Способ получения натурального пищевого антоцианового красителя из отходов кукурузы и пищевой антоциановый краситель, полученный по этому способу

Способ получения натурального пищевого антоцианового красителя из отходов кукурузы и пищевой антоциановый краситель, полученный по этому способу

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к способам получения пищевых добавок, а именно натуральных пищевых красителей из растительного сырья.

В настоящее время во всем мире существует потребность в высококачественных и безопасных для человека красителях. В сознании человека вкус и цвет пищи очень тесно связаны. При существующих технологиях производства пищевых продуктов неизбежно происходит частичная или даже полная утрата первоначальной окраски. Очевидно, что серо-коричневый мармелад, изготовленный в результате дополнительного подкрашивания, выглядит непривлекательно.

Окраска пищевых продуктов является важным органолептическим показателем качества. Она воспринимается потребителем в первую очередь и влияет на конкурентоспособность продуктов. Удачно подобранные красители, придающие готовому изделию привычный или желаемый цвет, повышают усвояемость пищи.

Пищевые красители используют для окрашивания продуктов, утративших естественный цвет в процессе технологической обработки; для получения определенной стандартами окраски готового продукта; для улучшения органолептических показателей кондитерских изделий и напитков.

Различают натуральные красители (пигменты, выделенные из природных объектов) и синтетические (химически синтезированные вещества высокой степени очистки). Помимо красящих пигментов натуральные красители, как правило, в своем составе содержат целый комплекс БАВ: витамины, органические кислоты, ароматические вещества, микроэлементы. Таким образом, улучшая внешний вид, повышается и пищевая ценность изделий. Будучи выделенными из природного пищевого сырья, натуральные красители имеют благоприятные токсико-гигиенические характеристики.

Природные красящие вещества (ПКВ) являются сложными органическими соединениями, вырабатываются живыми организмами и окрашивают различные клетки и ткани животных и растений. Большинство ПВК обладают значительной физиологической и антибиотической активностью. Их часто применяют в качестве лечебных средств. Рост аллергических и онкологических заболеваний, вызванный загрязнением окружающей среды, привел к необходимости расширения производства безвредных натуральных пищевых красителей.

Производство натуральных красителей в настоящее время не удовлетворяет потребностям рынка ни по количеству, ни по ассортименту. Эта проблема решается частично за счет синтетических красителей. Поэтому совершенствование существующих технологий натуральных красителей является важной задачей современности.

К пищевым красителям предъявляются жесткие требования с точки зрения их безвредности, отсутствия взаимодействия с компонента рецептур пищевых продуктов; прочности окраски, высокой степени окрашивания при малых концентрациях красителя; способности растворяться в воде или жирах, а также равномерного распределения в массе пищевых продуктов, отсутствия посторонних вкусов и запахов.

Известно свыше 2000 различных растений, содержащих красящие вещества, но практическое применение из них нашли немногие, в основном принадлежащие к семействам бобовых, сложноцветовых, тутовых, мареновых.

Известно, что степень извлечения красящих веществ из растительного сырья зависит от многих факторов: его биохимического состава, степени измельчения, природы экстрагента и условий экстракции.

Известны различные способы получения антоциановых красителей из растительного сырья, заключающиеся в обработке растительного сырья, в качестве которого используют выжимки черноплодной рябины (патент РФ №2008314), свеклу (патент РФ №2081136), виноградные отходы (патент США №3963700), морковь (патент США №4939086) чернику, черную смородину и другие ягоды (патент Чехии №292834), сок красного картофеля (патент США №6180154), лепестки шток-розы розовой или дробленую краснокачаную капусту, водными растворами кислоты и/или спирта, отделении экстракта, концентрировании и получении готового продукта. Из подсолнечника путем обработки растворами органических кислот, сепарации экстракта и концентрирования получают красный натуральный стойкий к свету и температурам антоциановый краситель, который с успехом используется в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности (патент США №6132791).

Также известен способ получения антоцианового красителя из отходов пищевого сырья, например вишни, сливы, винограда, в котором из первичного солянокислого экстракта после нейтрализации красящие вещества осаждают гашеной известью, после чего осадок отпрессовывают и растворяют концентрированной соляной кислотой (авторское свидетельство СССР №218358).

