БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина ІІ. Спеціальні біотехнології

РОЗДІЛ 10. ЗАСТОСУВАННЯ ІММОБІЛІЗОВАНИХ ФЕРМЕНТІВ У БІОТЕХНОЛОГІЇ

10.2.БІОТЕХНОЛОГІЯ ОДЕРЖАННЯ СИРОПІВ З ВИСОКИМ УМІСТОМ ФРУКТОЗИ

Фруктоза (фруктовий, плодовий чи медовий цукор) широко розповсюджена в природі, міститься у багатьох фруктах і плодах. Особливо багаті на неї яблука, а також бджолиний мед, який майже наполовину складається із фруктози. Порівняно зі звичайним цукром (до складу молекул якого фруктоза теж входить, але у вигляді хімічної сполуки з менш солодкою глюкозою) фруктоза має більш приємний смак, і згідно з професійною термінологією смак фруктози - «медовий», а звичайного цукру - нудно-солодкий.

Фруктоза в 1,65 раза солодша за сахарозу і більш ніж у 2,2 раза солодша глюкози, що відповідно зменшує її споживання, а це, в свою чергу, призводить до зниження калорійності продукту. Це дуже важливо з точки зору дієтології харчування. Крім того, фруктозу на відміну від глюкози чи цукру можуть споживати хворі на діабет. Фруктоза в суміші з глюкозою не кристалізується (не зацукрується), що важливо для виробництва морозива, кондитерських виробів тощо.

Сироп з високим умістом фруктози застосовується для виготовлення тонізуючих і ацидофільних напоїв, морозива, кондитерських виробів, консервованих фруктів та інших продуктів. Отже, підвищення солодкості сиропів за рахунок збільшення в них фруктози, потенційним джерелом якої може бути глюкоза, має практичне значення. У світі були розпочаті спроби пошуку ефективних методів одержання цього продукту.

Солодкі фруктозні сиропи можна отримувати із цукрози шляхом кислотного гідролізу (сірчаною, лимонною кислотами, рідше соляною при підвищеній температурі), або більш ефективним ферментативним способом - інверсією за допомогою ферменту інвертази (сахарази). Під дією інвертази із цукрози утворюється суміш D-глюкози і D-фруктози.

Здатність до біосинтезу інвертази мають багато мікроорганізмів, але найбільш вивченою групою серед них є дріжджі і зокрема Sacharomyces cerevisiae. Останнім часом одержані результати, які свідчать проте, що дріжджі K.marxianus синтезують інвертазу, активність якої у 2-3 рази вища, ніж S. cerevisiae (Жеребцов Н.А. та ін., 2003).

У біотехнологічному процесі одержання інверту використовується інвертаза, іммобілізована на різноманітних носіях органічної і неорганічної природи.

Біокаталізатором у пілотній установці фірми Snam Progetti для безперервного процесу інверсії сахарози є дріжджова інвертаза, яка іммобілізована шляхом включення у порожнисті нитки триацетату целюлози. Біокаталізатор має високу стабільність. За 10 років роботи при температурі 25 ^оС він втратив лише 20 % своєї первинної активності.

Включення інвертази у поліакриламідний гель дає можливість отримати біокаталізатор, який має високу стабільність при температурі 30^о- за 450 діб безперервної роботи активність інвертази зменшилася лише на 10 %.

Індійська національна корпорація NRDC розробила промисловий процес інверсії цукру, біокаталізатором якого є дріжджові клітини, іммобілізовані на неорганічному носії.

Коваленко Г.А. та ін. (2003) одержали високостабільний гетерогенний біокаталізатор для процесу інверсії цукру шляхом адсорбційної іммобілізації інвертази на керамічних носіях, покритих каталітичним волокнистим вуглецем (КВВ).

Інвертний цукор кристалізується порівняно з сахарозою повільніше, тому його використовують при виготовленні продуктів, в яких кристалізація цукру є небажаною, наприклад, при виробництві напіврідких начинок цукерок, а також лікерів, штучного меду, сиропів.

Більш перспективним є шлях одержання фруктози із глюкози, яка утворюється в результаті гідролізу крохмалю.

