Биокатализ крахмала кукурузы термостабильной α-амилазой в двухшнековом экструдере

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.

1. Ананских, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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/s10570-008-9222-8

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Moscicki L. (2011) Extrusion-Cooking Techniques : Applications, Theory and Sustainability. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 234 p.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.