Способ получения пищевых волокон из древесного сырья

Способ получения пищевых волокон из древесного сырья

Реферат

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к получению пищевых волокон (ПВ) из древесного сырья.

Известен способ выделения ПВ из кукурузы, пшеничных и ячменных отрубей, солода и древесины (Патент Японии №03049662 А, кл. A 23 L 1/308, 04.03.91), заключающийся в гидролитическом расщеплении гемицеллюлозных материалов с последующей ферментативной обработкой. Согласно указанному способу конечным получаемым продуктом является частичный гидролизат гемицеллюлозы, который может быть использован в качестве водорастворимых диетических волокон, предназначенный для добавления в соки, молочно-кислые напитки, хлеб, печенье, мороженое и др. Недостатком данного способа является невозможность получения ПВ с повышенным содержанием клетчатки, так как для проведения ферментативного гидролиза используются ферментные препараты, приводящие к ее разрушению. Гемицеллюлозы обладают способностью связывать воду, как ПВ образуют часть неперевариваемого комплекса, но такая способность у гемицеллюлоз значительно ниже, чем у ПВ целлюлозы. При попадании в пищеварительный тракт целлюлоза усиливает перистальтику кишечника, способствует стимуляции его деятельности, кроме этого, нормализует деятельность кишечной микрофлоры, что особенно важно для пожилых людей, препятствует всасыванию стеринов, а также способствует выделению холестерина. Повышенное содержание целлюлозы в препарате ПВ придает получаемому продукту пребиотические свойства, т.е. способность сорбировать и удалять из организма человека представителей условно-патогенной и патогенной микрофлоры, продукты ее жизнедеятельности, а также тяжелые металлы.

Поэтому получение ПВ с повышенным содержанием клетчатки является более целесообразным.

Наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ получения пищевых волокон из древесного сырья, предусматривающий его замачивание в растворе NaOH в течение 6 ч при 20-100° С, промывание продукта водой до рН 8-9, диспергирование в воде, гомогенизирование под давлением до получения порошка, содержащего 1-20% лигнина. Для дополнительной очистки волокна отбеливают Н₂О₂, промывают водой и отфильтровывают (Патент США №6506435, кл. A 23 L 1/05, 14.01.2003).

Недостатком данного способа является то, что обработка субстрата проводится высокими концентрациями щелочи в течение длительного периода времени при высоких температурах, гомогенизация волокон целлюлозы происходит под давлением, что требует больших затрат энергии и реактивов, а образующийся сток наносит вред окружающей среде, создавая дополнительные экологические проблемы. Указанный способ получения целлюлозных волокон не предполагает использования дополнительного ферментативного воздействия на лигноцеллюлозное сырье с целью увеличения содержания целлюлозы в ПВ. В то время как наиболее эффективной является комплексная обработка субстратов, обеспечивающая максимальную структурную модификацию древесного сырья.

Задачей данного изобретения является получение ПВ из древесного сырья с повышенным содержанием клетчатки, которую можно применять для получения функциональных продуктов питания, в результате комплексной обработки древесного сырья, сокращение длительности процесса получения ПВ, уменьшение энергозатрат и, как следствие, удешевление процесса, а также сохранение благоприятной экологической обстановки за счет снижения концентраций используемого гидролизующего агента.

Технический результат достигается тем, что способ получения ПВ из древесного сырья предусматривает подготовку древесного сырья, его измельчение, гидролиз 0,001-0,01%-ным раствором NaOH в течение 60-90 мин при температуре 80-100° С, выдерживание полученной смеси, разделение ее на твердую и жидкую фазы с последующей промывкой твердой фазы водой и обработкой ферментным препаратом, полученным путем глубинного культивирования культуры Streptomyces mersei с получением ПВ, нагревание суспензии до температуры 100° С, осветление 5-10%-ным раствором Н₂O₂, промывание их водой, фильтрование и высушивание полученной массы, отличающийся тем, что культивирование Streptomyces mersei проводят в течение 7-8 суток при температуре 28-32° С на питательной среде с дополнительным внесением Мn²⁺ в количестве 0,001-0,01%.

