Производство кристаллической фруктозы из клубней Heliánthus tuberósus

АННОТАЦИЯ

Важнейшим приоритетом для нас продолжает оставаться модернизация, техническое и технологическое перевооружение производства, ускоренное обновление ведущих отраслей экономики. Самым перспективным и уникальным с позиции максимального использования для переработки и производства различных видов пищевых продуктов, лечебных средств, кормов и технических материалов является топинамбур - земляная груша. Изучен гидролиз инулина клубней топинамбура собственным ферментам инулиназы, что позволило провести в опытах самоосахаривание инулина клубней. Выявлена возможность процесса мацерации мезги - размельченных клубней сжижиным газом СО₂, с максимальным разрущением клеточной структуры клубней и максималного выхода сока. Мацерация самый эффективный и перспективный метод среди всех методов извлечение сока.

ABSTRACT

The most important priority for us continues to be the modernization, technical and technological re-equipment of production, the accelerated renewal of the leading sectors of the economy. The most promising and unique from the standpoint of maximum use for processing and production of various types of food products, medicinal products, feed and technical materials is Jerusalem artichoke - an earthen pear. The hydrolysis of inulin in Jerusalem artichoke tubers by its own inulinase enzymes was studied, which made it possible to carry out the self-saccharification of inulin in tubers in experiments. The possibility of the process of maceration of pulp - crushed tubers with liquefied gas CO2, with maximum destruction of the cell structure of tubers and maximum yield of juice has been revealed. Maceration is the most effective and promising method among all juice extraction methods.

Ключевые слова: Heliánthus tuberósus, инулин, СО₂, инулиназа, фруктоза, мацерация.

Keywords: Heliánthus tuberósus, inulin, СО₂, inulinase, fructose, maceration.

Введение. Топинамбур или земляная груша – многолетнее клубнеплодное овощное растение семейства астровых. Родиной топинамбура является Северная Америка. Растение очень быстро распространилось в Европе, в России и его выращивали уже в 1616 году [1].

Клубни топинамбура содержат 25-27% сухих веществ, содержание инулина от содержания сухих веществ составляет 80-75%. Инулин низкомолекулярный полимер фруктозы. Фруктоза является продуктом гидролиза инулина топинамбура. Фруктоза – сладкий природный лечебный сахар в 2,5 раза слаще глюкозы и 1,3 раза сахарозы, поэтому потребляется в меньшем количестве. Фруктоза для больных сахарным диабетом является наиболее предпочтительным сахаром [2,3].

Топинамур уникальное углевод содержащее растение, в клубнях содержится до 19-24% сухих веществ, из них 80% инулина – полисахарида фруктозы. В клубнях под действием собственного фермента инулиназы происходит естественное осахаривание инулина до фруктозы (78%) и глюкозы (19%) [4,5,9].

Переработка клубней топинамбура в настоящее время имеет значительные недостатки: очистка клубней от кожуры осуществляется в термических аппаратах паром и горячей водой в течение 20-30 мин, связана с потерей сухих веществ клубней до 30% главным образом углеводов. Кислотный гидролиз инулина до фруктозы в зависимости от температуры либо значительно деструктирует фруктозу, либо разрушается ее полностью.

Обработка клубней СВЧ ионизацией связана с нагревом клубней за 5 мин в центре клубней до 1000С и более. При высокой температуре происходит термическая разрушение фруктанов до токсических веществ – оксиметилфурфурола и алкиламидов. Кроме того происходит физическая модификация с образованием мертвых аминокислот, белков – ферментов.

При термообработке растворов фруктозы получаются продукты вторичного распада, а в кислотной среде количество вторичных продуктов распада увеличивается практически в 2 раза. Растворимость фруктозы в воде выше, чем у глюкозы и сахарозы, и из пресыщенных растворов фруктоза кристаллизуется очень медленно.

Принцип: чем меньше технологических операций проведенное продуктом, чем меньше добавлено ненатуральных ингредиентов, тем он натуральнее и полезнее.

