Патент на изобретение №2262865

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЕКТИНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к получению пектина с заданной степенью этерификации. Способ предусматривает то, что растительное сырье обрабатывают при температуре 60-70°С композицией микробных ферментов, включающей пектинлиазу, гемицеллюлазу, амилазу, а также целлюлазу с активностью 2000-7600 ед/г и протеазу с активностью 70-280 ед/г. При этом суммарная доза микробных ферментов составляет 0,05-0,1% к массе сырья. Далее осуществляют фильтрацию и концентрирование до содержания пектина 3-8%, после чего полученный концентрат обрабатывают в течение 0,25-2 часов препаратом пектинэстеразы с активностью 70-280 ед/г для получения пектина со степенью этерификации от 20 до 68%. После чего проводят его дальнейшую сушку до получения порошкообразного препарата. В качестве растительного сырья можно использовать наземную часть амаранта в сухом измельченном виде или сухие яблочные выжимки. Способ позволяет увеличить выход пектина и получить препарат с заданной степенью этерификации. 2 з.п. ф-лы.

Данное изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к получению пектина с заданной степенью этерификации, используемого при производстве кондитерских, молочных продуктов и напитков, а также профилактических радиопротекторных и детоксичных средств питания.

Известен способ получения пищевой добавки (1), заключающийся в том, что используемое сырье обрабатывают ферментными препаратами микробного происхождения, гидролизующих полисахариды и белки сырья.

Данный способ позволяет получить пищевую добавку, содержащую в основном волокна целлюлозы и высокоэтерифицированные пектины, обладающие низкой радиопротекторной способностью, что не позволяет использовать их в медицинской промышленности. Кроме того, использование такого пектина в составе добавки ограничивает его применение в пищевой промышленности, в частности в молочной и мясной промышленности, где необходимо использование низкоэтерифицированных форм пектина. Низкая растворимость в воде такой пищевой добавки также ограничивает ее применение в пищевой промышленности, в частности в производстве напитков.

Известен способ получения пищевой добавки, включающий волокна целлюлозы и пектин, из отходов растительного сырья (2). В известном способе деэтерификация пектина осуществляется с использованием химического реагента, насыщенного раствора извести. Это обусловливает необходимость неоднократной промывки полупродукта дистиллированной водой и приводит к трудоемкости процесса.

Более того, использование жестких щелочных реагентов приводит к загрязнению сточных вод и делает способ нецелесообразным с точки зрения экологии производства.

Особенно важным является тот факт, что использование химических реагентов не позволяет получить продукты с заданной степенью этерификации, необходимые для использования в различных отраслях пищевой промышленности и медицине.

Наиболее близким способом производства пектинового препарата к предложенному способу является способ производства пектинового препарата из растительного сырья, включающий предварительное набухание сырья и ферментативную обработку микробными ферментами с последующей фильтрацией, концентрированном экстракта и сушкой концентрата (3) – прототип.

При этом используют ферментные препараты, в состав которых входят пектинлиаза, пектинэстераза, гемицеллюлаза и амилаза в широком диапазоне активности. Действие указанного комплекса ферментов обеспечивает гидролиз полисахаридов сырья, включая пектин и некоторое увеличение выхода пектина в экстракт.

Однако действие нетермостабильных ферментных препаратов в оптимальных для них режимах температуры 34-40°С не обеспечивает полноту экстракции пектина. Согласно традиционной технологии для достижения максимальной экстракции требуется более высокая температура: 60-70°С.

Отсутствие протеазы и целлюлазы в композиции ферментов по прототипу приводит к неполному выходу пектина в экстракт.

Кроме того, что особенно важно, такой способ не позволяет получить продукт с заданным показателем степени этерификации (СЭ) пектина, что ограничивает его применение для получения различных пищевых продуктов, а также в медицине.

В последние годы к показателю СЭ пектина предъявляются особые требования. Например, в кондитерской промышленности при производстве желейных изделий (мармелад, пастила, зефир) требуется пектин медленной садки со СЭ на уровне 62-64%. В молочной промышленности, при производстве йогуртов, десертов, сметаны СЭ применяемых пектинов должна быть в пределах 60%, что связано с вступлением пектинов в реакцию с кальцием и казеином молока.

