spfpХранение и переработка сельхозсырьяStorage and Processing of Farm Products2072-96692658-767XРОСБИОТЕХ10.36107/spfp.2021.244spfp-244Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИPHYSICAL AND CHEMICAL METHODS OF FARM RAW MATERIAL PROCESSINGБиокатализ крахмала кукурузы термостабильной α-амилазой в двухшнековом экструдереBiocatalysis of Corn Starch with Thermostable α-amylase in Twin-screw Extruderhttps://orcid.org/0000-0001-9483-5209ШариковАнтон ЮрьевичSharikovAnton Yu.

Отдел оборудования пищевых производств и мембранных технологий

anton.sharikov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6492-7070ИвановВиктор ВитальевичIvanovViktor V.

Ведущий научный сотрудник

ivanov.v.v@li.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5138-6746АмелякинаМария ВалентиновнаAmelyakinaMaria V.

Научный сотрудник

masha.am@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9097-3946СередаАнна СергеевнаSeredaAnna S.

Старший научный сотрудник

as.sereda@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6078-9280ПоливановскаяДарья ВикторовнаPolivanovskayaDaria V.

Младший научный сотрудник

dashpol@mail.ruВсероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал ФГБУН "Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи"РоссияVNIIPBT - branch of Federal State Budgetary Scientific Institution «Federal Research Centre of Nutrition, Biotechnology and Food SafetyRussian Federation202127112021046475Copyright © Шариков А.Ю., Иванов В.В., Амелякина М.В., Середа А.С., Поливановская Д.В., 20222022Шариков А.Ю., Иванов В.В., Амелякина М.В., Середа А.С., Поливановская Д.В.Sharikov A.Y., Ivanov V.V., Amelyakina M.V., Sereda A.S., Polivanovskaya D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.spfp-mgupp.ru/jour/article/view/244

Традиционные технические решения в области ферментативного гидролиза крахмала и крахмалсодержащего сырья предполагают многостадийную водно-ферментативную обработку субстрата, включая стадии разваривания, разжижения, декстринизации, упаривания и сушки, в случае производства готовой продукции в порошкообразном виде. В качестве альтернативы такого многоэтапного процесса предлагается использование экструзионной техники, которая помимо использования в производстве продуктов питания, ингредиентов и кормов находит применение в качестве химических реакторов, заменяя традиционные емкостные реакторы периодического действия. Проведено исследование влияния гидротермомеханических режимных параметров, влагосодержания и дозировки термостабильного амилолитического фермента на процесс экструзии крахмала и степень его гидролиза в камере двухшнекового экструдера. Установлено, что температурный диапазон 112-122 °С является оптимальным для осуществления процесса биокатализа. Максимальное значение декстрозного эквивалента 13,6 достигнуто при влагосодержании 36% и дозировке α-амилазы 6 ед.АС/ г крахмала. Показано, что декстрозный эквивалент при экструзии крахмала с данным количеством фермента даже при влажности 20% составляет 12,6. Остаточная амилолитическая активность экструдатов варьируется в диапазоне от 0,2 до 0,55 ед. АС в зависимости от начальной подачи фермента в камеру экструдера, что свидетельствует о неполной инактивации α-амилазы в процессе экструзии даже при температурных режимах, превышающих оптимум действия α-амилазы. Установлено, что в отличие от экструдирования крахмала без фермента увеличение влагосодержания при внесении α-амилазы способствует росту растворимости и снижению влагоудерживающей способности экструдатов. Результаты исследования показали возможность проведения непрерывной биокаталитической реакции гидролиза крахмала непосредственно в камере экструдера, что позволяет получать гидролизаты с низкой влажностью в одну стадию, исключая этапы водно-тепловой обработки низкоконцентрированных крахмальных сред, их упаривание и последующую распылительную сушку.

Traditional technical solutions in the field of enzymatic hydrolysis of starch and starch-containing raw materials involve multi-stage water-enzymatic treatment of the substrate including the stages of cooking, liquefaction, dextrinization, evaporation and drying. As an alternative to this multistage technology, the use of extruders is proposed, which, in addition to the production of food, ingredients and feed, can be used as chemical reactors, replacing traditional batch reactors. The study of the influence of operating extrusion parameters, moisture content and dosage of a thermostable amylolytic enzyme on the process of starch extrusion and the degree of its hydrolysis in the chamber of a twin-screw extruder was carried out. It was found that the temperature range 112-122 ° C is optimal for the biocatalysis process. The maximum dextrose equivalent of 13.6 was achieved with a moisture content of 36% and a dosage of α-amylase of 6 amylolytic units per 1 g of starch. It has been shown that the dextrose equivalent during the extrusion of starch with a given amount of enzyme at a moisture content of 20% was 12.6. The residual amylolytic activity of the extrudates varied in the range from 0.2 to 0.55 units and depended on the initial enzyme dosage. It indicates incomplete inactivation of α-amylase during extrusion even at temperature conditions exceeding the α-amylase temperature optimum. It was found that, in contrast to the extrusion of starch without an enzyme, an increase in the moisture content upon the addition of α-amylase promotes an increase in solubility and a decrease in the water-holding capacity of extrudates. The results of the study showed the possibility of carrying out a continuous biocatalytic reaction of starch hydrolysis directly in the extruder chamber. It makes it possible to obtain hydrolysates with low moisture content in one stage, excluding the stages of water-heat treatment of low-concentrated starch media, their evaporation and subsequent spray drying.