Для получения чистой фруктозы используют инулин - полисахарид растительного происхождения, который достаточно много содержится в земляной груше (топинамбуре) и в клубнях георгина в виде полимера инулина, который при кипячении с слабой серной кислотой, и даже просто в водном растворе, целиком переходит во фруктозу. При испарении водного раствора в вакууме получается сироп, который, после промывания абсолютным спиртом, превращается в кристаллическую массу; фруктоза плавится при 95°C и начинает разлагаться при 100°C. Из спиртового раствора, получающегося при обработке инвертированного тростникового сахара на глюкозу, фруктоза может быть выделена посредством порошка гашеной извести, с которой она образует труднорастворимое соединение С6Н12О6.Са(ОН)2; последнее, после промывки, разлагают щавелевой кислотой или углекислотой [6,7].

Сейчас в большинстве стран мира фруктозу вырабатывают из крахмалсодержащего сырья путем получения глюкозного сиропа, а потом проводят изомеризацию глюкозы до фруктозы [8].

Таким образом, существующие технологии имеют значительные недостатки, связанные с ухудшением биохимических свойств целевых продуктов со значительными потерями сырья, энергии, сложностью и продолжительностью технологических процессов.

Материалы и методы

Материалы исследования является сок, выделенный из свежих клубней топинамбура сорта “Мўжиза”.

Методы исследования является процесс дробления, мацерации, обработка ультразвуком, самоосахаривание, центрифугирование, проведение ВЭЖХ, рН-метрия, ТСХ. Принципы перечисленных методов будут подробно рассмотрены ниже.

Процесс дробления. Клубни, очищенные от кожуры пропустили два раза через двух вольцовочную дробилку “MillMaster”, дробили до размера частиц - 0,5-1мм.

Процесс мацерации. Мякоть, полученная из дробилки, подвергалось мацерации под давлением газа СО2 0,5 МПа в течении 5-7 минут с мнгновенном сбросом давлении. Мякоть, полученная методом матерации был выжат через 4 слойную вату в колбу с соком, полученным после дробилки. Был взят образец из полученного сока и анализирован на свободную фруктозу (Ф1) методом ВЭЖХ и рН – метрией.

Определение фруктозы рН-метрическим методом. В термостатированную ячейку заливали 20 см3 точно 0,01 моль/дм3 раствора тетрабората натрия (Na2B407) и измеряли исходное значение рНо. Сок топинамбура перед испытанием нейтрализовали концентрированным раствором NaOH до значения pH 6,8-7. К 20 см3 точно 0,01 моль/дм3 раствора тетрабората натрия (Na2B407) приливали 5 см3 нейтрализованного сока топинамбура. После его введения замеряли рНх, определяли разностный показатель ∆рН = рНо- рНх.

Построение градуировочной зависимости по фруктозе. Для построения градировочного графика в 10 мерных колб объемом 50 см3 переносили пи-петками 0,5; 1,5; 2,5; 3,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10; 12; 14; эталонного раствора фруктозы.

В ячейку заливали 20 см3 точно 0,01 моль/дм3 раствора Na2B407 и изме¬ряли исходное значение рНо. К 20 см3 точно 0,01 моль/дм3 раствора Na2B407приливали 5 см3 раствора фруктозы. После введения пробы замеряли рНх. Определяли разностный рН-метрический сигнал ∆рН = рНо - рНх.

Для построения градуировочной зависимости по фруктозе использовали метод средних квадратов и строили калибровочную зависимость разностного потенциала от концентрации фруктозы.

Калибровочная зависимость разностного потенциала ∆рНот концентрации фруктозы.

Как описано выше также было проведенно испытание на соке и при помощи колибровачного графика было определенно значение свободной фруктозы Ф1.

Анализ методом ВЭЖХ. Хроматограф: AgilentTechnologies 1100 series, снабженный четырех градиентным насосом, вакуумным дегазатором, рефрактометрическом и УФ детектором.

Разделение проводили на колонке ZorbaxEclipseXDBC18 размером 10 см х 3 мм, 3.5 m.

Детектирование при l=280 нм

Градиент: 0 мин. – 80 % (0.1 М СН3СООН); 20 % МеОН.

25 мин. – 20 % (0.1 М СН3СООН); 80 % МеОН.

Испытание началось с анализа эталонов фруктозы и глюкозы с известными концентрациями 500мг/мл. Полученные результаты были использованны в анализе сока как стандартные образцы.

Измерение эталона фруктозы

Проба подготовка: 500 мг фруктозы взвесили на аналитических весах и растворили в 1 мл диионизированой воде.

Раствор, отфильтровали через 0.45 mm PVDFAcrodiscLC фильтры.

Объем инжекции - 20 мкл.