В мясной промышленности целесообразно использование низкоэтерифицированных пектинов (<50%), обеспечивающих высокую влагосвязывающую и влагоудерживающую способность мясной системы.

Получить пектин с заданной СЭ по прототипу не представляется возможным из-за комплексного воздействия ферментов в одном процессе – на стадии обработки сырья. При этом соотношении сырье: вода (гидромодуль) варьируется от 1:5 до 1:20.

Чем выше гидромодуль, тем ниже концентрация ферментов в гидролизуемом растворе. При низкой концентрации ферментов, в частности пектинэстеразы, необходимо увеличение дозы используемых ферментов, что делает процесс нерентабельным. Кроме того, активность используемой пектинэстеразы слишком мала для достижения СЭ на уровне 20-25%.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение выхода продукта и получение пектинов с заданной степенью этерификации.

Этот технический результат достигается тем, что способ производства пектинового препарата включает то, что растительное сырье обрабатывают при температуре 60-70°С композицией микробных ферментов, включающей пектинлиазу, гемицеллюлазу, амилазу, а также целлюлазу с активностью 2000-7600 ед/г и протеазу с активностью 70-280 ед/г, при этом суммарная доза микробных ферментов составляет 0,05-0,1% к массе сырья, далее осуществляют фильтрацию и концентрирование до содержания пектина 3-8%, после чего полученный концентрат обрабатывают в течение 0,25-2 часов препаратом пектинэстеразы с активностью 70-280 ед/г для получения пектина со степенью этерификации от 20 до 68% с дальнейшей его сушкой до получения порошкообразного препарата.

Возможно в качестве растительного сырья использовать наземную часть амаранта в сухом измельченном виде.

Также возможно в качестве растительного сырья использовать сухие яблочные выжимки.

Данный способ позволяет более целесообразно вести ферментативный процесс, а именно в два этапа: на первом этапе – использовать гидролазы: гемицеллюлазу, амилазу, целлюлазу, протеазу, а также пектинлиазу при обработке растительного сырья, а на втором этапе – высокоочищенную пектинэстеразу при действии ее на полупродукт – жидкий концентрат с содержанием пектина 3-8%.

Это позволяет снизить расходы на ферментные препараты при уменьшении дозы. Особенно важно, что в предложенном решении возможно получение пектина с заданной степенью этерификации. Этот эффект достигается в динамике процесса деэтерификациии, причем СЭ четко коррелирует с продолжительностью процесса. Появляется возможность вести процесс деэтерификации при оптимальных значениях температуры для данного ферментного препарата (40-45°С) и естественном для концентрата рН – 2,8-3,6.

При такой двухстадийной ферментной обработке целесообразно на первой стадии – при воздействии непосредственно на сырье использовать термостабильные композиции ферментов, включающие карбогидразы: амилазу, гемицеллюлазу, целлюлазу, а также лиазу и кислую протеазу.

Используемая амилаза по механизму действия относится к -амилазам, т.е. является эндоферментом, гидролизующим крахмал внутри цепи до растворимых форм.

При этом понятно, что -амилаза и глюкоамилаза не оказывают влияние на выход и качество пектина, в то время как -амилаза, разрушая крахмал до низкомолекулярных форм, позволяет освободить экстракт пектина от сопутствующих продуктов на стадии микрофильтрации, а затем ультрафильтрации.

Таким же образом удается освободить пектин от продуктов гидролиза целлюлозы (клетчатки), которые накапливаются в результате воздействия фермента целлюлазы на целлюлозопектиновый комплекс. При этом механизм действия целлюлазы обеспечивает наиболее полнее выделение пектина в экстракт и соответственно увеличивает выход целевого продукта.

Действие входящей в композицию карбогидраз гемицеллюлазы (глюканазы) проявляется в разрушении глюканов пектинсодержащего сырья, препятствующих экстракции пектина в водном растворе и загрязняющих конечный продукт.

