Альтернатива Iмпорту Cиропів З Високим Рівнем Глюкози

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 глюко­ зою) фруктоза має більш приємний смак, і згідно з професій­ ною термінологією смак фруктози – «медовий», а звичайного цукру – нудно­солодкий. Фруктоза в 1,65 раза солодша за сахарозу і більш ніж у 2,2 раза солодша глюкози, що відповідно зменшує її споживан­ ня, 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 виробниц­ тва морозива, кондитерських виробів тощо. Сироп з високим умістом фруктози застосовується для ви­ готовлення 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 D­глюкози і D­фруктози. Здатність до біосинтезу інвертази мають багато мікроорга­ нізмів, але найбільш вивченою групою серед них є дріжджі і зо­ крема Sacharomyces cerevisiae. Останнім часом одержані резуль­ тати, які свідчать проте, що дріжджі К.marxianus синтезують інвертазу, активність якої у 2–3 рази вища, ніж S. cerevisiae (Жеребцов Н.А. та ін., 2003). У біотехнологічному процесі одержання інверту використо­ вується інвертаза, іммобілізована на різноманітних носіях орга­ нічної 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 о С він втратив лише 20 % своєї первинної активності. Включення інвертази у поліакриламідний гель дає можли­ вість отримати біокаталізатор, який має високу стабільність при температурі 30о – за 450 діб безперервної роботи активність інвертази зменшилася лише на 10 %. Індійська національна корпорація NRDC розробила проми­словий процес інверсії цукру, біокаталізатором якого є дріж­ джові 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 фермен­ тативним шляхом за участю ферменту глюкоізомерази як роз­чинної, так і іммобілізованої. У промисловості глюкоізомеразу використовують винятково в іммобілізованій формі. Комерційні препарати іммобілізованої глюкоізомерази отримують різнома­ нітними способами іммобілізації: адсорбцією ферменту на різних носіях (іонообмінних смолах і пористих неорганічних носіях); висушуванням цілих клітин продуценту, коли внутрішньоклі­ тинний 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 таблицi 10.2. наведенi способи iмобiлiзацiї

найбiльш розповсюджених препаратiв глюкоiзомерази

Незважаючи на всi переваги фруктози над цукром, її виробництво у свiтi практично було вiдсутне до середини 60-х рокiв минолого столiття.

 У 1966р. в Японiї вперше застосували розчиний препарат глюкоiзомерази для виробництва сиропу з високим умiстом фруктози. Отриманий продукт мiстив 42% фруктози 50%- глюкози та 8% iнших цукрiв. У 1973р. в США компанiєю "Клiнтон Корн" вперше було розпочато промислове виробництво сиропiв з високим умiстом фруктози, але використовували для цієї мети не розчинну глю коізомеразу, як японці, а іммобілізований на целюлозному іоно обміннику 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 ви користовувати у вигляді глюкозо фруктозного сиропу або відділити фруктозу, а глюкозу, яка залишилася, знову піддати ізомеризації. Біотехнологічний процес ізомеризації глюкози здійснюєть ся 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 напівінактива ції 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 чо му 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 скоро чувався 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 темпе ратурі 60 о С (рН 8,2), який пропускають через колону з Дуолітом А7 (рис. 10.2), а готовий продукт для видалення солей

Рис. 10.2. Схема процесу ізомеризації глюкози у фруктозу за допомогою глюкоізомерази, яка іммобілізована на фенолформальдегідній смолі (за Клесовим А. А., 1982)

пропускають послідовно через катіонообмінник і аніонообмінник. При безперервній роботі реактора протягом 40 днів не було встановлено мікробного забруднення системи через високу температуру (60 о С). Напівінактивується іммобілізована глюкоізомераза протягом 6 днів. Вартість виробництва при засто суванні іммобілізованого ферменту становила 61,5 % вартості продукту, виготовленого із застосуванням розчинної глюкоізомерази.

БIОТЕХНОЛОГІЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ КРОХМАЛЮ НА ГЛЮКОЗУ
Матерiал Пiдготував: Гладырь Р.Г.
За редакцією доктора біологічних наук, академіка УААН
 В.Г. ГЕРАСИМЕНКА