Измерение эталона глюкозы

Проба подготовка: 500 мг глюкозы взвесили на аналитических весах и растворили в 1 мл диионизированой воде.

Раствор, отфильтровали через 0.45 mm PVDFAcrodiscLC фильтры.

Объем инжекции - 20 мкл.

Как только получено результаты стандартного образца, взяты образцы соков, полученные методом мацерации и определены количество свободной фруктозы.

Проба подготовка: взяли 200 мкл сока в стерильную пробирку с объемом 1,5 мл.

Сироп, отфильтровали через 0.45 mm PVDF Acrodisc LC фильтры.

Объем инжекции - 20 мкл.

После анализа сока, выжитую выжимку экстрагировали в 500 мл дистиллированной воде при 80 0С 20-25 минут и экстракт объединили с соком. Общий объем сока составил 1200 мл.

Процесс обработки ультразвуком для экстракции (Акустика). Вышедшие из дробилки сок и выжимку поместили в стерильную колбу. Основываясь на литературных данных было выбрано время и частота для градиента и провели ультразвуковой эксперимент. При окончании каждого эксперимента сок отдельно помещался в стерильную колбу, выжимка профильтровывалось через 4 слойную марлю и объединялся с соком. Был взят образец из основного сока и проведен анализ на количество свободной фруктозы методом рН- метрии.

Выжитую выжимку экстрагировали в 500 мл дистиллированной воде при 80 0С 20-25 минут и экстракт объединили с соком. Общий объем сока составил 1200 мл.

Анализ методом ТСХ. Пластинки с силикагелем, импрегнированные 0.3 М раствором NaH2PO4.

В пластинку накаплены образцы стандарта и сгустки (гущи). В качестве стандарта использованы растворы глюкозы и фруктозы.

Проявитель - орто-толуидинсалицилат.

Элюент: н-бутиловый спирт: метанол: вода (5: 3: 1);

Опрыскивание пластинок проводили орто-толуидинсалицилатом, с последующим нагреванием при 120°С в течение 5-10 мин.

Результаты и обсуждение

Для того, чтобы определить количество фруктозы в составе сока с помощью метода рН метрии, сначала провели градуировку в определенных концентрациях эталона фруктозы. С помощью калибровочного графика определено количество Ф1 (свободной фруктозы) в составе сока, полученного после процесса мацерации. Ф1 – 1,9%.

Количество Ф1 в составе сока, полученного после процесса мацерации, определен при помощи метода ВЭЖХ. Испытание началось с анализа эталонов фруктозы и глюкозы с известными концентрациями 500мг/мл. Полученные результаты были использованы в анализе сока как стандартные образцы. Результаты испытаний приведены ниже.

ml

Рисунок 1. Sample Info:  fructose 500mg/

Рисунок 2. Sample Info:  glucose 500mg/ml

По результатам эксперимента выяснилось, что есть разницы во времени удерживания (пиков) эталонов глюкозы и фруктозы.

Рисунок 3. Sample Name: syrup

Значение 2% Ф₁ определенный методом ВЭЖХ , значит 20 мг/мл.

На следующем этапе, мы проводили ультразвуковую обработку мезги-сока. Основываясь на литературных данных было выбрано время и частота для градиента и проведенияультразвуковой экстракции. При окончании каждого эксперимента был взят образец из сока и проведен анализ на количество свободной фруктозы методом рН- метрии, результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты анализа на количество свободной фруктозы методом рН- метрии

Как видно из таблицы при 10 мин и 18 кГц и при 3 мин и 20 кГц достигается наибольшее количество свободной фруктозы , 1,25% и 1,28% соответственно.

Количество Ф₁ в составе сока полученный классическим методом, определен с помощью метода рН – метрия.  Ф₁ = 1,1%.

Проведенные эксперименты показали, что недостаточно использование только метода дробления для того, чтобы клетки из клубней топинамбура разрушились полностью и клеточные вещества вышли полностью в сок. На этом этапе метод мацерации показал себя более эффективным, простым и энергосберегающим.

На следующем этапе мы исследовали процесс самоосахаривания. Эксперименты проводили при разных градиентах температуры, времени и рН. Полученное количество моносахарида (фруктоза) определяли методом рН-метрии.

Таблица 2.

 Результаты процесса самоосахаривания при дроблении клубней

Таблица 3.

