для предварительной обработки сырья при оптимальных условиях действия ферментов.

Установлено, что оптимальной концентрацией спирта для вы­деления красящих веществ из отходов переработки свеклы (бетанин) является 40 %, отходов переработки апельсинов (каротиноиды) — 70, крапивы (хлорофилл) — 80 %. Время ферментативной предобработки — 20 мин; время экстракции — 1ч. Интенсивность окраски экстрактов определяется по значениям экстинкции: для свекольного красителя бетанина при длине волны 540 нм, для каротиноидов из отходов переработки апельсинов — 440 и хлоро­филла крапивы — 750 нм (табл. 20.4, 20.5).

Следует отметить, что образцы растворов красящих веществ, используемые в качестве контроля, в случае водной и спиртовой экстракции имели различную интенсивность, так как выход кра­сящих веществ при экстракции спиртом был выше, чем с водной экстракцией, и составлял 230, 181 и 156% соответственно для свекловичных, апельсиновых отходов и крапивы.

Наибольший выход красящих веществ независимо от биохими­ческого состава сырья и химической природы красителей наблю­дался при водно-ферментативной обработке сырья с 0,1%-й кон­центрацией ферментных препаратов. Использование ферментных препаратов даже в малых количествах (0,01 %) для предобработки растительного сырья позволяет значительно увеличить выход кра­сящих веществ (на 10—200 %).

Для получения свекольного красителя бетанина целесообразно использование Целловиридина, способного увеличивать выход пигмента до 260 и 191 % соответственно при водной и спиртовой экстракции; для получения каротиноидного красителя из отходов переработки апельсинов также предпочтителен Целловиридин, дающий увеличение выхода до 340 и 242 %; для хлорофиллового красителя из крапивы наилучший результат может быть получен при обработке сырья Лизофунгином, увеличивающим выход до 175 и 157 % соответственно.