Відомо, що глюкозу можна перетворити на фруктозу ферментативним шляхом за участю ферменту глюкоізомерази як розчинної, так і іммобілізованої. У промисловості глюкоізомеразу використовують винятково в іммобілізованій формі. Комерційні препарати іммобілізованої глюкоізомерази отримують різноманітними способами іммобілізації: адсорбцією ферменту на різних носіях (іонообмінних смолах і пористих неорганічних носіях); висушуванням цілих клітин продуценту, коли внутрішньоклітинний фермент залишався зв’язаним з клітиною; ковалентним зв’язуванням глюкоізомерази на органічних і неорганічних носіях; включенням в гель і нитки; включенням в гель з подальшою

зшивкою. В табл. 10.2 наведені способи іммобілізації найбільш розповсюджених промислових препаратів глюкоізомерази.

Таблиця 10.2.

Промислові препарати іммобілізованої глюкоізомерази

(за Нахапатян Л.А., Меняйловою І.І., 1988)

Незважаючи па всі переваги фруктози нал цукром, її виробництво у світі практично було відсутнє до середини 60-х років минулою століття.

У 1966 р. в Японії вперше застосували розчинний препарат глюкоізомерази для виробництва сиропу з високим умістом фруктози. Отриманий продукт містив 12 % фруктози, 50 - глюкози і 8% інших цукрів.

У 1973 р. в США компанією «Клінтон Корн» вперше було розпочато промислове виробництво сиропів а високим умістом фруктози, але використовували для цієї мети не розчинну глюкоізомеразу, як японці, а іммобілізований на целюлозному іонообміннику фермент у реакторі з плоским шаром.

Наукові основи процесу наступні. Фермент глюкоізомераза каталізує перетворення (ізомеризацію) глюкози до фруктози за одну стадію, і реакція відбувається до тоді, доки в реакційній системі кількість глюкози і фруктози не стане майже однаковою. Після цього реакція припиняється і одержану суміш можна використовувати у вигляді глюкозо-фруктозного сиропу або відділити фруктозу, а глюкозу, яка залишилася, знову піддати ізомеризації.

Біотехнологічний процес ізомеризації глюкози здійснюється в реакторах, що мають форму колон висотою до 5 м, які попередньо заповнюють іммобілізованим ферментом у вигляді гранул, порожнистих ниток, кусочків гелю тощо. В колону безперервним потоком зверху вниз подають розчин глюкози (попередньо отриманий при гідролізі кукурудзяного або картопляного крохмалю), а з колони витікає глюкозо-фруктозний сироп.

Про ефективність такої технології свідчать такі дані: на 1 кг іммобілізованого ферменту за 100 днів роботи одержують 4 т фруктози (у перерахунку на сухий продукт). Час напівінактивації ферменту (час, за який активність ферменту зменшується удвічі) становить від 20 до 50 днів. Каталізатор (іммобілізований фермент) підлягає заміні тільки один раз у 2-3 міс., завдяки чому процес є економічно вигідним. Вартість продукту з іммобілізованим ферментом складає лише 61 % від вартості продукту з розчинним ферментом.

Для підтримки високої продуктивності установки протягом більш тривалого часу рекомендується використовувати чисту вихідну сировину. А.А. Клесов наводить дані компанії «Денкі Кагаку», що при використанні кристалічної глюкози продуктивність реактора була 4000 кг сухої фруктози з розрахунку на 1 кг іммобілізованого ферменту. Напівінактивація каталізатора відбувалась протягом 50 днів. При більш низькій якості глюкози продуктивність реактора зменшувалася до 1500 кг продукту на 1 кг іммобілізованого ферменту, а час напівінактивації скорочувався до 20 днів.

Японська компанія «Кійова Хакко» для одержання сиропу з високим умістом фруктози використовує глюкоізомеразу, іммобілізовану адсорбцією на фенолформальдегідній смолі Дуоліт А7. Вихідною сировиною є 40 % розчин глюкози при температурі 60 ^оС (рН 8,2), який пропускають через колону з Дуолітом А7 (рис. 10.2), а готовий продукт для видалення солей пропускають послідовно через катіонообмінник і аніонообмінник. При безперервній роботі реактора протягом 40 днів не було встановлено мікробного забруднення системи через високу температуру (60 ^оС). Напівінактивується іммобілізована глю- коізомераза протягом 6 днів. Вартість виробництва при застосуванні іммобілізованого ферменту становила 61,5 % вартості продукту, виготовленого із застосуванням розчинної глюкоізо- мерази.

Рис. 10.2. Схема процесу ізомеризації глюкози у фруктозу за допомогою глюкоізомерази, яка іммобілізована на фенолформальдегідній смолі

(за Клесовим А. А., 1982)