Отличием является также то, что после культивирования культуры Streptomyces mersei отделяют твердую фазу (биомассу) от жидкой (культуральная жидкость), при этом из жидкой фазы получают ферментный препарат, используемый для обработки древесного сырья после щелочного гидролиза. Биомасса может использоваться в качестве белковой добавки для сельскохозяйственных животных.

Подготовка древесного сырья необходима для удаления из массы древесного сырья посторонних включений для последующего его измельчения. В результате происходит уменьшение частиц древесного материала, частичное разрушение клеточных стенок, снижение упорядоченности целлюлозы, увеличение доступной поверхности для ферментов.

Так как древесное сырье резистентно к действию различных гидролизующих агентов, для увеличения его реакционной способности по отношению к ферментам проводят гидролиз 0,001-0,01%-ным раствором NaOH в течение 60-90 мин при температуре 80-100° С, который приводит к удалению гемицеллюлоз, увеличивает удельную поверхность лигнина и целлюлозы доступной для ферментов, а также приводит к частичной деградации лигнина.

Выдерживают полученную массу древесного сырья для удаления водорастворимых соединений.

Разделение массы древесного сырья на твердую и жидкую фазы необходимо для отделения массы древесного сырья от жидкой фракции для получения ПВ.

Промывку полученного после гидролиза твердого остатка осуществляют для того, чтобы удалить остатки гидролизующего агента с повышенным значением рН.

Наиболее эффективной является комплексная предобработка субстратов, поэтому последующая обработка ферментным препаратом необходима для обеспечения максимальной структурной модификации древесного сырья.

Нагревание суспензии до температуры 100° С необходимо для инактивации ферментного препарата.

Осветление массы полученных ПВ проводят раствором Н₂О₂ т.к. ввиду использования ПВ в пищевых целях, отбеливающий агент должен быть разрешен к использованию в пищевой промышленности.

Промывание и фильтрование полученных ПВ осуществляют для удаления остатков осветляющего раствора с пониженным значением рН и отделения ПВ от жидкой фракции.

Сушка ПВ необходима для доведения влажности продукта не больше 10% с целью увеличения срока хранения ПВ.

Культивирование Streptomyces mersei проводят на питательной среде с дополнительным внесением Мn²⁺, так как внесение Мn²⁺ способствует стимуляции синтеза культуры актиномицета.

Повышенное содержание целлюлозы в препарате ПВ придает получаемому продукту способность сорбировать и удалять из организма человека представителей условно-патогенной и патогенной микрофлоры, продукты ее жизнедеятельности, а также тяжелые металлы. Препарат обладает сорбционной способностью к микроорганизмам Escherichia coli, Pseudomonas fluorescens и Staphilococcus aureus.

Для значительного большинства энтеробактерий кишечный тракт позвоночных животных и человека является естественной средой обитания. В организме человека ряд энтеробактерий входит в состав микробных биоценозов толстого и тонкого кишечника. Патогенные виды встречаются только у больных и бактерионосителей.

При лабораторных исследованиях обычно используются непатогенные представители сем. Enterobacteriaceae - штаммы Escherichia coli.

Среди бактерий сем. Pseudomonadaceae есть виды (Ps. fluoresceus), способные вызвать заболевания. Наиболее опасен некротизирующий колит. Чаще всего поражается аппендикс, хотя в процесс может быть вовлечен весь толстый кишечник.

Представители сем. Micrococcus, в частности рода Staphilococcus, являются представителями нормальной микрофлоры пищеварительного тракта; постоянно находятся в воздухе и окружающей среде. Патогенные свойства конкретного штамма стафилококка определяются действием экзо- и энтеротоксинов и ферментов (лейкоцидина, коагулазы). Наличие у St. aureus энтеротоксина обусловливает возникновение широко распространенного типа пищевых токсикоинфекций.