Результаты процесса самоосахаривания сока полученного ультразвуковым методом

Таблица 4.

Результаты процесса самоосахаривания сока полученного методом мацерации

Общий вывод полученный из трех таблиц заключается в следующем. Сок из клубней топинамбура из сорта “Мужиза”, обработанный классическим и ультразвуковым методом, имеет в составе фермент инулиназу, которая имеет высокую эффективность при 37⁰С , рН = 6,37 – 6,45 в течении 24 часов. Фермент, полученный методом мацерации, эффективен при 37⁰С , рН – 6,37 – 6,45 в течении 20 часов.

После достижения максимального уровня количество фруктозы с возрастанием времени уменьшается. Это можно объяснить тем, что фруктоза очень чувствителен к температуре, рН среду и на давлению, так как он является лабильным сахаром. Кроме этого, в процессе ферментативного гидролиза показатель рН сдвигаетсяв сторону кислотности по сравнению с изначальным показателем. Из-за повышения кислотности среды могут проходит процессы образования вторичных веществ.

По количеству фруктозы метод мацерации является наиболее продуктивным.

Получение кристаллической фруктозы. Для того чтобы получить кристаллическую фруктозу, сок надо сгустить. Для этого сгушали сок не более 90% фруктозы в лиофильной сушке 8 часов. Отобрали образец из сгустка и провели качественный и количественный анализ на фруктозу методам ВЭЖХ.

Анализ методом ВЭЖХ.

Рисунок 4. Sample Info: Concentrate

Количество фруктозы определенный методом ВЭЖХ составил 11,2%, то есть 112 мг/мл.

Результатом исследования является то, что из 1 кг клубни топинамбура нами было полученно 134,4 г или 13,44 % моносахарида фруктозы методом мацерации.

Выводы. Показано, что недостаточно использование только метода дробилки для того, чтобы провести деструкцию клеточной структуры клубней. На этом этапе метод мацерации показал себя более эффективным, простым и энергосберегающим. Определены оптимальные условия мацерации – а) давление в экстракторе 0,5 МПа; б) время 5-7 минут. Сок из клубней топинамбура сорта “Мужиза”, обработанный классическим и ультразвуковым методом, имеет в составе фермент инулиназу, которая имеет высокую эффективность при 37°С, рН = 6,37 – 6,45 в течении 24 часов. Фермент, полученный методом мацерации, эффективен при 37°С, рН – 6,37 – 6,45 в течении 20 часов. В результате исследований нами было получено из 1 кг клубней топинамбура 134,4 г или 13,44 % моносахарида - фруктозы методом мацерации.

Список литературы:

1. Квитайло И.В., Кожухова М.А., Степуро М.В. Сравнительный биохимический анализ клубней топинамбура различных сортов.// Известие вузов, пищевая технология, №2,3 2010-с.20-21.
2. Аманова М, Мавлянова Р., Рустамов А. Топинамбур экини уругчилиги бўйича тавсиянома Узбекистон Фанларакадемияси, Фан нашриети, Тошкент-2011.21б.
3. Голубев В.И., Волкова И.В., Кушанов Х.М. Состав, свойства, способы переработки, области применения. Астрахань-Изд.-Полиграф. Комплекс Волга, 1995.- 81с.
4. VanHaastrecht, J. (1995) Promising performers; oligosaccharides present new product development opportunities for a wide range of processed foods.Int. Food Ingredients.No. 1:23-27.
5. Кантере В.М., Винаров А.Ю., Мухамеджанов Т.Г. и др. Способ приготовления фруктозного сиропа. Патент РФ №2167178 от 20.05.2001.
6. Перкопец Майя. Функциональные продукты с инулином и олигофруктозой. – Новое слово в индустрии напитков // Индустрия напитков, №6, 2007, С.68-71.
7. Семенов Г.В., Буданцев Е.В., Булкин М.С. Качество и энергозатраты в процессе вакуумного обезвоживания термолабильных материалов // Известия вузов, Пищевая технология, №1, 2011.-С. 65-67.
8. Crittenden, R. &Planyne, M. (1996) Production, properties and applications of food grade oligosaccharides.Trends Food Sci. Technol.7:357.
9. Абдуразакова С.Х., Туробджанов С.М., Таджибаева Ф.Ф. Способ получения природного инулинового концентрата из клубней топинамбура в виде порошка, заявка № IAP2011.0450.