Известен способ получения антоцианового пищевого красителя из высушенных выжимок черноплодной рябины путем дробления сырья, обработки уксусным альдегидом, содержащим 0,5-10 мас.ч. концентрированной ортофосфорной кислоты от реакционной среды, фильтрации, сушки и экстракции красящих веществ подогретым этиловым спиртом, подкисленным масляной кислотой, и отделения органического слоя от сырья (патент РФ №2099371).

Известен антоциановый краситель из растительного сырья, содержащий гликозиды цианидина, гликозиды пионидина, гликозиды пеларгонидина, органические вещества и минеральные соли при определенном соотношении компонентов (патент РФ №2177015). Такой пищевой краситель сохраняет естественный красный цвет при воздействии среды рН от 2,0 до 7,0, при всех обработках: замораживании, кипячении, облучении прямым солнечным светом.

Однако недостатками известных способов являются использование кислотного или спиртового экстрагирования, что приводит к загрязнению получаемого продукта и неоправданная трудоемкость технологического процесса.

Красящие вещества обычно выделяют из различных частей растений, окраска которых обусловлена присутствием в них антоцианов, каротиноидов, флавоноидов, хлорофиллов и др.

В последнее время появились данные различных исследователей о возможности увеличения выхода красителей из природного сырья с помощью ферментативной обработки. Например, в докладе "Интенсификация способов выделения натуральных пищевых красителей из растительного сырья". Н.В.Рыжовой, Л.А.Ивановой и О.В.Кузнецовой на Всероссийской научно-технической конференции - выставке "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации" (Сборник докладов молодых ученых МГУПП, М., 2004, часть II, с.131-135) описаны исследования, посвященные интенсификации процесса экстракции красящих веществ из отдельных представителей растительного сырья, содержащих пигменты различной химической структуры, путем его обработки отечественными ферментными препаратами, разрушающими главные полисахариды растений.

Обработку отходов переработки свеклы, апельсинов и крапивы осуществляли ферментными препаратами: Поликанесцин, Лизофунгин, Целловиридин, Пектофоетидин, Ксибетен-Цел.

Поликанесцин обладает β-галактозидазной (1300 ед/г), ксиланазной (1100 ед/г) и β-глюканазной (460 ед/г) активностями. Оптимальные условия действия препарата: температура 30-45°С и рН 3,0-5,0.

Для Лизофунгина характерно наличие β-глюканазной (1800 ед/г), целлюлазной (90 ед/г) и ксиланазной (40,5 ед/г) активностей. Оптимум действия при рН 6,5-7,0, температуре 45-55°С.

Целловиридин обладает β-глюканазной (450 ед/г), целлюлазной (2000 ед/г) и ксиланазной (800 ед/г) активностями. Оптимальные условия действия: рН 4,5-5,5, температура 45-50°С.

Пектофоетидин содержит пектиназу (420 ед/г), пектинэстеразу (150 ед/г), протеазу (17 ед/г), экзополигалактуроназу (2300 ед/г).

Ксибетен-Цел обладает целлюлазной (2000 ед/г), ксиланазной (1800 ед/г) и β-глюканазной (330 ед/г) активностями. Оптимальные условия действия: рН 4,7; температура 30-50°С.

Растворы отдельных ферментных препаратов и их смеси использовали как для непосредственной экстракции красителей, так и для предварительной обработки сырья при оптимальных условиях действия ферментов. Экстракцию красящих веществ проводили водными растворами этанола: из отходов переработки свеклы - 40%, отходов переработки апельсинов (каротиноиды) - 70%, крапивы (хлорофилл) - 80%. Время ферментативной предобработки - 20 минут, экстракции - 1 час. Интенсивность окраски экстракта определяли по значениям экстинции, определяемым для свекольного красителя при длине волны 540 нм, для каротиноидов из отходов переработки апельсинов - 440 нм и хлорофилла крапивы - 750 нм. Наибольший выход красящих веществ независимо от биохимического состава сырья и химической природы красителей наблюдался при водно-ферментативной обработке сырья с концентрацией ферментных препаратов 0,1% от массы сырья. Использование ферментных препаратов для предобработки растительного сырья даже в малых количествах (0,01%) позволило значительно увеличить выход красящих веществ (на 10-200%).