Таблица 1Сорбционная способность препарата ПВ к различным микроорганизмам и метиленовой сини
Наименование адсорбата	Сорбционная способность, ед. изм.
1	2
Escherichia coli	68-70%
Pseudomonas fluorescens	75-76%
Staphilococcus aureus	74-75%
Метиленовая синь	95-99 мг

Сорбционная способность патогенной и условно-патогенной микрофлоры составляет 68-76% в зависимости от вида микроорганизмов. Обобщенная оценка сорбции метиленовой сини показала, что полученные ПВ способны сорбировать до 95-99 мг сини/г препарата и по своей сорбционной способности превосходят широко используемые в настоящее время Карболен и Полифепан, сорбционная способность которых около 70 мг сини/г препарата.

Способ осуществляется следующим образом.

Древесное сырье подготавливают, тщательно измельчают и проводят гидролиз 0,001-0,01% раствором NaOH при 80-100° С в течение 60-90 мин (гидромодуль 1:10). Выдерживают полученную массу для удаления водорастворимых соединений. Промывают ее водой при температуре 20-25° С до рН 6,0. Полученное сырье обрабатывают ферментным препаратом в количестве 0,01-0,5% в течение 6-72 ч, полученным путем глубинного культивирования культуры Streptomyces mersei на среде следующего состава, %: растительное сырье - 10, кукурузный экстракт - 2, КН₂РO₄ - 0,5, MgSO₄×7Н₂O - 0,05, NH₄NO₃ - 0,5 с получением ПВ, нагревают до температуры 100° С, осветляют 5-10%-ным раствором Н₂О₂ в течение 30-60 мин. Осветленную массу дважды промывают 0,4 л воды, фильтруют и высушивают до влажности 6-10%. Культивирование Streptomyces mersei проводят в течение 7-8 суток при температуре 28-32° С на питательной среде с дополнительным внесением Мn²⁺ в количестве 0,001-0,01%. После культивирования культуры Streptomyces mersei отделяют твердую фазу (биомассу) от жидкой (культуральная жидкость), при этом из жидкой фазы получают ферментный препарат, используемый для обработки древесного сырья после щелочного гидролиза.

Способ пояснен примерами.

Пример 1. 10 г исходного материала - древесные опилки, содержащие 45% целлюлозы, 17% гемицеллолозы и 20% лигнина, подготавливают и тщательно измельчают до размера частиц 1 мм. Проводят гидролиз 0,001%-ным раствором NaOH в течение 60 мин (соотношение опилок и щелочи 1:10) при 80° С. Выдерживают полученную массу для удаления водорасторимых соединений. Промывают ее водой при температуре 20° С до рН 6,0. Полученное сырье обрабатывают ферментным препаратом в количестве 0,01% в течение 6 ч, полученным путем глубинного культивирования культуры Streptomyces mersei на среде следующего состава, %: растительное сырье - 10, кукурузный экстракт - 2, КН₂РO₄ - 0,5, MgSO₄×7Н₂O - 0,05, NH₄NO₃ - 0,5 с получением ПВ, нагревают до температуры 100° С, осветляют 5%-ным раствором Н₂О₂ в течение 30 мин. Осветленную массу дважды промывают 0,4 л воды, фильтруют и высушивают до влажности 6%. Культивирование Streptomyces mersei проводят в течение 7 суток при температуре 28-32° С на питательной среде с дополнительным внесением Мn²⁺ в количестве 0,001%. После культивирования культуры Streptomyces mersei отделяют твердую фазу (биомассу) от жидкой (культуральная жидкость), при этом из жидкой фазы получают ферментный препарат, используемый для обработки древесного сырья после щелочного гидролиза.