Механизм действия пектинлиазы существенно отличается от действия перечисленных карбогидраз, относящихся к классу гидролаз. Для данного фермента характерна способность катализировать расщепление – 1,4 связей в молекуле пектина с образованием продуктов реакции с ненасыщенными связями между 4 и 5 атомами углерода в молекуле галактуроновой кислоты.

При этом негидролитическом типе ферментативного воздействия происходит выделение пектиновых веществ и их переход в водный раствор без уменьшения их молекулярной массы и, следовательно, без потерь их природных студнеобразующих свойств.

Добавление в композицию ферментов протеазы способствует увеличению выхода пектина за счет высвобождения пектиновых веществ, входящих в белково-пектиновые комплексы растительного сырья.

Понятно, что предлагаемая микробная протеаза относится к «кислым» протеазам, т.е. фермент проявляет наибольшую активность в кислой зоне рН: 2,8-3,6, соответствующей рН экстрактов и концентратов пектина. Незначительные изменения рН, которые происходят в результате накопления продуктов гидролиза, не выходят за рамки этих значений.

При оптимальной температуре действия композиции ферментов – 60-70°С происходит интенсивный гидролиз крахмала, гемицеллюлоз, целлюлозы и белков с последующим отделением продуктов гидролиза на следующих стадиях. Помимо этого, такая температура является оптимальной для процесса экстракции пектина в водный раствор. Все это обеспечивает наиболее полный выход конечного продукта. Кроме того, снижается доза композиции ферментов: суммарная доза ферментных препаратов для обработки пектинсодержащего сырья составляет – 0,05-0,1% к весу сырья (на порядок ниже, чем в прототипе). Ферментативную обработку растительного сырья проводят при температуре 60-70°С. Исходное сырье подбирается так, чтобы в экстракте и концентрате рН находилась в пределах 2,8-3,6.

Соотношение сырье: вода (гидромодуль) оптимально в диапазоне 1:5-1:8. При этом процесс набухания сырья объединяется с процессом ферментативной обработки сырья в тех же режимах.

Экстракт пектина после механической фильтрации самотеком через металлическую сетку с тканевым фильтром подвергают очистке – осветлению и концентрированию методом микрофильтрации ультрафильтрации. Процесс ферментативной деэтерификации пектина осуществляется следующим образом: полученный концентрат с содержанием пектина 3-8% обрабатывают ферментным препаратом высокоочищенной пектинэстеразы при температуре 40-45°С в течение 0,25-2 часов. Доза препарата составляет 0,05-0,2 г/г пектина в концентрате с активностью 70-280 ед/г. Деэтерифицированный концентрат пектина сушат одним из известных способов: вакуум-высушиванием, сушкой в псевдосжиженном слое, распылительной или леофильной сушкой.

При проведении ферментативной обработки сырья композицией микробных ферментов, с последующей фильтрацией жидких концентратов пектина и сушкой продукта, при ферментативной обработке сырья используют композицию термостабильных ферментов, включающую лиазу, ряд карбогидраз и протеазу, например с такими их активностями: пектинлиазу с активностью от 10000 до 40000 ед/г, гемицеллюлазу с активностью от 750 до 1500 ед/г, амилазу с активностью от 20 до 140 ед/г, целлюлазу с активностью 2000-7600 ед/г и протеазу с активностью 70-280 ед/г. Деэтерификацию пектина проводят, обрабатывая жидкие концентраты пектина высокоочищенным препаратом пектинэстеразы с активностью 70-280 ед/г, варьируя продолжительность процесса для получения заданного значения степени этерификации от 20% до 68% с интервалом 1-2%.

Сравнивая технологические режимы выделения пектина, указанные в прототипе, необходимо отметить, что общая продолжительность процесса снижается до 1,75-4 часов (в зависимости от активности препарата) за счет объединения процесса набухания сырья и его ферментативной обработки.

Значительно снижается расход ферментных препаратов – до 0,05-0,1% к массе сырья на первой стадии и до 0,05-0,2% г/г пектина на второй стадии. Различие в дозах объясняется активностью ферментных препаратов, но не выходят за указанные пределы.

