Предварительная обработка корзинок-соцветий подсолнечника для получения качественных гидратопектинов

Основными видами пектиносодержащего сырья являются: свекловичный жом, выжимки семечковых культур и цитрусовых, корзинки-соцветия подсолнечника.

Получение пектина в промышленных условиях представляет сложное производство с определенными требованиями, предъявляемыми и к сырью, и к полупродуктам производства – пектиновому экстракту, пектиновому концентрату.

Основным требованием является содержание пектиновых веществ в используемом сырье, причем, особое значение имеет фракционный состав. Установлено, что при содержании протопектина в сырье 70…90 % к сумме пектиновых веществ сырье является промышленно значимым, т.е. его использование для производства пектина и пектинопродуктов экономически целесообразно [1, с. 31-34].

Анализ современного рынка пектина и пектинопродуктов показал необходимость разработки высокой технологии производства пектиновых экстрактов и концентратов с высокими качественными показателями. В первую очередь, они должны отличаться высоким содержанием пектиновых веществ с повышенной комплексообразующей способностью.

Для получения качественных пектиновых экстрактов имеет огромное значение подготовка сырья к процессу гидролиза-экстрагирования гидратопектинов.

Основной технологической задачей является ослабление связи протопектина матрикса с целлюлозой и гемицеллюлозой. Особое значение при оценке качества пектинового экстракта имеет его чистота, т.е. содержание балластных по отношению к пектину веществ. Такими, балластными, соединениями могут быть остатки сахаров, крахмала, белковых веществ, полифенолов, гликозидов, воскоподобных веществ и т.п. Следовательно, предварительная обработка пектиносодержащего сырья и подготовка к гидролизу-экстрагированию должны включать: очистку сырья от балластных по отношению к пектину веществ и подготовку клетки, в основном ее оболочки, к гидролизу-экстрагированию [2].

С учетом технологических особенностей изучаемого сырья нами проведены экспериментальные исследования, основная цель которых заключалась в получении пектинового экстракта с максимальным содержанием пектина и низким содержанием балластных веществ.

Предварительную обработку осуществляли путем:

– проведения процесса промывки-набухания сырья;

– обработки сырья целлюлолитическими ферментами; неполярными растворителями; ЭАВС (электроактивированной водной системой).

Задачей исследований явилось проведение предварительной обработки корзинок-соцветий подсолнечника с применением различных методов.

Масса сухих корзинок подсолнечника составляет 50…60 % массы урожая семян. Химический состав надземной массы подсолнечника варьирует в широких пределах. Корзинки подсолнечника содержат значительные количества кальция (1.32…1.58 %) и фосфора (0.23…0.36 %), а также липидов (3.5…3.8 %), которые могут являться препятствием при извлечении пектиновых веществ, содержащихся в подсолнечнике. Безазотистые экстрактивные вещества, в состав которых входят углеводы, составляют 60.1…66.6 % [3, с. 204-216].

Корзинки-соцветия подсолнечника, помимо растворимых углеводов, содержат большое количество ценных, менее подвижных углеводов – пектина и пентозанов, имеющих самостоятельное промышленное значение. Количественное содержание пектина и пентозанов в корзинке подсолнечника находится в зависимости от фазы спелости растения. Содержание лигнина находится в пределах 8.8…9.7 %, целлюлозы – 21.8…26.6 % . Содержание пектиновых веществ в соцветиях подсолнечника колеблется от 24 до 35.7 % на воздушно-сухую массу.

Сумма зольных элементов в корзинке высокомасличных сортов подсолнечника составляет 13.3…14.6 %, у низкомасличных – 10.8…11.3 %. В стеблях среднее содержание золы равно 7 %. В золе корзинок-соцветий подсолнечника преобладает калий, затем фосфор и кальций, содержание магния в два раза меньше, чем фосфора, и значительно меньше, чем кальция.

В вегетативных органах подсолнечника, за исключением стеблей, содержится относительно высокое количество фосфора. В соцветиях подсолнечника содержится 0.55% общего фосфора. Среди фосфоросодержащих соединений наибольший процент занимают минеральные фосфатиды – 0.345 %, белковый фосфор – 0.144 %; фосфорные эфиры составляют 0.033 %, фосфатиды 0.029 %. Вероятно, именно фосфорные соединения являются ответственными за особый вкус и аромат подсолнечника, который является в некоторых случаях нежелательным, сохраняясь, в частности, в готовом подсолнечном пектине и, далее, в пищевой продукции [3, с. 204-216].

Многие из вышеперечисленных веществ могут переходить при проведении гидролиза-экстрагирования в раствор, загрязняя его нежелательными для пектина веществами. Лучшим вариантом удаления этих веществ является этап подготовки сырья к процессу гидролиза-экстрагирования.

Таким образом, для получения пищевых пектиновых экстрактов из подсолнечного сырья необходима предварительная подготовка корзинок-соцветий подсолнечника к процессу гидролиза.

