Совершенствование предварительной обработки свекловичного жома для получения пищевого пектинового экстракта

Анализ современного рынка пектина и пектинопродуктов показал необходимость разработки высокой технологии производства пектиновых экстрактов и концентратов с высокими качественными показателями [6, с. 47, 8, с. 1].

В первую очередь, они должны отличаться высоким содержанием пектиновых веществ с повышенной комплексообразующей способностью[9, с. 204-216, 10, с. 288-297].

Для получения качественных пектиновых экстрактов имеет огромное значение подготовка сырья к процессу гидролиза-экстрагирования гидратопектинов [4, с. 73-77, 5, с. 70-72].

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 [14, с. 45-46, 15, с. 267-270]. Такими, балластными, соединениями могут быть остатки сахаров, крахмала, белковых веществ, полифенолов, гликозидов, воскоподобных веществ и т.п. В каждом конкретном случае количественный и качественный состав этих веществ зависит от используемого сырья. 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. 1].

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).

Известно, что свекловичный пектин, полученный из жома сахарной свеклы после выделения сахара, имеет качественные показатели, которые отличают его от других пектинов [1, с. 143]. Имея низкую степень этерификации, свекловичный пектин обладает высокой комплексообразующей способностью, т. е. является природным комплексообразователем – эталоном низкоэтерифицированных пектинов. Это качество применяется в пищевой промышленности, в лечебном, лечебно-профилактическом и функциональном питании. Проблема получения из свекловичного жома жидких пектинопродуктов, обладающих высокими качественными показателями, стоит достаточно остро [16, с. 1].

Растительная ткань корнеплодов свеклы имеет сложное строение. Поверхность свеклы защищена слоем перидермы, состоящей из плотных, непроницаемых для воды опробковевших клеток, образующихся в результате пропитывания клеточных оболочек суберином. За перидермой следуют ткани коры и волокнистая часть, далее располагается паренхима, состоящая из округлых клеток, заполненных свекловичным соком. По вертикали паренхимную ткань пронизывают сосудистые пучки с вытянутыми клетками и лубяные волокна, придающие корнеплоду механическую прочность.

Химический состав сахарной свеклы достаточно богат. Содержание сухих  веществ  в корнеплоде свеклы составляет 20…25 %, сахарозы – 14¸18 %; органических растворимых несахаров – 2.2 %, нерастворимых – до 5 %.

До 5 % воды удерживается коллоидными веществами клеток свеклы. Свекла содержит до 0.1 % инвертного сахара, 0.2…1 % рафинозы (к массе сахарозы), кестозу, до 0.4 % инозита (миоинозита) и 0.3 % a-галактозидамиоинозита, до 2.2 % пектиновых веществ (к массе свеклы).

Гемицеллюлоза выражена арабанами и галактанами, которые не удаляются  при очистке соков и накаливаются в мелассе. Из органических кислот (0.27 % к массе свеклы) доказано присутствие адипиновой, глутаровой, малоновой, щавелевой, янтарной. Из оксикислотнайдены гликолевая и молочная, оксидикарбоновых – яблочная и винная, окситрикарбоновых – лимонная. Содержание этих кислот в диффузионном соке колеблется от 170 до 1900 мг/л.

Из гликозидов в свекле преобладают сапонины (в основном в наружном слое) до 0.14 %. В диффузионный сок переходит до 40 % сапонинов. Одна десятая процента жира свеклы к массе сухих веществ состоит из олеиновой кислоты – 36.1 %, эруковой – 18.6 %, пальмитиновой – 8.7 %.

В свекле содержится от 0.15 до 0.2 % азота, или до 1 % и более азотистых веществ. Эти несахара при извлечении сахара переходят в раствор. Среди них обнаружены белки, главным образом глобулины и нуклеопротеиды. В чистом виде не получены. При высаливании в осадок переходит белково-пектиновый комплекс.

В свекле обнаружены также азотистые основания – бетаин (до 0.3 %), холин в составе лицитина, пурины, пиримидины, соли аммония и нитриты; ароматические вещества – ацетамид, ванилин; витамины В₁, В₂, В₄ (1.0…2.4 мг/кг), пантотеновая, никотиновая, фолиевая кислоты и биотин (0.075 мг/кг).