Уменьшение дозы препаратов в 10 раз способствует получению более очищенных, не загрязненных чужеродными белками, к которым относятся ферменты, готовых форм пектина.

Введение в композицию целлюлазы и кислой протеазы (отличие от прототипа) позволяет высвободить из сырья дополнительное количество пектина за счет ферментативной деструкции целлюлозно-пектинового и белково-пектинового комплексов.

Конкретная реализация предложенного способа может поясняться, но не ограничиваться, следующими примерами.

Пример 1:

1 кг сухих яблочных выжимок промывают водой комнатной температуры 1-5-кратным объемом умягченной воды (6%-ной азотной или 3% серной кислотой). Заливают сырье 8 л такой же воды, добавляют ферментные препараты в количестве 0,05% к массе сырья в виде водного раствора. Каталитическая активность композиции ферментов составляет, ед/г:

пектинлиаза – 39800

гемицеллюлаза – 750

-амилаза – 40

целлюлаза – 2000

кислая протеаза – 70

Смесь сырья с водой доводят до температуры 60-70°С. При указанной температуре проводят инкубацию смеси, периодически перемешивая в течение 1,5 часов. После чего смесь фильтруют через металлическую сетку с тканевым фильтром самотеком.

Полученный экстракт очищают и осветляют методом микрофильтрации, затем концентрируют методом ультрафильтрации в 5-10 раз до содержания пектина в концентрате 3-8%. Концентрат пектина подвергают деэтерификации, обрабатывая его препаратом высокоочищенной пектинэстеразы в дозе 0,1 г/г пектина с активностью 140 ед/г. Температура процесса деэтерификации составляет 0,25 часа.

Сушку деэтерифицированного концентрата пектина проводят методом распыления при температуре на входе 100-130°С и на выходе 60-65°С в течение нескольких минут.

Получают порошкообразный яблочный пектиновый препарат со следующими весовыми показателями, %:

Содержание пектина – 75-85

Содержание влаги – 8-12

Содержание примесей – остальное, т.ч. волокна.

Качественные свойства полученного пектина характеризуются следующими показателями:

Степень этерификации (СЭ), % – 64

Желирующая способность, ⁰SAG – 150±5

Обсеменность КОЕ – 5·10¹

Увеличение выхода пектина по сравнению с прототипом (3) составляет 5-10%.

СЭ полученного яблочного пектина соответствует требованиям кондитерского производства (производство мармелада, зефира, пастилы).

Пример 2:

1 кг сухого сырья – измельченной наземной части амаранта промывают 8-10-кратным объемом умягченной воды, подготовленной также, как в примере 1.

Заливают сырье 5 л такой же воды, добавляют ферментные препараты в количестве 0,1% к массе сырья в виде водного раствора. Каталитическая активность композиции ферментов составляет, ед/г:

пектинлиаза – 20000

гемицеллюлаза – 1500

-амилаза – 20

целлюлаза – 7600

кислая протеаза – 140

Смесь сырья с водой доводят до температуры 60-70°С и при периодическом перемешивании подвергают действию ферментов в течение 2 часов.

После чего смесь фильтруют через металлическую сетку с тканевым фильтром под вакуумом.

Полученный экстракт очищают и осветляют методом микрофильтрации, затем концентрируют методом ультрафильтрации в 5-10 раз, до содержания пектина в экстракте 3-8%.

Концентрат пектина подвергают деэтерификации, обрабатывая его препаратом высокоочищенной пектинэтеразы с активностью 280 ед/г в дозе 0,05 г/г пектина. Температура процесса – 40-45°С, рН, естественный для концентрата – 2,8-3,6. Продолжительность процесса – 2 часа.