Известно, что в корзинках подсолнечника имеется значительный ферментный комплекс, в состав которого входят и пектолитические ферменты, ответственные за сохранность или деградацию пектиновых веществ в этом сырье. Такими пектолитическими  ферментами являются  полигалактуролаза и пектинэстераза.

Таким образом, срок хранения пектиносодержащего сырья в прямой зависимости от активности перечисленных ферментов.

Исследования, проведенные на 5 сортах подсолнечника, подтвердили отрицательное влияние пектолитических ферментов на содержание пектиновых веществ в корзинках подсолнечника при хранении. Их количество под действием данных ферментов снижается на 30…35 % в течение 12 месяцев.

С целью инактивации пектолитических ферментов проводили термическую обработку измельченных корзинок подсолнечника при 100°С в течение 2 ч, что приводит к полной инактивации пектолитических ферментов. При этом выход пектиновых веществ увеличивается. Наибольший выход пектиновых веществ наблюдается при обработке температурой 100°С, в течение 2…3 ч. Такая обработка позволяет сохранить пектиносодержащее сырье – корзинки подсолнечника – в течение 12…24 месяцев, без изменения качественного состава пектиновых веществ [4, с. 91-96].

Кроме того, дополнительная термическая обработка корзинок подсолнечника способствует денатурации белковых веществ, входящих в состав ферментов, которые снижают содержание пектиновых веществ в сырье при хранении. При этом наблюдается ослабление взаимодействия между молекулами протопектина, целлюлозы, белков и других веществ, входящих в состав клеточных стенок и срединных пластинок растений. Вследствие всего этого проницаемость клеток возрастает и поступление пектиновых веществ в раствор увеличивается [4, с. 91-96].

Основываясь на том, что в состав смолистых веществ корзинок подсолнечника входят полифенолы, эфирные масла, смолы, агликоны, различные ароматические соединения, т.е. вещества нерастворимые в воде, но растворимые в различных органических растворителях, а также учитывая результаты исследований, предварительную обработку подсолнечного сырья проводили разными растворителями. Для этой цели использовали этилацетат и ацетон. Оба этих растворителя являются неполярными и хорошо растворяют различные органические соединения. Эти обработки показали хорошие результаты.

Однако практика предварительной обработки пектиносодержащего сырья полярными и неполярными растворителями в промышленных условиях связана с определенными трудностями: необходимы специальные хранилища для этилацетата, велика пожаро- и взрывоопасность и т.д., что значительно усложняет и удорожает производство, хотя и обеспечивает получение продуктов высокого пищевого достоинства.

Из литературы известны способы получения пектина из различного сырья, при помощи различных ферментных препаратов и с использованием микроскопических грибов.

Под влиянием пектолитических ферментных препаратов увеличивается проницаемость клеточных стенок, нарушается целостность самих клеток, происходит переход протопектина в растворимую форму пектина и, как следствие – увеличение выхода пектина. Результаты исследований, проведенных нами по ферментной обработке подсолнечного сырья перед гидролизом, показали, что увеличение выхода пектина наблюдается в том случае, если продолжительность обработки ферментным препаратом составляет 0.5…1.0 ч. Оптимальной температурой обработки подсолнечного сырья ферментными препаратами является температура 40°С, при которой проявляется их максимальная активность. С помощью ферментов происходит улучшение качественных показателей подсолнечного пектина.

Для предварительной обработкикорзинок подсолнечника использовали следующие ферментные препараты: Пектофоетидин П1ОХ, Полиэнзимный комплекс целлюлозно-пектиназного действия (ПЭК), Ультразим 100 г, концентрацией 0.1…0.2 % на сухую массу сырья.

Все эти препараты обладают целым комплексом различных активностей, позволяющих комплексно воздействовать на субстрат пектиносодержащего сырья с целью получения пектина с высокими качественными показателями. При исследовании варьировали продолжительность и температуру обработки подсолнечного сырья и концентрацию ферментов. Определенное количество фермента растворяли в воде и заливали сухое измельченное сырье, обеспечивая гидромодуль 1 : 15. Для проведения исследований использовали сырье, прошедшее термическую обработку при температуре 100°С в течение 2 ч.

Результаты исследований по определению влияния предварительной обработки ферментными препаратами для корзинок-соцветий подсолнечника сорта Флагман подвергли математической обработке – трехфакторному дисперсионному анализу, который с помощью F_КР проверяет достоверность варьирования признаков при изменении градации рассматриваемых факторов. При этом учитывали концентрацию ферментов, температуру обработки и ее длительность.

Полученные результаты показали, что лучшими качествами обладали гидратопектины, полученные с применением ферментных препаратов ПЭК и У100Г.

