Ферментативный гидролиз экструдированного кукурузного крахмала в условиях высокой концентрации среды

Одним из направлений технологического развития процессов биоконверсии крахмалсодержащего сырья в пищевой промышленности является повышение концентраций перерабатываемых жидких сред, что способствует снижению операционных издержек, тепло- и энергозатрат и повышает эффективность использования емкостного оборудования. Перспективным является внедрение в процессы биоконверсии термопластической экструзии как стадии предподготовки, обеспечивающей интенсивную клейстеризацию крахмала при влагосодержании 15-30 %, что стало предпосылкой к разработке экструзионно-гидролитической технологии получения концентрированных гидролизатов крахмалсодержащего сырья. В рамках развития технологии проведены исследования влияния основных факторов биокатализа на образование продуктов гидролиза и реологические свойства высококонцентрированных гидролизатов экструдатов кукурузного крахмала. В качестве исследуемых управляющих факторов были приняты дозировка термостабильной α-амилазы и концентрация среды. Уровни варьирования факторами были установлены в интервале 5-13 ед. АС/г крахмала, концентрация сухих веществ 40-60 % в соответствии с планом центрального ортогонального композиционного планирования эксперимента. Значение декстрозного эквивалента в области исследуемого факторного пространства изменялось от 23 до 40, динамическая вязкость от 89 до 2219 мПа·с. Анализ результатов и математической модели показал, что увеличению декстрозного эквивалента в продуктах гидролиза способствует снижение концентрации среды и повышение дозировки α-амилазы, при этом динамика прироста значения декстрозного эквивалента падает с превышением дозировки ферментного препарата 9 ед. АС/г крахмала. Реологические исследования показали, что дозировка α-амилазы 1-13 ед. АС/г крахмала при 40 % концентрации среды обеспечивает достаточные для последующих стадий переработки гидролизата значения динамической вязкости 89-780 мПа·с. Увеличение концентрации до 50-60 % требует внесения α-амилазы более 5 ед. АС/г крахмала для обеспечения реологически безопасного технологического процесса.

1. Baks T., Bruins M. E., Janssen A. E. M., Boom R. M. Effect of pressure and temperature on the gelatinization of starch at various starch concentrations. Biomacromolecules. 2008;9(1):296-304. DOI: https://doi.org/10.1021/bm700814a

2. Ananskikh V. V., Shleina L. D., Voronova L. Yu. Osobennosti fermentativnogo razzhizheniya krakhmala. [Features of enzymatic starch liquefaction]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AICis. 2011;(12):77-80. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17109108

3. Baks T., Bruins M. E., Matser A. M., Janssen A. E. M., Boom R. M. Effect of gelatinization and hydrolysis conditions on the selectivity of starch hydrolysis with α-amylase from Bacillus licheniformis. Journal of agricultural and food chemistry. 2008;56(2):488-495. DOI: https://doi.org/10.1021/jf072217j

4. Baks T., Kappen F. H. J., Janssen A. E. M., Boom R. M. Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch–water mixtures with alpha-amylase from Licheniformis B. Journal of Cereal Science. 2008;47(2):214-225. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcs.2007.03.011

5. Ananskikh V. V., Shleina L. D. O vozmozhnosti polucheniya mal'to-dekstrinov iz kukuruznoy muki. [About a Possibility of Receiving Maltodextrins from Cornmeal]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya. 2017;(11):9-13. (In Russ.). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnosti-polucheniya-maltodekstrinov-iz-kukuruznoy-muki

6. Ananskikh V. V., Shleina L. D. Mal'todekstriny iz krakhmalosoderzhashchego syr'ya, ikh kachestvo i ispol'zovanie v otraslyakh pishchevoy promyshlennosti. [Maltodextrins from starch-containing raw materials, their quality and use in food industries]. Konditerskoe i khlebopekarnoe proizvodstvo. 2018;(7-8(177)):50-52. (In Russ.). URL: https://bakery.news/wp-content/uploads/2019/01/Bread_07-08_2018_Maltodekstrin_18_07.pdf

7. Ananskikh V. V., Shleina L. D. Mal'todekstriny iz krakhmalosoderzhashchego syr'ya. [Maltodextrins from Starch Containing Raw Materials]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya. 2015;(11):31-34. (In Russ.).

8. Cordt S., Hendrickx M., Maesmans G., Tobback P. The influence of polyalcohols and carbohydrates on the thermostability of α-amylase. Biotechnology and bioengineering. 1994;43(2):107-114. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.260430202

9. Grafelman D. D., Meagher M. M. Liquefaction of starch by a single-screw extruder and post-extrusion staticmixer reactor. Journal of Food Engineering. 1995;24(4):529-542. DOI: https://doi.org/10.1016/0260-8774(95)90768-7

10. Sharikov A. Yu., Stepanov V. I., Ivanov V. V. Termoplasticheskaya ekstruziya v protsessakh pishchevoy biotekhnologii. [Thermoplastic extrusion in food biotechnology processes]. Izvestiya vuzov. Prikladnaya khimiya i biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2019;9(3 (30)):447-460. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-447-460

11. Linko P. Extrusion cooking in bioconversions. In Extrusion Cooking. Eds. Mercier C., Linko P., Harper J. M. American Association of Cereal Chemists. Inc., St Paul, MN, 1989. pp. 235 -245. URL: https://www.amazon.com/Extrusion-Cooking-C-Mercier/dp/0913250678

12. Roussel L., Vieille A., Billet I., Cheftel J. C. Sequential heat gelatinization and enzymatic hydrolysis of corn starch in an extrusion reactor optimization for a maximum dextrose equivalent. Lebensmittel-Wissenschaft und-Technologie. 1991;24(5):449-458. URL: https://pascal-francis.inist.fr/vibad/index.php?action=getRecordDetail&idt=5108371

13. Govindasamy S., Campanella O. H., Oates C. G. The single screw extruder as a bioreactor for sago starch hydrolysis. Food Chemistry. 1997;60(1):1-11. DOI: https://doi.org/10.1016/S0308-8146(96)00100-8

14. Govindasamy S., Campanella O. H., Oates C. G. Enzymatic hydrolysis and saccharification optimisation of sago starch in a twin-screw extruder. Journal of Food Engineering. 1997;32(4):427-446. DOI: https://doi.org/10.1016/S0260-8774(97)00016-2

15. Stepanov V. I., Ivanov V. V., Sharikov A. Yu., Ponomarev V. V., Khabibulina N. V. Novyy printsip glubokoy pererabotki krakhmalosoderzhashchego syr'ya v tekhnologii polucheniya sakharistykh produktov. [Novel technology of processing of starch-containing raw materials into starch-based sweeteners and food ingredients]. Biotekhnologiya: sostoyanie i perspektivy razvitiya: mat-ly IX Mezhdunarod. kongressa. [Biotechnology: state and prospects of development: Proceedings of the IXth International Congress]. Moscow: OOO "RED GRUPP", 2017. pp. 260-262. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29271317

16. Stepanov V. I., Ivanov V. V., Sharikov A. Yu., Amelyakina M. V., Polivanovskaya D. V., Serba E. M. Upravlyaemaya sistema nepreryvnoy pererabotki rastitel'nogo syr'ya na osnove termomekhanicheskikh i biokataliticheskikh protsessov. [The system of continuous thermomechanical and biocatalytic processing of plant materials]. Pishchevaya promyshlennost'. 2019;(4):101-102. (In Russ.).