БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006
Частина ІІ. Спеціальні біотехнології
РОЗДІЛ 10. ЗАСТОСУВАННЯ ІММОБІЛІЗОВАНИХ ФЕРМЕНТІВ У БІОТЕХНОЛОГІЇ
10.5.ЗАСТОСУВАННЯ БІОТЕХНОЛОГІЙ З ІММОБІЛІЗОВАНИМИ ФЕРМЕНТАМИ У МОЛОЧНІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ
Нині у молочній промисловості біотехнології з використанням іммобілізованих ферментів можуть бути застосовані для видалення лактози з молока і продуктів його переробки, у процесах виробництва сирів, а також для збільшення терміну збереження молока.
При переробці молока для одержання сирів утворюється дуже багато молочної сироватки, у якій міститься в невеликих кількостях білок, різні солі і лактоза (близько 5 %). Так, при виробництві 1 т сиру утворюється 9 т сироватки. В кожній тонні сироватки міститься близько 5 кг високоякісного білка, вітаміни групи В, комплекс вільних амінокислот, усі найважливіші мінеральні елементи, в тому числі кальцій і фосфор. Але найціннішим компонентом сироватки є лактоза, якої в 1 т майже 50 кг.
Лактоза, діцукор або молочний цукор, є цінною сировиною для харчової і мікробіологічної промисловості. Вона має низьку розчинність і малу солодкість, і тому в харчовій промисловості не може використовуватися без попередньої обробки. При дії на неї ферменту лактази або β-галактозідази розщеплюється на два моноцукри - глюкозу і галактозу, які у 1,5 раза солодші за цукор. Вони використовуються у харчовій промисловості, наприклад, для виготовлення морозива з тривалим терміном зберігання (до 4 міс.) та замість меляси для одержання цукристих речовин.
Сироватка може використовуватись у мікробіологічній промисловості як субстрат для вирощування культури кормових дріжджів, які мають лактазну активність (Saссharomycesfragilis, Zygosacсharomyces lactic, Candidia pseudotropicalis і ін.).
Така переробка молочної сироватки зменшує забруднення навколишнього середовища, тому що в більшості випадків ці відходи переробки молока не утилізуються. Хімічний гідроліз лактози економічно невигідний через високу вартість очищення отримуваних з неї продуктів.
Вилучення лактози з молочної сироватки. Поки що немає промислових установок з переробки молочної сироватки, хоча доступна і дешева сировина та цінні продукти, що утворюються при гідролізі, викликають неабиякий інтерес. У деяких країнах працюють пілотні установки. Так, у США фірмою «Корнінг Глас» налагоджена переробка депротеінізованої і знесоленої сироватки. В установці, що працює при 50 оС, використовується лактоза, іммобілізована методом ковалентного зв’язування з пористим силікагелем за допомогою глутарового альдегіду. Час напівінактивації ферменту залежить насамперед від складу вихідної сировини і при переробці знесоленої депротеінізованої сироватки досягає 62 днів. Собівартість 1 т цукрів, отриманих при ферментативному гідролізі сироваткової лактози, на цій установці складає близько 175 доларів.
У 1978 р. в Англії розпочали переробку молочної сироватки з вилучення лактози на напівпромисловій установці (рис. 10.3). Наразі використовується лактоза, іммобілізована на пористому силікагелі шляхом ковалентного зв’язування за допомогою глутарового альдегіду за методом фірми «Корнінг Глас». У реактор надходить попередньо пастеризована, депротеінізована і демінералізованана сироватка. Протягом 5 днів безупинної роботи на установці переробляється близько 30 т сироватки, з якої одержують 1,7 т цукрового сиропу або 1,2 т сухих цукрів. Ступінь конверсії лактози - 80 %. Аналогічна установка за участю тих же партнерів уведена в дію 1978 р. у Франції. її продуктивність - 500 л/год сироватки. На промисловій установці з денною продуктивністю 200 т цукрового сиропу при 80 % конверсії лактози собівартість 1 кг отриманих цукрів складає 1,25-1,80 французького франка.
Рис. 10.3. Схема напівпромислової установки для гідролізу лактози у молочній сироватці
(за Клесовим А.А., 1982)
Для вилучення лактози з молочної сироватки біокаталізатор (іммобілізована лактаза) розміщується в реакторі горизонтально у вигляді нерухомого шару.
Вилучення лактози з молока. Необхідність вилучення лактози з незбираного молока викликана тим, що деякі люди, особливо в країнах Азії й Африки, не засвоюють лактозу через відсутність у їхньому організмі лактази. При вживанні в їжу молока в них з’являється діарея, метеоризм, біль у животі. Елімінувавши лактозу з молока, можна вирішити дуже важливе питання поліпшення харчування значної частини населення, насамперед дітей в економічно відсталих країнах.
Однак виникає багато проблем, пов’язаних з особливими фізико-хімічними властивостями цього продукту. У зв’язку з тим, що молоко - колоїдний розчин, при використанні реактора з нерухомим шаром існує потенційна небезпека забивання колонок. Крім цього, для збереження високої якості і запобігання мікробного забруднення технологією передбачена обробка молока при низьких робочих температурах. У цьому випадку зменшується активність іммобілізованого ферменту, тому що оптимум дії лактази становить 37 оС. Зменшення активності лактази спричиняє збільшення часу витримування молока в реакторі. Це, в свою чергу, може призвести до забруднення молока ферментом і носієм, очищення молока від яких дорого коштує.
Успішне подолання багатьох з названих проблем дозволило здійснити перший комерційний проект з одержання безлактозного молока. З 1975 р. в Італії працює промислова пілотна установка з використанням лактази (рис. 10.4).