Из минеральныхнесахаров (0.6 % золы) в составе золы в основном обнаружено: К₂О – 0.25 %, Na₂О – 0.05, СаО – 0.08, MgО – 0.08, Р₂О₅ – 0.09, SО₃^{–  –}  – 0.02, Аl₂О₃ + Fe₂О₃ – 0.01, SiО₂ – 0.01, Cl ^{–  –}  – 0.01 %. В свекле содержится 0.1 % фосфатов.

После выделения сахара остается свекловичный жом, который содержит целлюлозу, гемицеллюлозу, протопектин, белки, лигнин, золу, сапонин. В составе белков содержатся азотистые основания, амины и соли аммония. В жоме содержится масса минеральных веществ – силикаты, сульфаты, полуторные оксиды. Свекловичный жом – это сложная, коллоидная, капиллярно-пористая система.

При проведении гидролиза-экстрагирования для получения пектина многие из вышеперечисленных веществ переходят в экстракт. Проведенные исследования показали, что получаемый свекловичный экстракт даже при использовании в качестве гидролизующего агента пищевых кислот получается непригодным для использования в пищевой промышленности. Основными критериями были органолептические показатели: явно выраженный неприятный свекловичный запах, обусловленный, как предполагается, сапонинами и другими веществами, возможно азотистыми основаниями, и темный – серо-коричневый – цвет.

Для удаления полифенольных веществ, большинство из которых растворимо в воде, применяли предварительную промывку-набухание свекловичного жома обычной водопроводной водой, а также промывку  неполярными растворителями и обработку ЭАВС (электроактивированной водной системой) с рН 2,0 [12, с. 1].

Органолептическая характеристика полученных экстрактов была положительной. Обработка ацетоном с последующей промывкой горячей водой уничтожает неприятный свекловичный запах в полученном экстракте. Обработка ЭАВС и неполярными растворителями также дала определенный эффект при подготовке свекловичного жома для получения пищевого пектинового экстракта. Однако, использование неполярного растворителя относит производство к I категории пожаро- и взрывоопасности, что, в свою очередь, определяет целесообразность использования ЭАВС.

Таким образом, результаты проведенных исследований по предварительной обработке свекловичного жома перед гидролизом-экстрагированием позволили сделать заключение, что для получения пищевого свекловичного экстракта необходима предварительная обработка сырья с целью удаления балластных по отношению к пектину веществ (полифенолов, в том числе сапонинов, амидов, солей аммония и т.п.), которую возможно проводить путем  промывки-набухания  сырья  водой  и обработкой ЭАВС с рН 2,0 в течение 0.5 ч при температуре 65 °С.

Задачей данной работы является усовершенствование технологии получения пищевого пектинового экстракта из свекловичного жома с применением биотехнологических методов [1, с. 143, 11, с. 107].

С учетом  особенностей изучаемого сырья были проведены экспериментальные  исследования, основная цель которых заключалась в получении пектинового экстракта с максимальным содержанием пектина  и низким содержанием балластных веществ при невысоких затратах на предварительную обработку [3, с. 1].

Для этого предполагалась обработка свекловичного жома биотехнологическими методами перед гидролизом-экстрагированием. В качестве  ферментных препаратов были выбраны: Бацелл, целловиридин. Все они обладали высокими значениями целлюлолитической активности, что являлось основным условием использования их для предварительной обработки сырья.

Целловиридин – светло-серый порошок, полученный путем высушивания упаренного фильтрата культуральной жидкости при глубинном культивировании гриба Trichoderma virida, является комплексным препаратом целлюлолитических ферментов и гемифеллюлаз из культуры T. reesei. Препарат стандартизируется по целлюлазной активности, которая составляет по  группам: 1-2000, 2-1500, 3-1000, 4-500 и 5-200 ед/г.

Бацелл – это пробиотическая добавка к корму животных. Представляет собой сыпучий порошок от светло-коричневого до темно-коричневого цвета с включениями подсолнечного шрота. Данный препарат представляет собой ассоциированную культуру молочно-кислых бактерий, руминококка и Bacillus subtilis, обладающих комплексным ферментативно-пробиотическим действием, содержит мультиэнзимный комплекс ферментов протеолитического, амилолитического, и целлюлозолитического действия и антибиотические факторы по широкому спектру патогенной микрофлоры, а также факторы пребиотического свойства.

Целлюлазная активность Бацелла составляет: в 1 г содержится 5×10⁸ целлюлозолитических и молочнокислых бактерий.