По экспериментальным данным обработки корзинок-соцветий подсолнечника ферментными композициями ПЭК и Ультразим (У100Г) был проведен математический анализ. Данные математического анализа показали, что, судя по выходу пектиновых веществ (частным средним), обработка пектинового сырья ферментной композицией ПЭК и У100Г более эффективна, чем обработка П1ОХ. Все частные средние имеют более высокие абсолютные величины, чем при обработке П1ОХ. Однако, как и при обработке пектофоетидином, значительное влияние оказывает температура 40 °С. При температуре 20 °С выход пектиновых веществ ниже, но самый низкий выход пектиновых веществ отмечен при температуре 60 °С. Эффекты действия подтверждают это положение: при температуре 40 °С все эффекты действия имеют положительный знак, независимо и от концентрации ферментного препарата и от влияния длительности обработки.

Анализ средних взаимодействий изучаемых факторов показывает, что при варьировании температуры обработки влияние ПЭК и У100Г существенно выше при температуре 40 °С. С помощью НСР показано, что градации температуры и длительности обработки ферментных композиций на выход пектиновых веществ различаются существенно. Однако при изменении времени обработки существенно отличается только 0.5 ч и 1 ч. По температурному режиму однозначно выделяется градация 40 °С. При анализе эффектов взаимодействия концентрации и температуры видно, что по температурным градациям различия существенны, а по разной концентрации фермента различие эффектов взаимодействия несущественно.

Среди эффектов взаимодействия концентрации и длительности обработки ферментной композицией ПЭК и У100Г существенно различаются средние по градациям времени 0.5 ч и 1 ч. Все остальные различия несущественны.

Оценка эффектов взаимодействия температуры и длительности обработки показывает, что все различия по температуре существенны, а по длительности обработки существенно отличается от остальных градаций только 0.5 ч.

По F-критерию установлено, что все три фактора достоверно влияют на выход пектиновых веществ при обработке сырья ферментными композициями ПЭК и У100Г.

Влияние ферментной композиции Ультразим (У100Г) очень близко по своему действию к ПЭК.

Влияния изучаемых факторов на детерминацию пектиновых веществ при обработке сырья подтверждаются оценкой доли влияния их на отклики. Откуда видно, что варьирование предварительной обработки сырья Ультразимом и ПЭК на 99 % зависит от температурного режима. Влияние концентрации ферментного препарата очень незначительно. Выход пектиновых веществ от других факторов практически не зависит.

Сопоставимость долей влияния фактора температуры при предварительной обработке сырья ферментными препаратами Ультразим и ПЭК объясняется их схожей целлюлолитической активностью, которая очень близка.

Таким образом, трехфакторный дисперсионный анализ влияния предварительной обработки корзинок-соцветий подсолнечника на выход пектиновых веществ подтвердил эффективность предлагаемой обработки ферментными препаратами.

Показатели качества пектинового экстракта, полученного из корзинок-соцветий подсолнечника представлены в таблице 1, что подтверждает эффективность ферментной обработки корзинок-соцветий подсолнечника.

Таблица 1

Показатели качества пектинового экстракта, полученного из корзинок- соцветий подсолнечника после предварительной обработки ферментными препаратами

Лучшие результаты получены после обработки ферментным препаратом Ультразим 100Г, близок к нему ПЭК. Это говорит о том, что ферменты с высокой целлюлолитической активностью показывают хорошие результаты при обработке пектиносодержащего сырья, в данном случае корзинок подсолнечника [5, с. 1].

На основе экспериментальных и теоретических исследований, учитывая особенности биохимического состава корзинок подсолнечника, установлена целесообразность проведения предварительной обработки корзинок подсолнечника, которая включает тепловую обработку измельченных корзинок подсолнечника (сушку) при температуре 100°С в течение 2 ч, затем ферментацию – обработку растительного сырья раствором пектолитических ферментных препаратов концентрацией 0.1 % (к массе сухого сырья), при температуре 40 °С. Выявлено влияние полярных и неполярных растворителей в процессе предварительной обработки подсолнечного сырья, как фактора, влияющего на выход конечного продукта и улучшение качества.

На способ предварительной подготовки корзинок-соцветий подсолнечника перед гидролизом-экстрагированием получен патент РФ [6, с. 1].

Литература:

1.    Пектинсодержащее сырье для функциональных напитков. Влащик Л.Г. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2006, №18, с.31-34.

2.    Биохимическое обоснование технологии получения пектина повышенной биологической ценности из соцветий подсолнечника. Соболь И.В. автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук / Краснодар, 1997г.

3.    Влияние сорта подсолнечника на выход и качество пектиновых веществ. Донченко Л.В., Соболь И.В. Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2006. № 4, с. 204-216.

4.    Влияние вида и концентрации гидролизующего агента на кинетику извлечения пектиновых веществ из корзинок подсолнечника. Соболь И.В. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2006, № 22, с.91-96.

5.    Способ выделения пектина из корзинок подсолнечника. Квасенков О.И., Надыкта В.Д., Родионова Л.Я., Квасенков И.И., Донченко Л.В., Соболь И.В., патент на изобретение RUS 2247731 13.05.2003

6.    Способ выделения пектина из корзинок подсолнечника. Донченко Л.В., Соболь И.В., Квасенков О.И., Надыкта В.Д., Родионова Л.Я., Квасенков И.И., патент на изобретение RUS 2248361 13.05.2003.