Также известен способ получения пищевого пастообразного красителя из свекольных выжимок: после отделения сока выжимки экстрагируют водой при температуре 70-80°С, затем полученный экстракт и свекольный сок смешивают и полученную смесь фильтруют, стабилизатор вводят в полученную смесь с последующим мгновенным нагревом до 80°С и охлаждением до 30°С, в охлажденный сок вводят дрожжи в количестве 0,1% и сбраживают, после этого проводят сгущение при температуре не выше 60°С (патент РФ №2031100). Также известен способ получения порошкообразного пищевого красителя из свеклы путем измельчения, прессования, стабилизации сока аскорбиновой кислотой, пастеризации, охлаждения до температуры 20-22°С, внесения хлебопекарных Дрожжей Saccharomyces cerevisiae в количестве 0,03-0,07% к массе сока, сбраживания, фильтрации и сушки на инертных носителях (патент РФ №2102418).

Однако вышеперечисленные препараты не были опробованы на таком дешевом, но богатом антоцианами сырье, как кукурузные отходы.

В Японии антоциановые красители получают ферментацией дрожжами картофеля (патент Японии №2003-304858), а также ферментацией семян зерновых и красного риса (патент Японии №2000-032954).

Недостатками известных способов являются: невысокое качество продуктов, невысокая термоустойчивость, несовершенство технологического процесса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения натурального пищевого антоцианового красителя из отходов кукурузы, которые предварительно высушены и измельчены, а затем проэкстрагированны смесью водных растворов соляной и лимонной кислот в поле ультразвуковых колебаний (патент РФ №2158743). Согласно известному способу полученный продукт фильтруют и концентрируют в вакууме с получением пищевого антоцианового красителя. Подготовку сырья к экстракции проводят путем настаивания измельченного сырья в растворе экстрагента в течение 6-8 ч при температуре 35-40°С. При этом экстрагирование проводят путем последовательной переработки трех партий растительного сырья с последующим удалением отработанного сырья и добавлением в полученный экстракт новой партии растительного сырья, а длительность переработки каждой партии при экстракции составляет 30-40 мин при температуре 35-40°С.

Известным способом можно получить пищевой краситель, но недостаточно высокого качества из-за использования кислотного экстрагента. Кроме того, недостатком известного способа является его длительность и необходимость постоянного контроля температурного режима.

Задачей настоящего изобретения стала интенсификация процесса экстракции красящих веществ из наиболее дешевого антоцианосодержащего растительного сырья - кукурузных отходов путем его обработки ферментными препаратами из дрожжей и микроскопических грибов, как наиболее экологически чистыми агентами.

Эта задача решается тем, что первый объект изобретения - способ получения натурального пищевого антоцианового красителя из отходов кукурузы, включающий подготовку сырья путем его последовательной обработки, заключается в том, что предварительно изготавливают гидролизующий агент путем культивирования микроорганизмов, продуцирующих комплекс ферментов целлюлазы и гемицеллюлазы, Zygofabospora marxiana BKM Y-848, Geotrichiatum candidum 3С или их смесь 1:1. Затем приготовленный агент вносят в подготовленное сырье в количестве 0,01-0,04% на 1 г сухого сырья и проводят его ферментативный гидролиз в течение 1-2 ч. По истечении времени гидролиза ферменты инактивируют известными способами и проводят фильтрацию полученного раствора. После этого во избежание потерь красящих веществ выполняют двукратную промывку оставшегося на фильтре шрота и объединяют промывные воды и фильтрат с получением единого раствора, который затем упаривают до половины объема с получением красителя.

Для целей заявленного изобретения в качестве отходов кукурузы используют шелуху, кочерыжки, стебли, листья, соцветия. Подготовка растительного сырья включает промывку отходов кукурузы, сушку, дробление, смешивание сырья с подкисленной водой в соотношении 1:20.

Культивирование Zygofabospora marxiana BKM Y-848 проводят на питательной среде, содержащей свежеприготовленную молочную сыворотку, дрожжевой автолизат и стандартные соли Ридера, а культивирование Geotrichiatum candidum 3С - на питательной среде, содержащей пшеничные отруби, свекловичный жом и минеральные соли.

Для целей заявленного изобретения при использовании Zygofabospora marxiana BKM Y-848 в качестве продуцента ферментов гидролиз ведут при температуре 40°С и рН=4,7, при использовании Geotrichiatum candidum 3С - гидролиз ведут при температуре 35-40°С и рН=3,3-3,5, а при использовании смеси упомянутых микроорганизмов в качестве продуцентов ферментов гидролиз ведут при температуре 30-40°С и рН=4,0-4,5.