Предварительная обработка препаратом  Бацелл проводилась 1% и 2% раствором препарата в течение 12 и 24 часов. Длительность обработки связана с замедленным действием данного препарата. В таблице 2 представлены результаты исследований по предварительной обработке свекловичного жома препаратом Бацелл. Гидролизующим агентом служила соляная кислота.

Таблица 2 – Характеристика ПЭ и свекловичного пектина, полученного с предварительной обработкой сырья Бацеллом (гидролизующий агент HCl)

№ п/п	Предварительная обработка препаратом Бацелл	Концентрация ПВ в экстракте, %	Выход пектиновых веществ, %	Характеристика пектинового экстракта
1	1% р-р, 12 часов	0,36	3,40	Однородная непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета с выраженным запахом свеклы, кислого вкуса
2	1% р-р, 24 часа	0,52	3,51
3	2% р-р, 12 часов	0,38	3,52
4	2% р-р, 24 часа	0,53	3,94

Характеристика полученного пектинового экстракта, а также выделенного пектина также была некачественной: пектин слабый, сгусток неплотный, при отжиме через бельтинг наблюдались потери, цвет темно-желтый. Пектиновый экстракт был с плохими органолептическими показателями.

Бацелл использовали в виде 1%-ного раствора, заливали свекловичный жом в соотношении 1:1 и выдерживали 12 часов при температуре 35-40^оС. Затем декантировали раствор, а свекловичный жом подавали на гидролиз. Гидролиз-экстрагирование проводили солянолй кислотой. Полученные результаты представлены в таблице 3. Органолептическая оценка полученного свекловичного экстракта была очень низкой. Он был тёмного цвета со специфическим запахом свёклы, с кислым вкусом; максимальная концентрация пектиновых веществ была в пределах 0,52-0,53%, рН полученного экстракта был низким.

Таблица 7 – Характеристика свекловичного пектинового экстракта, полученного с предварительной обработкой сырья бацеллом

№ п/п	Предварительная обработка	Гидролизующий агент	Концентрация ПВ в экстракте, %	Выход ПВ, %	Характеристика экстракта
1.	1% р-р, 12 часов	Соляная кислота	0,36	3,40	Однородная непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета с выраженным запахом свёклы, кислого вкуса.
2.	1% р-р, 24 часа	Соляная кислота	0,42	3,82	Однородная непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета с выраженным запахом свёклы, кислого вкуса.
3.	2% р-р, 12 часов	Соляная кислота	0,38	3,52	Однородная непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета с выраженным запахом свёклы, кислого вкуса.
4.	2% р-р, 24 часа	Соляная кислота	0,53	3,94	Однородная непрозрачная жидкость коричневого цвета с выраженным запахом свёклы, кислого вкуса.

 

Выход пектина после гидролиза колебался в пределах 2,64-3,94 %, качество пектина было невысоким: неплотный сгусток тёмного цвета, пектин слабый, при отжиме наблюдаются значительные потери [13, с. 1].

Полученный пектиновый экстракт был некачественным и не подходил по всем показателям для использования в пищевой промышленности [7, с. 1].

Следующим этапом были исследования, связанные с предварительной обработкой сырья Целловиридином.

На рисунке 1 приведены данные по использованию разных концентраций целловиридина для предварительной обработки свекловичного жома.

Концентрация раствора целловиридина:

Рисунок 1 – Влияние концентрации раствора целловиридина и времени

выдержки на содержание ПВ в свекловичном пектиновом экстракте

Установлено, что оптимальной концентрацией раствора целловиридина при обработке свекловичного жома является 0,1%, дальнейшее увеличение концентрации целловиридина не способствует увеличению концентрации пектиновых веществ в экстракте. По органолептической оценке экстракт - однородная непрозрачная жидкость светло-коричневого цвета с неявно выраженным запахом свеклы и с кислым вкусом разного уровня. После обработки раствором целловиридина 0,1% концентрации в течении 90 мин., при температуре 40^оС был получен пектиновый экстракт из свекловичного жома, имеющий концентрацию пектиновых 0,6% и обладающий органолептическими данными, необходимыми для пищевых пектиновых экстрактов. После выбора гидролизующего агента конечные результаты показали преимущество молочной сыворотки.

Таким образом, на основании комплексных исследований усовершенствованы технологические параметры получения пектинового экстракта из свекловичного жома, заключающиеся в предварительной обработке сырья 0,1% раствором целловиридина в течении 90 мин. при температуре 40^оС с последующим гидролизом молочной сывороткой.

