CC BY
130
УДК 663.18
A.B. Виноградова, О.В. Паклина, Е.Н. Анашкина
Пермский государственный технический университет
ТОПИНАМБУР - ПЕРСПЕКТИВНОЕ СЫРЬЕ БИОТЕХНОЛОГИИ
Отработан режим гидролиза клубней топинамбура и показана доброкачественность полученного гидролизата в качестве питательной среды при культивировании дрожжей и получении этилового спирта.
Одним из факторов, влияющих на быстрый рост микроорганизмов и максимальный синтез ими различных биологически активных веществ, являются питательные среды. При подборе питательной среды учитывается ее полноценность, т.е. обоснованный и сбалансированный набор питательных соединений, необходимых микроорганизму для построения растущей клетки и синтеза конечного целевого продукта.
В научной литературе последнее время заметное внимание уделяется культуре топинамбура, перспективам его использования в пищевой, фармацевтической, консервной промышленности и кормопроизводстве [1]. Ценность этого растения обусловливается его урожайностью, химическим составом, неприхотливостью при возделывании.
Топинамбур (земляная груша, Helianthus tuberosus, подсолнечник клубненосный) - это многолетнее клубненосное растение. Наземной частью напоминает подсолнечник. Стебель прямой крепкий, иногда до 4 м в высоту. Корневая система мощная, глубокая [2].
Топинамбур экологически пластичен и произрастает в различных климатических зонах: от тропиков до северных районов земледелия. Топинамбур - это неприхотливая быстрорастущая культура, способная даже в неблагоприятных условиях давать устойчивые урожаи клубней и зеленой массы. При этом по урожайности земляная груша превосходит картофель и сахарную свеклу.
Топинамбур - действенный биологический защитник. Он меньше, чем другие растения, накапливает нитраты, тяжелые металлы, радионуклиды. Его можно культивировать на экологически неблагоприятных землях. Клубни и продукты, полученные из них, безопасны в отношении токсичных ионов.
Растения топинамбура не нуждаются в обработке пестицидами, так как устойчивы ко многим болезням и вредителям, в том числе фитофторе, колорадскому жуку и нематоде, вследствие чего дают полноценную экологически безопасную пищевую и кормовую продукцию.
Топинамбур привлекает внимание исследователей не только своей продуктивностью, но и уникальным химическим составом [3, 4]. Клубни топинамбура содержат около 25 % сухих веществ, основную массу которых составляют углеводы. Преимущественно это фруктоза-ны, т.е. полимеры фруктозы. Среди них наиболее ценится инулин - резервный полисахарид топинамбура. Содержание инулина в клубнях достигает 80 % от сухих веществ.
Клубни топинамбура богаты пищевыми волокнами, которые представляют собой комплекс полисахаридов (пектинов, клетчатки, целлюлозы, гемицеллюлоз) с лигнином и связанными с ними белковыми веществами. Пектиновых веществ в топинамбуре содержится до 11 % от массы сухого вещества, клетчатки 2-4 %. В состав клубней топинамбура входят также белки, аминокислоты, органические и жирные кислоты, витамины, минеральные вещества (рис. 1).
клетчатка 2 % -
азотистые вещества 2 % -1
Рис. 1. Химический состав клубней топинамбура
Существующие технологии переработки клубней включают в себя выделение инулина, который применяется в лечебно-профилактическом питании больных сахарным диабетом и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Кроме того, инулин является пребиотиком и добавляется в йогурты и напитки, нормализующие работу кишечника.
После выделения инулина остается биомасса клубней, так называемый жом, который используется в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Однако питательная ценность жома мала,
это связано с низким содержанием в нем белка, кроме того, растительный белок, как правило, не сбалансирован по ряду незаменимых аминокислот.
С учетом вышесказанного представляло интерес оценить эффективность использования клубней топинамбура в качестве сырья для биотехнологических процессов на примере традиционных технологий получения белковых кормовых дрожжей и этилового спирта.
С этой целью клубни измельчали и полученную массу гидролизовали для перевода поли- и олигосахаридов в потребляемые микроорганизмами моносахариды при гидромодуле 8. Исследовано несколько режимов гидролиза: водный (рН 6), кислотный (серной кислотой различной концентрации, рН от 1,8 до 4,5), гидролиз под избыточным давлением и при различной температуре.