Определение фракционного состава полученных ПВ показало, что содержание целлюлозы составило 72%, содержание гемицеллюлозы - 14%, лигнина - 12%.

Пример 2. 10 г исходного материала измельчают при условиях, описанных в примере 1. Проводят гидролиз 0,01%-ным раствором NaOH в течение 90 мин. Условия дальнейшей обработки аналогичные примеру 1. Обработку субстрата ферментом проводили в течение 72 ч, количество фермента - 0,5%. Фракционный состав полученных ПВ показал, что содержание целлюлозы увеличивается до 88%, содержание гемицеллюлозы уменьшается до 10%, доля лигнина уменьшается до 2%.

Использование предлагаемого способа позволит улучшить качество получаемых ПВ: повысить содержание целлюлозы до 72-88%, снизить содержание лигнина до 2-12% и гемицеллюлоз до 10-14%, сорбционная способность составляет 68-76% в зависимости от вида микроорганизмов, обобщенная оценка сорбции метиленовой сини - 95-99 мг сини/г препарата.

Предлагаемый способ позволяет получить ПВ с повышенным содержанием клетчатки, которую можно использовать для получения функциональных продуктов питания, в результате комплексной обработки древесного сырья сократить длительность процесса получения ПВ, уменьшить энергозатраты и удешевить процесс, а также сохранить благоприятную экологическую обстановку за счет снижения концентраций используемого гидролизующего агента.

Полученный препарат был использован при выпечке хлебобулочных изделий. Для этого ПВ вводили в рецептуру хлеба в количестве 5% от массы изделия. Рецептуры и режим приготовления хлебобулочных изделий безопарным способом приведены в таблице 2. Контролем служили хлебобулочные изделия, приготовленные по традиционной рецептуре. Органолептическая и физико-химическая оценка полученных хлебобулочных изделий приведена в таблице 3.

Предложенный препарат ПВ может быть использован в хлебопекарной промышленности.

Таблица 2Рецептуры и режим приготовления теста из пшеничной муки в/с безопарным способом
Наименование сырья	Количество сырья по вариантам
	Контроль (без добавления ПВ)	Вариант 1 (с добавлением ПВ)
Мука пшеничная в/с, г	400	380
Дрожжи прессованные хлебопекарные, г	10	10
Соль поваренная пищевая, г	6	6
Вода, см3	240	240
Препарат ПВ с повышенным содержанием клетчатки, г	-	20

Как видно из таблиц 2 и 3, предложенный препарат ПВ может быть использован в хлебопекарной промышленности для получения функциональных продуктов питания.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить ПВ с повышенным содержанием клетчатки, которую можно применять для получения функциональных продуктов питания, например хлебобулочных изделий, комплексная обработка древесного сырья позволяет сократить длительность процесса получения ПВ, уменьшить энергозатраты и, как следствие, удешевить процесс, а также сохранить благоприятную экологическую обстановку за счет снижения концентраций используемого гидролизующего агента.

1. Способ получения пищевых волокон из древесного сырья, отличающийся тем, что он предусматривает подготовку древесного сырья, его измельчение, гидролиз 0,001-0,01%-ным раствором NaOH, выдерживание полученной смеси, разделение ее на твердую и жидкую фазы с последующей промывкой твердой фазы водой и обработкой ферментным препаратом, полученным путем глубинного культивирования культуры Streptomyces mersei с получением пищевых волокон, нагреванием полученной смеси до температуры 100°С, ее осветление 5-10%-ным раствором H₂O₂ в течение 30-60 мин, промывание водой, фильтрование и высушивание полученной массы до влажности 6-10%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что культивирование Streptomyces mersei проводят в течение 7-8 суток при температуре 28-32°С.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в питательную среду для культивирования дополнительно вносят Мn²⁺ в количестве 0,001-0,01%.

4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что полученную биомассу культуры Streptomyces mersei отделяют от культуральной жидкости, используемой для получения ферментного препарата для обработки древесного сырья.