крахмалэкструзиягидролизферментамилазавысокие концентрациидекстрозный эквивалентstarchextrusionhydrolysisenzymeamylasehigh concentrationsdextrose equivalentReferencesАнанских, В.В., & Шлеина, Л.Д. (2017). О возможности получения мальтодекстринов из кукурузной муки. Хранение и переработка сельхозсырья, (11), 9-13. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnosti-polucheniya-maltodekstrinov-iz-kukuruznoy-muki.Ananskih, V.V., & Shleina, L.D. (2017). O vozmozhnosti polucheniya mal'todekstrinov iz kukuruznoj muki [About a possibility of receiving maltodextrins from cornmeal]. Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya [Storage and processing of Farm Products], (11), 9-13. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnosti-polucheniya-maltodekstrinov-iz-kukuruznoy-muki.Ананских, В.В., & Шлеина, Л. Д. (2018). Мальтодекстрины из крахмалосодержащего сырья, их качество и использование в отраслях пищевой промышленности. Кондитерское и хлебопекарное производство, 7-8, 50-52. URL:https://bakery.news/wp-content/uploads/2019/01/Bread_07-08_ 2018_Maltodekstrin_18_07.pdf.Ananskih, V.V., & Shleina, L.D. (2018). Mal'todekstriny iz krahmalosoderzhashchego syr'ya, ih kachestvo i ispol'zovanie v otraslyah pishchevoj promyshlennosti [Maltodextrins from starchy raw materials, their quality and use in the food industry]. Konditerskoe i hlebopekarnoe proizvodstvo [Confectionery and bakery production], 7-8, 50-52. URL:https://bakery.news/wp-content/uploads/2019/01/Bread_07-08_ 2018_Maltodekstrin_18_07.pdf.Папахин, А.А., Лукин, Н.Д., Ананских, В.В., & Бородина, З.М. (2020). О современных направлениях технологии гидролиза крахмала. Достижения науки и техники АПК, 34(12), 84-89. https://doi.org/10.24 411/0235-2451-2020-11214.Papahin, A.A., Lukin, N.D., Ananskih, V.V., & Borodina, Z.M. (2020). O sovremennyh napravleniyah tekhnologii gidroliza krahmala [Modern trends in starch hydrolysis technology]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK [Achievements of Science and Technology of AIC], 34(12), 84-89. https://doi.org/10.24 411/0235-2451-2020-11214.Степанов, В.И., Римарева, Л.В., & Иванов, В.В. (2002). Экструзионный метод переработки крахмалосодержащего сырья в биотехнологическом производстве. Хранение и переработка сельхозсырья, 8, 48-49.Stepanov, V.I., Rimareva, L.V., & Ivanov, V.V. (2002). Ekstruzionnyj metod pererabotki krahmalosoderzhashchego syr'ya v biotekhnologicheskom proizvodstve [Extrusion method for processing starch-containing raw materials in biotechnological production]. Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya [Storage and processing of Farm Products], 8, 48-49.Шариков, А.Ю., Степанов, В.И., & Иванов, В.В. (2019). Термопластическая экструзия в процессах пищевой биотехнологии. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 9 (3 (30)), 447-460. http://dx.doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-447-460.Sharikov, A.Yu., Stepanov, V.I., & Ivanov, V.V. (2019). Termoplasticheskaya ekstruziya v processah pishchevoj biotekhnologii [Thermoplastic extrusion in food biotechnology processes]. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology], 9 (3 (30)), 447-460. http://dx.doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-447-460.Шариков, А.Ю., Иванов, В.В., & Амелякина, М.В. (2020). Влияние перемешивания на эффективность ферментативного гидролиза высококонцентрированных сред экструдированного крахмала кукурузы. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 82 (3 (85)), 96-103.Sharikov, A.Yu., Ivanov, V.V., & Amelyakina, M.V. (2020). Vliyanie peremeshivaniya na effektivnost' fermentativnogo gidroliza vysokokoncentrirovannyh sred ekstrudirovannogo krahmala kukuruzy [Effect of agitation on the efficiency of enzymatic hydrolysis of highly concentrated media of extruded corn starch]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 82 (3 (85)), 96-103.Ainsworth, P., Ibanoğlu, S., Plunkett, A., Ibanoğlu, E., Stojceska V. (2007). Effect of brewers spent grain addition and screw speed on the selected physical and nutritional properties of an extruded snack. J. Food Eng, 81(4), 702–709. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2007.01.004.Ainsworth, P., Ibanoğlu, S., Plunkett, A., Ibanoğlu, E., Stojceska V. (2007). Effect of brewers spent grain addition and screw speed on the selected physical and nutritional properties of an extruded snack. J. Food Eng, 81(4), 702–709. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2007.01.004.Baks, T., Kappen, F.H.J., Janssen, A.E.M., Boom, R.M. (2008). Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch–water mixtures with alpha-amylase from Licheniformis B. Journal of Cereal Science, 47(2), 214-225. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2007.03.011.Baks, T., Kappen, F.H.J., Janssen, A.E.M., Boom, R.M. (2008). Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch–water mixtures with alpha-amylase from Licheniformis B. Journal of Cereal Science, 47(2), 214-225. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2007.03.011.Butrim, S., Litvyak, V. & Moskva, V. (2009). A Study of Physicochemical Properties of Extruded Starches of Varied Biological Origin. Russian Journal of Applied Chemistry. 82. 1195-1199. https://doi.org/10.1134/S1070427209070076.Butrim, S., Litvyak, V. & Moskva, V. (2009). A Study of Physicochemical Properties of Extruded Starches of Varied Biological Origin. Russian Journal of Applied Chemistry. 82. 1195-1199. https://doi.org/10.1134/S1070427209070076.Felby, C., Thygesen, L.G., Kristensen, J.B., Jorgensen, H, & Elder, T. (2008). Cellulose-water interactions during enzymatic hydrolysis as studied by time domain NMR. Cellulose, 15(5), 703-710. https://doi.org/10.1007/s10570-008-9222-8Felby, C., Thygesen, L.G., Kristensen, J.B., Jorgensen, H, & Elder, T. (2008). Cellulose-water interactions during enzymatic hydrolysis as studied by time domain NMR. Cellulose, 15(5), 703-710. https://doi.org/10.1007/s10570-008-9222-8Govindasamy, S., Campanella, O.H., & Oates, C.G. (1997). The single screw extruder as a bioreactor for sago starch hydrolysis. Food Chemistry, 60(1), 1-11. https://doi.org/10.1016/S0308-8146(96)00100-8.Govindasamy, S., Campanella, O.H., & Oates, C.G. (1997). The single screw extruder as a bioreactor for sago starch hydrolysis. Food Chemistry, 60(1), 1-11. https://doi.org/10.1016/S0308-8146(96)00100-8.Govindasamy, S., Campanella, O.H., & Oates, C.G. (1997). Enzymatic hydrolysis of sago starch in a twin-screw extruder. Journal of Food Engineering, 32(4), 403-426. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(97)00017-4.Govindasamy, S., Campanella, O.H., & Oates, C.G. (1997). Enzymatic hydrolysis of sago starch in a twin-screw extruder. Journal of Food Engineering, 32(4), 403-426. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(97)00017-4.Hodge, D.B., Karim, M.N., Schell, D.J., & McMillan, J.D. (2009). Model-based fed-batch for high-solids enzymatic cellulose hydrolysis. Appl Biochem Biotechnol, 152(1), 88-107. https://doi.org/10.1007/s12010-008-8217-0.Hodge, D.B., Karim, M.N., Schell, D.J., & McMillan, J.D. (2009). Model-based fed-batch for high-solids enzymatic cellulose hydrolysis. Appl Biochem Biotechnol, 152(1), 88-107. https://doi.org/10.1007/s12010-008-8217-0.Chronakis I.S. (1998). On the Molecular Characteristics, Compositional Properties, and Structural-Functional Mechanisms of Maltodextrins: A Review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 38(7), 599-637. https://doi.org/10.1080/10408699891274327.Chronakis I.S. (1998). On the Molecular Characteristics, Compositional Properties, and Structural-Functional Mechanisms of Maltodextrins: A Review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 38(7), 599-637. https://doi.org/10.1080/10408699891274327.Jørgensen, H., Vibe-Pedersen, J., Larsen, J., & Felby, C. (2007). Liquefaction of lignocellulose at high-solids concentrations. Biotechnol Bioeng, 96(5), 862-70. doi: 10.1002/bit.21115. PMID: 16865734.Jørgensen, H., Vibe-Pedersen, J., Larsen, J., & Felby, C. (2007). Liquefaction of lignocellulose at high-solids concentrations. Biotechnol Bioeng, 96(5), 862-70. doi: 10.1002/bit.21115. PMID: 