 

Литература:

1.      Степовой, А. В. Совершенствование технологии пищевого гидратопектина из свекловичного жома для производства функциональных напитков: дис. ... канд. техн. наук / А. В. Степовой: ГНУ Северо-Кавказский ЗНИИСиВ Россельхозакадемии. — Краснодар, 2013. — 143 с.

2.      Пат. 2471367. Российская Федерация. МПК А23L 1/0524, С08В 37/06. Способ получения пищевого пектинового экстракта / Л.Я. Родионова, А.В. Степовой, И.В. Соболь, А.Н. Белогорец: заявитель и патентообладатель Кубанский ГАУ. – № 2011121259/13; заявл. 25.05.2011; опубл. 10.01.2013, бюл. №1. – 6 с.

3.      Пат. 2483591. Российская Федерация. МПК А23L 1/31, А23L 1/315, А23L 3/00. Способ производства консервов из мяса птицы для лечебно-профилактического питания / Л.Я. Родионова, А.В. Степовой, А.И. Решетняк, А.В. Саакян, А.В. Белоног: заявитель и патентообладатель Кубанский ГАУ. – № 2011141666/13; заявл. 13.10.2011; опубл. 10.06.2013, бюл. №16. – 6 с.

4.      Соболь, И.В. Научные основы конструирования функциональных пектинсодержащих сухих продуктов целевого назначения / И.В. Соболь, А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Новые технологии. – МГТУ. – Майкоп, 2010. – С. 73-77.   

5.      Соболь, И.В. Исследование процесса сушки пищевых смесей, обогащенных пектином / И.В. Соболь, А.В. Степовой, Л.Я. Родионова // Новые технологии. – МГТУ. – Майкоп, 2010. – С. 70-72.      

6.      Степовой, А.В. Развитие безалкогольной промышленности в России в направлении производства функциональных напитков / А.В. Степовой: Редакция журнала «Известия вузов. Пищевая технология». – Краснодар, 2009. – 47 с.: – Деп. в ВИНИТИ 28.12.09, №835-В2009.

7.      Пат. 2330577. Российская Федерация. Безалкогольный профилактический напиток / Л.В. Донченко, Л.Я. Родионова, И.В. Соболь, С.И. Митракова: заявитель и патентообладатель Кубанский ГАУ. – Опубл. 01.12.2005.

8.      Влащик, Л.Г. Пектинсодержащее сырье для функциональных напитков / Л.Г. Влащик // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – КубГАУ. – Краснодар, 2007. №32 – С. 1.      

9.      Соболь, И.В. Получение пищевых гидратопектинов из цитрусового сырья / И.В. Соболь, Л.Я. Родионова // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – КубГАУ. – Краснодар, 2006.№4 – С. 204-216.

10.  Донченко, Л.В. Особенности процесса гидролиза протопектина из растительной ткани / Л.В. Донченко, Г.Г. Фирсов, Е.А. Красноселова // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – КубГАУ. – Краснодар, 2006. №1 – С. 288-297.

11.  Ольховатов Е. А. Совершенствование технологии комплексной переработки плодов клещевины: монография / Е. А. Ольховатов. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – 107 с.

12.  Способ получения пектина: пат. 2346465 Рос. Федерация: МПК А23 L 1/0524 / Донченко Л. В., Щербакова Е. В., Ольховатов Е. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

13.  Способ определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье : пат № 2434532З Рос. Федерация: МПК А23L 1/0524 (2006.01), В 01 Д 21/00 (2006.01) / Ольховатов Е.А., Родионова Л.Я., Щербакова Е.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КубГАУ».

14.  Темников А.В Использование СО₂-шротов пряно-ароматических растений в технологии помадных конфет. / А.В. Темников, И.Б. Красина, А.Д. Минакова, А.Н. Есина // Известия вузов. Пищевая технология. -2010. -№4. –С. 45-46.

15.  Темников А.В Концепция создания сахаристых кондитерских изделий, обогащенных микронутриентами / А.В. Темников, И.Б. Красина, А.В. Красюк // Матер. III межд. науч. –практич. конф. «Инновационные направления в пищевых технологиях». – Пятигорск. -2009. –С. 267-270.

16.  Состав приготовления молочных помадных конфет и способ их приготовления / Патент РФ № 2322074 от 25.05.2007. Опубл. 20.04.2008. Бюл. №11 // И.Б. Красина, Т.Н. Прудникова, М.А. Сквиря, А.В. Темников.