Рис. 10.4. Схема пілотної установки для одержання безлактозного дієтичного молока за допомогою іммобілізованої
лактази
(за Клесовим А.А., 1982)
Джерелом для комерційних препаратів розчинної лактази є гриби (з них лактаза більше підходить для переробки кислої сироватки) і дріжджі (лактаза більш придатна для обробки молока).
Для попередження закупорки реактора швидкість, з якою протікає молоко через колонку, значно збільшили. Іммобілізація дріжджової лактази проведена шляхом включення крапельок ферменту у порожнисті нитки триацетатцелюлози, що змотуються в мотки і дуже рихло розміщуються паралельно осі реактора та закріплюються в його верхній і нижній точках. Таке рішення одночасно забезпечує низький опір струму рідини і дуже велику площу поверхні ферменту. Стійкість триацетатце- люлози перешкоджає потраплянню носія у продукцію. Іммобілізований таким методом фермент має високу стабільність: 0,5 кг ферментомістких волокон триацетатцелюлози після переробки 500 тис. л молока при 4-7 оС втратили тільки 10 % своєї первинної ферментативної активності.
Для усунення мікробного забруднення колонки періодично промивають бактерицидними розчинами.
При високій вартості лактази (дріжджової β-галактозідази) економічного ефекту можна досягнути за рахунок високої експлуатаційної стабільності ферменту і високої конверсії лактози. Проблему вирішили, використавши реактор з нерухомим шаром і рециркуляцією (реактори з нерухомим шаром потребують менше ферменту при виході такої ж кількості продукту). Установка має 20-метровий реактор, у якому знаходиться 4 кг лактази, іммобілізованої шляхом включення у волокна триацетатцелюлози. Фермент досить стабільний. Протягом 50 днів роботи його активність зменшилася тільки на 20 %. Потужність установки - не менше 8000 л молока на день. Переробці піддається збиране молоко, що стерилізується протягом 3 с при температурі 142 оС, потім швидко охолоджується до 4-7 оС і кількаразово прокачується зі швидкістю 7 л/хв через реакційну колонку до досягнення необхідного ступеня конверсії (75 %). При 7 оС безлактозне молоко може зберігатися протягом 3-4 місяців.
Джерелом для комерційних препаратів розчинної лактази є гриби (з них лактаза більш підходить для переробки кислої сироватки) і дріжджі (лактаза більш придатна для обробки молока).
Виробництво сирів. Використання іммобілізованих ферментів може бути перспективним при переробці молока для виробництва сирів. При виробництві сирів використовується сичужний фермент реннін. В результаті його дії із незбираного молока виділяється білок казеїн, який після коагуляції стає основою усього процесу виробництва сичужних сирів. Процес згортання (зсідання) молока проходить у дві стадії. На першій, ензиматичній, відбувається зміна структури казеїну, який стає менш стійким і під дією іонів кальцію на другій неензиматичній стадії випадає в осад. Крім того, відомо, що сичужний фермент суттєво впливає на якість сиру і, як наслідок, на економіку виробництва.
Природний сичужний фермент (реннін) виготовляють із сичугів молодих телят, які одержували з раціоном тільки молоко. Практично в усіх країнах з розвиненою молочною промисловістю не вистачає сичугів телят, а отже, сичужного ферменту. У колишньому Радянському Союзі щорічно для потреб сироваріння потрібно було 200-250 т сичужного ферменту, який можна виділити з 8-10 млн сичугів телят (Артамонов В.І., 1989). Підраховано, що загальна потреба в ренніні у світі оцінюється сумою близько 100 млн дол.
Замість шлунків молодих телят у виробництві сирів почали використовувати сичуги більш дорослих телят, в яких міститься менше реніну, однак вони мають підвищену кількість пепсину та небажаних баластних речовин, що негативно впливає на якість сирів, які виготовляються. Все це зумовило інтенсивний пошук альтернативних джерел ренніну за допомогою мікроорганізмів.
Мікроорганізми продукують різноманітні ферменти. Ще з кінця ХІХ століття було відомо, що деякі мікроорганізми синтезують ферменти, які викликають згортання молока. До них належать Bac. subtilis, Bacterium prodigiosum, Aspergillus oryzae та ін. Мікробні ферменти для згортання молока у промислових масштабах виробляються в Японії, США, Данії та інших країнах. Продуцентами ферментів, які використовуються в Японії є Mucor parasitiсa, у США - гриб Endothia parasitica, а у Данії — плісень Mucor miеhei. Фірмою Cooney et Emerson випускається фермент реннілаза, у Франції - формоза, а в колишньому Радянському Союзі вироблявся мезентерин ГР і мукор. Мікробні ферменти можна використовувати окремо, а також у суміші з природним ренніном, витрати якого зменшуються удвічі.
На жаль, мікробний реннін має деякі недоліки. Він зберігає активність протягом тривалого часу і має ширший спектр дії порівняно з ренніном тваринного походження. Завдяки цьому мікробний реннін сприяє видаленню природних ароматів сирів, негативно впливає на процеси консервації і старіння сирів та погіршує його смакові властивості. Тому останнім часом для одержання більш якісного ренніну використовуються методи генетичної інженерії.
Перспективним є застосування іммобілізованого ренніну чи інших альтернативних протеаз, можливість їх реактивації і тривалого використання, а також автоматизація процесу, що забезпечить значний економічний ефект.
Перспективним є також використання іммобілізованих ферментів для стабілізації молока. При обробці трипсином молоко скисає повільніше і довше зберігає свої первинні смакові властивості. Обробка іммобілізованим трипсином збільшила термін зберігання молока на 2-3 тижні. Використання іммобілізованих ферментів ефективніше за традиційні способи обробки молока - стерилізацію або обробку струмом високої частоти.