16865734.Kristensen, J.B., Felby, C., & Jørgensen, H. (2009). Yield-determining factors in high-solids enzymatic hydrolysis of lignocellulose. Biotechnology for biofuels, 2(1), 11. https://doi.org/10.1186/1754-6834-2-11.Kristensen, J.B., Felby, C., & Jørgensen, H. (2009). Yield-determining factors in high-solids enzymatic hydrolysis of lignocellulose. Biotechnology for biofuels, 2(1), 11. https://doi.org/10.1186/1754-6834-2-11.Modenbach, A.A., & Nokes, S.E. (2013). Enzymatic hydrolysis of biomass at high-solids loadings – A review. Biomass and Bioenergy, 56, 526-544. doi:10.1016/j.biombioe.2013.05.031.Modenbach, A.A., & Nokes, S.E. (2013). Enzymatic hydrolysis of biomass at high-solids loadings – A review. Biomass and Bioenergy, 56, 526-544. doi:10.1016/j.biombioe.2013.05.031.Mohagheghi, A., Tucker, M., Grohmann, K.,& Wyman, C. (1992). High Solids Simultaneous Saccharification and Fermentation of Pretreated Wheat Straw to Ethanol. Appl Biochem Biotechnol, 33, 67-81.Mohagheghi, A., Tucker, M., Grohmann, K.,& Wyman, C. (1992). High Solids Simultaneous Saccharification and Fermentation of Pretreated Wheat Straw to Ethanol. Appl Biochem Biotechnol, 33, 67-81.Moscicki L. (2011) Extrusion-Cooking Techniques : Applications, Theory and Sustainability. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 234 p.Moscicki L. (2011) Extrusion-Cooking Techniques : Applications, Theory and Sustainability. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 234 p.Myat, L.,& Ryu, G-H. (2013). Extrusion with thermostable α-amylase injection as pretreatment method for ethanol production from corn starch. Microbial & Biochemical Technology, 5(2), 47-53. https://doi.org/10.4172 /1948-5948.1000099.Myat, L.,& Ryu, G-H. (2013). Extrusion with thermostable α-amylase injection as pretreatment method for ethanol production from corn starch. Microbial & Biochemical Technology, 5(2), 47-53. https://doi.org/10.4172 /1948-5948.1000099.Santala, O., Nordlund, E., & Poutanen, K.(2013). Use of an extruder for pre-mixing enhances xylanase action on wheat bran at low water content. Bioresource Technology, 149, 191-199. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2013.09.029.Santala, O., Nordlund, E., & Poutanen, K.(2013). Use of an extruder for pre-mixing enhances xylanase action on wheat bran at low water content. Bioresource Technology, 149, 191-199. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2013.09.029.Solihin, B.W., Kim, M.H., Im, B.S., Cha, J.Y., &Ryu, G.H. (2007) Effects of feed moisture (ii) content on enzymatic hydrolysis of corn starch in twin-screw extruder and saccharification of the dried extrudates. Food science and biotechnologie, 16(3), 381-385.Solihin, B.W., Kim, M.H., Im, B.S., Cha, J.Y., &Ryu, G.H. (2007) Effects of feed moisture (ii) content on enzymatic hydrolysis of corn starch in twin-screw extruder and saccharification of the dried extrudates. Food science and biotechnologie, 16(3), 381-385.Stojceska, V., Ainsworth, P., Plunkett, A., & İbanoğlu, Ş. (2010) The advantage of using extrusion processing for increasing dietary fibre level in gluten-free products. Food Chemistry, 121(1), 156-164. https://doi.org/ 10.101 6/ j.foodchem.2009.12.024.Stojceska, V., Ainsworth, P., Plunkett, A., & İbanoğlu, Ş. (2010) The advantage of using extrusion processing for increasing dietary fibre level in gluten-free products. Food Chemistry, 121(1), 156-164. https://doi.org/ 10.101 6/ j.foodchem.2009.12.024.Takeiti, C.Y., Kieckbusch, T.G., & Collares-Queiroz, F.P. (2010) Morphological and Physicochemical Characterization of Commercial Maltodextrins with Different Degrees of Dextrose-Equivalent. International. Journal of Food Properties, 13(2), 411-425, https://doi.org/10.1080/ 10942910802181024.Takeiti, C.Y., Kieckbusch, T.G., & Collares-Queiroz, F.P. (2010) Morphological and Physicochemical Characterization of Commercial Maltodextrins with Different Degrees of Dextrose-Equivalent. International. Journal of Food Properties, 13(2), 411-425, https://doi.org/10.1080/ 10942910802181024.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.