Дополнительно полученный краситель можно подвергнуть стабилизации.

Вторым объектом настоящего изобретения является пищевой антоциановый краситель, который получен в соответствии с вышеизложенным способом.

Микроорганизмы Zygofabospora marxiana BKM Y-848 и Geotrichiatum candidum 3С, а также их различные производные и клоны могут быть использованы для целей настоящего изобретения, поскольку их свойства давно и широко известны в микробиологии и пищевой промышленности. Например, известно получение пектолитического ферментного препарата эндо-полигалактуроназы путем культивирования штамма дрожжей Zygofabospora marxiana BKM У-848 (авторское свидетельство СССР №1578198, заявка РФ №2000101050). Штамм Geotrichiatum candidum 3C продуцент целлюлазы (авторское свидетельство СССР №368303, №1125247) и для его культивирования благоприятна питательная среда, содержащая свекловичный жом, пшеничные отруби и минеральные соли (авторское свидетельство СССР №598933).

Использование в настоящем изобретении в качестве растительного сырья именно кукурузных отходов (предварительно высушенных) обусловлено наличием большого количества биологически активных веществ, в частности антоцианов. Использование в качестве источника антоцианов отходов кукурузы приобретает особое значение при получении пищевых натуральных красителей и создании безотходного производства. Процесс сушки кукурузных отходов обеспечивает возможность их длительного хранения, что в дальнейшем обеспечивает круглогодичное производство натурального антоцианового красителя.

Использование в настоящем изобретении в качестве микроорганизмов Zygofabospora marxiana BKM Y-848 и Geotrichiatum candidum 3C, продуцирующих комплекс ферментов гемицеллюлазы и целлюлазы, позволяет создать оптимальные условия, способствующие разрушению целлюлозно-гемицеллюлозных связей и высвобождению из разрушенных клеток сырья красящих антоциановых веществ. Внесение гидролизующего агента именно в количестве 0,01-0,04% на 1 г сухого сырья обеспечивает более полное разрушение целлюлозно-гемицеллюлозного комплекса в течение 1-2 ч. По окончании процесса гидролиза ферменты могут инактивировать любым известным способом, например охлаждением или нагреванием.

Таким образом, техническим результатом заявленного изобретения является повышение выхода, улучшение качества получаемого пищевого красителя, эффективное использование отходов кукурузного сырья, ведение экологически чистого процесса получения красителя при упрощении его технологии.

Пример.

Собирают отходы кукурузы: шелуху, кочерыжки, стебли, листья, соцветия. Для наилучшего выделения красящих веществ из отходов кукурузы необходимо приготовить водную суспензию. Для этого отходы кукурузы промывают, сушат, дробят и смешивают сырье с подкисленной водой в соотношении 1:20.

Предварительно изготавливают гидролизующий агент путем культивирования микроорганизмов, продуцирующих комплекс ферментов целлюлазы и гемицеллюлазы, из Zygofabospora marxiana BKM Y-848 и Geotrichiatum candidum 3C или из их смеси 1:1. Затем приготовленный агент вносят в подготовленное сырье в количестве 0,03% на 1 г сухого сырья (при стандартной активности ПГ=3000 ед/г).

Ферментативный гидролиз ведут с добавлением продуцентов ферментов в количестве на г а.с.в. и соответствующих температурах и рН в течение 2 ч:

Zygofabospora marxiana BKM Y-848 - температура 40°С и рН=4,7,

Geotrichiatum candidum 3C - температура 35-40°С и рН=3,3-3,5,

Смесь Zygofabospora marxiana BKM Y-848 и Geotrichiatum candidum 3C 1:1 - температура 30-40°С и рН-4,0-4,5.

Для сравнения брали опыты с дополнительными широко известными своими свойствами микроорганизмами, также продуцирующими эти ферменты:

Aspergillus foetidus (авторские свидетельства №№436079, 983141, 1445180) - температура 28-30°С и рН=3,5-4,0,

Trichoderma longibrichiatum (авторское свидетельство №975796) - температура 50°С и рН=5,0.

Контрольный опыт проводился в подкисленной воде (0,1 н H₂SO₄) в течение 2 часов при температуре 95°С.