Нарастание количества моносахаридов в гидролизате оценивали по содержанию редуцирующих веществ (РВ) эбулиостатическим методом. На диаграммах представлены концентрации РВ в гидролизатах при различных условиях гидролиза (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость концентрации РВ в гидролизате от режима гидролиза: а - t = 100 °C, 1 ч; б - t = 113 °C, 20 мин; в - t = 121 °C, 1 ч
При атмосферном давлении наибольший прирост РВ получен при концентрации серной кислоты 0,5 % и температуре 100 °C. При данных условиях концентрация редуцирующих веществ в гидролизате повышалась в течение 3 ч и составила к третьему часу 1,8 % (рис. 3).
При гидролизе под избыточным давлением 0,5 атм (/ = 113 °С) в течение 5-20 мин содержание РВ в гидролизате повысилось до 7,3-6,5 % (рис. 4).
2
0 1 2 3 4 5
Время, ч
Рис. 3. Изменение концентрации РВ в процессе гидролиза клубней топинамбура при атмосферном давлении (100 °С)
Время, мин
Рис. 4. Изменение концентрации РВ в гидролизате при гидролизе биомассы клубней топинамбура при избыточном давлении 0,5 атм
Снижение концентрации РВ с течением времени (более 5 мин) в процессе гидролиза происходит, по-видимому, в результате их разложения.
Увеличение избыточного давления до 1 атм (121 °С) не привело к повышению содержания РВ в гидролизатах как водных, так и кислотных (см. рис. 2, в).
Таким образом, наиболее эффективными условиями гидролиза оказались: температура 113 °С (избыточное давление 0,5 атм), концентрация серной кислоты 0,5 %, гидромодуль 8, продолжительность 5-20 мин. Проведение гидролиза в таком режиме приводит к концентрации РВ в гидролизате 6,0-7,3 %.
Хроматографический качественный анализ гидролизата показал отсутствие в нем поли- и олигосахаров, моносахаридная составляющая представлена фруктозой и глюкозой. Причем концентрация фруктозы значительно больше, чем глюкозы.
Полученный гидролизат использовали в качестве питательной среды при культивировании дрожжей рода Candida scottii АБ-1 в периодических условиях на качалке с числом 160 об/мин при температуре 37 °С. Подготовка гидролизата к биохимической переработке заключалась в разбавлении его водой, внесении солей фосфора и калия нейтрализации аммиачной водой до рН 5,0 (одновременно - источник азота). Результаты культивирования приведены в таблице.
Показатели эффективности накопления биомассы дрожжей на гидролизате клубней топинамбура
РВ исх., % Концентрация биомассы, г/л Эконом. коэффициент Содержание белка, %
сырой сухой
1,6 25,88 7,14 0,51 49,9
Приведенные среднеарифметические данные трех опытов показывают, что полученный гидролизат является биологически доброкачественным, обеспечивая высокий съем микробной биомассы с содержанием белка 49,9 %.
Удельная скорость роста дрожжей, рассчитанная по изменению оптической плотности суспензии (D), составила в логарифмической фазе (0,60 ± 0,08)ч-1 (рис. 5).
Сбраживание углеводной части гидролизата дрожжами Saccharomyces cerevisiae при исходной концентрации РВ 7,3 % в течение 22 ч показало высокую скорость спиртового брожения. Расчетная величина выхода этилового спирта с 1 т клубней составила 10,9 ± 1,0 дал.
2,000
1,000
0,000
-1,000
-2,000
-3,000
-4,000
1 1
■
0 5 0 «1С р 1 / ,0 /к о ГО О _ ,0 25 ,0 30 ,0 35
I1 /
У .. ■■ р /
■ ♦ ♦
Время, ч
Рис. 5. Кривая роста дрожжей на гидролизате клубней топинамбура
Таким образом, показано, что клубни топинамбура могут рассматриваться как потенциальное сырье для биотехнологических процессов. Гидролизат, полученный на их основе, является биологически доброкачественным субстратом и может быть использован в качестве питательной среды при культивировании микроорганизмов в технологии получения микробной биомассы различного назначения и биологически активных веществ.
Список литературы
1. Пасько Н.М. Топинамбур - биотехнологический потенциал для пищевых, лечебных, технических, кормовых и экологических целей // Топинамбур и топинсолнечник - проблемы возделывания и использования: материалы III Всесоюз. науч.-произв. конф. - Одесса: Маяк, 1991. - С. 26-50.
2. Энциклопедия Кругосвет / под ред. А.Ю. Яковлева. - М.: Наука, 2001. - 338 с.
3. Кахана Б.М., Арасимович В.В. Биохимия топинамбура. - Кишинев, 1974. - 79 с.
4. Шаин С.С. Топинамбур: новый путь к здоровью и красоте. -М.: Фитон+, 2000. - 128 с.
Получено 6.12.2010
