Введение к работе
Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений развития крахмалопаточной отрасли РФ является разработка новых, высокоэффективных технологий глубокой переработки растительного крахмалсодержащего сырья с целью расширения ассортимента получаемых крахмалопродуктов и повышения их качества.
В связи с интенсивным развитием биотехнологии и производства амилолитических ферментных препаратов нового поколения, обладающих высокой активностью, термостабильностью и устойчивостью к изменениям рН среды, в России и за рубежом возрос научный и практический интерес к исследованию действия ферментов, обладающих способностью катализировать реакцию гидролиза нативного (неклейстеризованного) крахмала при температуре ниже начальной точки клейстеризации, что открыло новые возможности для исследований в этой области.
В ФГБНУ ВНИИ крахмалопродуктов впервые в России проводятся исследования действия амилолитических ферментов на нативный крахмал различных видов с целью разработки новой технологии переработки, включающей процесс биоконверсии крахмала без предварительной клейстеризации при концентрациях суспензии, близких к промышленным. Это дает возможность, в отличие от традиционной схемы с клейстеризацией и разжижением крахмала, получать за один технологический процесс два востребованных в РФ продукта: ферментативно модифицированный пористый крахмал и глюкозный продукт высокой доброкачественности. Потребность страны в модифицированных крахмалах на 80 % обеспечивается за счет импортных поставок, кристаллическая глюкоза в России с 1994 г. не производится, потребность в ней (более 40 тыс. т) удовлетворяется только за счет импорта. Таким образом, исследования, направленные на разработку новой отечественной технологии переработки нативного крахмала методом низкотемпературной биоконверсии, являются актуальными.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка
технологии переработки нативного крахмала методом низкотемпературной биоконверсии без предварительной клейстеризации, обеспечивающей получение новых видов крахмалопродуктов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- скрининг ферментных препаратов для гидролиза крахмала;
исследование процесса низкотемпературной биоконверсии различных видов нативного крахмала с применением амилолитических ферментов;
разработка методики определения степени гидролиза при действии амилолитических ферментов на нативный крахмал в гетерогенной среде;
- разработка технологической схемы и параметров технологического
процесса переработки нативного крахмала методом низкотемпературной
биоконверсии;
исследование влияния степени гидролиза нативного крахмала на физико-химические и функциональные свойства продуктов низкотемпературной биоконверсии;
опытно-промышленные испытания и оценка экономической эффективности технологии низкотемпературной биоконверсии нативного крахмала.
Научная новизна. В результате выполненных исследований получены
новые данные о действии амилолитических ферментов на нативный
(неклейстеризованный) крахмал в процессе биоконверсии в гетерогенной водной
среде с высокой концентрацией сухого вещества и изменении структурных и
физико-химических свойств крахмала в зависимости от параметров
технологического процесса. Научно обоснован выбор фермента и вида крахмала
для осуществления низкотемпературной биоконверсии, обеспечивающей
получение модифицированного пористого крахмала и глюкозного сиропа.
Исследованы физико-химические и структурные свойства полученных продуктов
в зависимости от степени гидролиза нативного кукурузного крахмала.
Установлено, что получаемый при разделении гетерогенной реакционной среды
ферментативно модифицированный крахмал обладает повышенной
адсорбционной способностью по сравнению с исходным нативным крахмалом с сохранением структуры и формы зерен крахмала, а глюкозный сироп обладает высокой степенью доброкачественности – ГЭ 98-99 %, низкой цветностью и минимальным содержанием примесей.
Практическая значимость. Разработана технологическая схема и
технологический режим биоконверсии нативных зерновых крахмалов в
гетерогенной водной среде с получением ферментативно модифицированного
пористого крахмала и глюкозного продукта. Новизна разработанной технологии
подтверждена патентом РФ № 2528004 «Способ получения пористого крахмала и
глюкозного сиропа». Проведены испытания опытных образцов
модифицированного пористого крахмала с положительными заключениями о
возможности и перспективности его использования в пищевой промышленности. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы для завода с суточной производительностью 15 т модифицированного крахмала и 15 т глюкозы составит 3,9 тыс. руб. на 1 т продукции.
Положения, выносимые на защиту:
- теоретическое и практическое обоснования использования видов крахмала
и амилолитических ферментов для получения новых видов крахмалопродуктов
путем биоконверсии в гетерогенной среде при температуре, ниже начальной точки
клейстеризации;
- оптимизация процесса низкотемпературной биоконверсии нативного
крахмала при использовании в качестве катализатора глюкоамилазы из Asp. niger;
- разработка параметров технологического процесса и технологической
схемы получения ферментативно модифицированного пористого крахмала и
глюкозного продукта;
- результаты анализа изменения физико-химических и структурных свойств
модифицированного пористого крахмала в зависимости от степени гидролиза.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были
доложены, обсуждены и одобрены на Международной научно-практической
конференции «XIX International starch convention Moscow-Krakow» (г. Москва,
2012 г.); VI-ой конференции молодых ученых и специалистов институтов
Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН
«Фундаментальные основы и передовые технологии в пищевой и
перерабатывающей промышленности» (г. Видное, 2012 г.); VII-ой конференции
молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки
сельскохозяйственной продукции РАСХН «Научный вклад молодых ученых в
развитие пищевой и перерабатывающей промышленности АПК»; Международной
научно-практической конференции «Биотехнология и качество жизни» (г. Москва,
2014 г.); II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и
аспирантов «Инновационные пищевые технологии в области хранения и
переработки сельскохозяйственного сырья» (г. Краснодар, 2014 г.);
Международной научно-практической конференции "Новые подходы, принципы и
механизмы повышения эффективности производства и переработки
сельскохозяйственной продукции" (г. Волгоград, 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Импортозамещение продуктов глубокой переработки зерна и картофеля» (Московская область, п. Красково, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ; получен патент РФ на изобретение № 2528004.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 169 страницах, содержит 25 таблиц и 51 рисунок. Список литературы включает 141 наименование, в том числе 91 – зарубежных авторов.