По истечении времени гидролиза ферменты инактивировали, в частности, охлаждением и проводили фильтрацию полученного раствора через фильтр, а затем определяли количество красящих веществ на спектрофотометре С.Ф.-72, при длине волны 520 нм. Во избежание потерь при выделении красящих веществ выполняли двукратную промывку оставшегося на фильтре шрота (осадок). В промывных водах также определяли содержание красящих веществ. Объединяли промывные воды и фильтрат с получением единого раствора, который затем упаривали до половины объема и определяли содержание красящих веществ в полученном красителе (см. таблицу 1).

Полученные данные из таблицы 1 свидетельствуют о том, что наилучший результат получен при использовании микроорганизмов продуцентов ферментов Z.marxiana ВКМ Y-848 и G.candidum 3C, что говорит о положительном совместном действии гемицеллюлазной и полигалактуроназной активностях (проявляет Z. marxiana BKM Y-848).

В другом опыте (см. таблицу 2) полученный краситель выдерживали под действием прямых солнечных лучей в течение месяца (желательно выдерживать от 1 месяца до трех). Температура 25°С, доза ферментного препарата 0,03%. В качестве контроля использовался краситель, полученный без добавления ферментного препарата. Устойчивость к свету составила 96-99%, что свидетельствует о достаточной устойчивости полученного красителя на свету в течение длительного времени выдерживания. Полученный краситель можно стабилизировать сорбитом или лимонной кислотой.

Биохимические, физико-химические и органолептические характеристики выделенного красителя определялись по известным методикам.

Выход красителя - 2,4-4,2%, плотность красителя - 1,045 г/дм³ - 1,128 г/дм³, РВ - 52,3 мг/г - 68,4 мг/г, белок - 0,01 мл/мл - 0,1 мл/мл, фенольные соединения - 0,073 г/дм³ - 0,3 г/дм³, устойчивость к рН среды - 2-6, устойчивость к замораживанию - 80-90%, устойчивость кипячению - 90-93%, устойчивость к свету - 96-99%, внешний вид - прозрачная жидкость лимонного цвета или густая жидкость оранжевого или темно-красного цвета.

Заявленное изобретение позволяет расширить ассортимент высококачественных натуральных пищевых антоциановых красителей с широким спектром окраски от лимонно-желтого до темно-коричневого с высокой концентрацией пигмента, полученных экологически чистым путем - ферментативной обработкой, с возможностью обеспечения круглогодичного производства натурального антоцианового красителя.

1. Способ получения натурального пищевого антоцианового красителя из отходов кукурузы, включающий подготовку сырья путем его последовательной обработки, отличающийся тем, что предварительно готовят гидролизующий агент путем культивирования микроорганизмов Zygofabospora marxiana BKM Y-848, Geotrichiatum candidum 3C или их смеси в соотношении 1:1, затем полученный агент вносят в подготовленное сырье в количестве 0,01-0,04% на 1 г сухого сырья и проводят его ферментативный гидролиз в течение 1-2 ч, по истечении времени гидролиза ферменты инактивируют и проводят фильтрацию полученного раствора, после чего осуществляют двукратную промывку оставшегося на фильтре шрота и объединяют промывные воды и фильтрат с получением единого раствора, который затем упаривают до половины объема с получением красителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отходов кукурузы используют шелуху, кочерыжки, стебли, листья, соцветия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подготовка сырья включает промывку отходов кукурузы, сушку, дробление, смешивание сырья с подкисленной водой в соотношении 1:20.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что культивирование Zygofabospora marxiana BKM Y-848 проводят на питательной среде, содержащей свежеприготовленную молочную сыворотку, дрожжевой автолизат и стандартные соли Ридера.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что культивирование Geotrichiatum candidum 3C проводят на питательной среде, содержащей пшеничные отруби, свекловичный жом и минеральные соли.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании Zygofabospora marxiana BKM Y-848 в качестве продуцента ферментов гидролиз ведут при температуре 40°С и рН 4,7.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании Geotrichiatum candidum 3C в качестве продуцента ферментов гидролиз ведут при температуре 35-40°С и рН 3,3-3,5.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании смеси упомянутых микроорганизмов в качестве продуцентов ферментов гидролиз ведут при температуре 30-40°С и рН 4,0-4,5.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно полученный краситель подвергают стабилизации.

10. Пищевой антоциановый краситель, отличающийся тем, что он получен способом по любому из пп.1-8.