Сушку деэтерифицированного концентра пектина проводят методом распыления в сушилке с температурой на входе 128-132°С и на выходе 60-65°С. Получают порошкообразный амарантовый пектиновый препарат со следующими весовыми показателями, %

Содержание пектина – 70-75

Содержание влаги – 8-12

Содержание примесей, в том числе волокон – остальное

Качественные свойства полученного пектина характеризуются следующими показателями:

Степень этерификации, % – 20

Желирующая способность, ⁰SAG – 100±5

Обсемененность, КОЕ – 15·10¹

Содержание пектина определяют стандартным способом, по ТУ 1096327-91 (1991 г.). Метод основан на осаждении пектина этанолом с последующим высушиванием осадка до постоянного веса.

Качественные показатели пектинов определяют в соответствии с ГОСТ-29186-91. Увеличение выхода пектина по сравнению с прототипом (3) составляет 10-15%. СЭ пектина из амаранта соответствует требованиям мясной и молочной промышленности, где он используется как структурообразователь и влагосвязывающий агент, а также в профилактических и лечебных продуктах питания.

Пример 3:

1 кг сухих цитрусовых альбедо (апельсиновое, лимонное) промывают 6-12-кратным объемом умягченной воды, подготовленной, как в примере 1.

Заливают сырье 6 л такой же воды, добавляют ферментные препараты в количестве 0,075% к весу сырья в виде водного раствора. Каталитическая активность композиции ферментов составляет, ед/г:

пектинлиаза – 2500

гемицеллюлаза – 1000

-амилаза – 30

целлюлаза – 3500

кислая протеаза – 280

Смесь сырья с водой доводят до температуры 60-70°С и при периодическом перемешивании подвергают действию ферментов в течение 1,6 часа.

После чего смесь фильтруют через металлическую сетку с тканевым фильтром под вакуумом.

Полученный экстракт очищают и осветляют методом микрофильтрации, затем очищают и концентрируют методом ультрафильтрации в 5-10 раз до содержания пектина в концентрате 3-8%.

Концентрат пектина подвергают деэтерификации, обрабатывая его пектинэстеразой с активностью 70 ед/г в дозе 0,2 г/г пектина в концентрате. Температура процесса – 40-45°С, рН-2,8.

Сушку деэтерифицированного концентрата пектина проводят методом распыления в сушилке с температурой на входе 128-132°С и на выходе 60-65°С.

Получают порошкообразный цитрусовый пектиновый препарат со следующими весовыми показателями, %:

Содержание пектина – 80

Содержание влаги – 8-12

Содержание примесей, в т.ч. волокон – остальное.

Качественные свойства цитрусового пектина характеризуются следующими показателями:

Степень этерификации, % – 62

Желирующая способность, ° SAG 145±5

Обсемененность, КОЕ – 10·10¹

Увеличение выхода пектина по сравнению с прототипом (3) составляет 5-7%. СЭ цитрусового пектина соответствует требованиям кондитерского производства (желейные продукты медленной садки), а также производства напитков.

Использование предложенного технологического решения позволяет увеличить выход пектина и получить препарат с заданной степенью этерификации, что позволяет использовать его в конкретных пищевых производствах: кондитерском, молочном, мясном, а также в производстве напитков и профилактических продуктов питания.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1324628, кл. А 23 L 1/06, 1985.

2. Патент РФ №20582953, кл. А 23 L 1/0524, опубликованный 27.01.1996 года.

3. Патент РФ №2181551, кл. А 23 L 1/0524, опубликованный 27.04.2002 года.

Формула изобретения

1. Способ производства пектинового препарата, характеризующийся тем, что растительное сырье обрабатывают при температуре 60-70°С композицией микробных ферментов, включающей пектинлиазу, гемицеллюлазу, амилазу, а также целлюлазу с активностью 2000-7600 ед/г и протеазу с активностью 70-280 ед/г, при этом суммарная доза микробных ферментов составляет 0,05-0,1% к массе сырья, далее осуществляют фильтрацию и концентрирование до содержания пектина 3-8%, после чего полученный концентрат обрабатывают в течение 0,25-2 ч препаратом пектинэстеразы с активностью 70-280 ед/г для получения пектина со степенью этерификации 20-68% с дальнейшей его сушкой до получения порошкообразного препарата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют наземную часть амаранта в сухом измельченном виде.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют сухие яблочные выжимки.