БИОКАТАЛИЗАТОР, СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРТНОГО СИРОПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТОГО БИОКАТАЛИЗАТОРА Российский патент 2009 года по МПК C12N11/14 C12P19/02 

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к технологии инвертирования сахарных сиропов, используемых в безалкогольной, ликероводочной, консервной, кондитерской и хлебопекарной промышленностях для производства изделий, мороженого и напитков, а также в пчеловодстве. Изобретение относится к биокатализаторам для инверсии сахарозы, способам их приготовления и способу инверсии сахарозы с целью получения инвертных сиропов, обладающих, как отмечалось выше, высокими потребительскими качествами.

Известен способ получения инвертного сиропа путем введения в сахарный сироп фермента β-фруктофуранозидазы (инвертазы) [RU 2231557, C12N 11/10, 27.06.2004]. Для гидролиза сахарозы используют ферментный препарат, полученный из дрожжей Kluyveromyces marxianus Y-303, в количестве 9-10 единиц активности (ЕА) на грамм сахарозы, процесс гидролиза проводят при рН 3.9-4.1 и температуре 65-70°С в течение 3-4 ч. Недостатком данного способа является безвозвратные потери фермента и наличие белковых примесей в инвертном сиропе.

Известен способ получения инвертного сахара с помощью биокатализатора, включающий фермент инвертазу и твердый носитель [RU 2224020, C12N 11/14, 20.02.2004]. В качестве твердого носителя используют неорганический алюмосиликатный носитель, на поверхности которого синтезированы углеродные нановолокна. Процесс проводят в непрерывном режиме при 50°С. Недостатком этого способа является использование для приготовления биокатализатора индивидуального фермента - инвертазы, специально выделенного из различных микроорганизмов, в том числе пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae, путем многостадийной и относительно сложной очистки.

Известен способ получения иммобилизованной инвертазы для гидролиза сахарозы [RU №2158761, C12N 11/10, 10.11.2000]. Препарат инвертазы получают в виде изолированных стенок клеток дрожжей, подвергнутых автолизу. Дрожжевые стенки иммобилизуют на поверхности или в массе твердого или гелеобразного носителя. Недостатком способа являются относительно низкие значения, во-первых, активности биокатализатора, составляющей 12-98 ЕА/г биокатализатора, во-вторых, его стабильности в условиях непрерывного процесса инверсии сахарного сиропа. Время полуинактивации биокатализатора при 50°С составляет 6-45 суток.

Наиболее близким является способ инверсии сахарозы с помощью биокатализатора, включающий дрожжевые мембраны (стенки) и твердый носитель [RU 2279475, C12N 11/14, 10.07.2006]. В качестве твердого носителя используют гранулированный углеродсодержащий носитель, приготовленный из возобновляемого сырья - илистых отложений пресных озер (сапропелей). Приготовление биокатализатора включает стадии получения носителя и проведения иммобилизации дрожжевых мембран путем адсорбции продолжительностью не менее 20 ч. Активность биокатализатора составляет 102-135 ЕА/г. Время полуинактивации в условиях гидролиза сахарозы при 50°С составляет более 30 ч.

Недостатком данного способа является высокая продолжительность процесса приготовления биокатализатора, а также сравнительно низкая инвертазная активность.

Изобретение решает задачу ускорения способа приготовления биокатализатора для получения инвертного сиропа, а также в увеличении инвертазной активности и стабильности данного биокатализатора.

Задача решается тем, что предложен биокатализатор для получения инвертного сиропа, содержащий дрожжевую биомассу и носитель, в качестве носителя он содержит диоксид кремния и имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: дрожжевая биомасса - 40-80, диоксид кремния - 60-20.

Предложен также способ приготовления биокатализатора для получения инвертного сиропа из дрожжевой биомассы и носителя, характеризующийся тем, что его готовят путем смешения дрожжевой биомассы с гидрогелем диоксида кремния в соотношении (в мас.% по сухим веществам): дрожжевая биомасса - 40-80, диоксид кремния - 60-20. Затем полученную смесь высушивают при температуре не выше 50°С, прессуют, измельчают и фракционируют для получения гранул биокатализатора размером 10,5-2 мм.

Для приготовления биокатализатора используют дрожжевую биомассу, т.е. биомассу дрожжевых клеток, а не индивидуальный фермент-инвертазу или дрожжевые мембраны (стенки). В качестве дрожжевой биомассы используют коммерческие пекарские дрожжи как в сухом, так и прессованном виде, а также биомассу шампанские дрожжей.

Используют гидрогель диоксида кремния со следующим набором свойств: величина удельной поверхности продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 105-120°С, равна 30-550 м²/г, насыпная плотностью продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 105-120°С, равна 0.1-0.7 г/см³.

Для приготовления биокатализатора используют гидрогель диоксида кремния, полученный путем осаждения силиката натрия или силиката калия (в виде жидкого стекла) аммонийными солями серной или азотной, или угольной кислоты. Гидрогель диоксида кремния абсолютно инертен, отличается высокой химической и микробиологической устойчивостью.

Биокатализатор для получения инвертного сиропа инверсией сахарозы готовят путем смешения дрожжевой биомассы и гидрогеля диоксида кремния до однородной массы. Затем полученную массу высушивают при температуре не выше 50°С, и гидрогель переходит в твердый ксерогель диоксида кремния. Частицы ксерогеля с включенной в них биомассой прессуют под давлением 150 атм, механически измельчают и рассевают на фракции. Процесс иммобилизации дрожжевых клеток значительно ускоряется и не превышает 8 ч (в прототипе более 20 ч). В результате получают твердый гранулированный биокатализатор, обладающий высокой инвертазной активностью 300-700 ЕА/г (в прототипе 135 ЕА/г).

Задача решается также тем, что инверсию сахарозы осуществляют в проточно-циркуляционной установке в реакторе, заполненном слоем описанного выше биокатализатора, полученного описанным выше способом, при температуре не выше 55°С.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Приготовление биокатализатора (выбор оптимального состава)

Для приготовления биокатализатора используют коммерческие пекарские дрожжи в сухом виде и гидрогель диоксида кремния со следующим набором свойств: удельная поверхность и насыпная плотность продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 100-105°С, равна 350 м²/г и 0.1 г/см³ соответственно.

Приготовление биокатализатора с инвертазной активностью осуществляют следующим образом: 0.16 г сухих дрожжей, 10 г гидрогеля диоксида кремния с содержанием сухих веществ (SiO₂) 10 мас.% тщательно перемешивают до однородной массы. Затем полученный материал, содержащий дрожжевую биомассу и гидрогель диоксида кремния, высушивают при температуре не выше 50°С. Высушенный материал, содержащий биомассу и ксерогель диоксида кремния, прессуют под давлением 150 атм. Таблетки, полученные после прессования, механически размельчают и рассеивают по фракциям определенного гранулометрического состава. Катализатор имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: биомасса - 5, диоксид кремния - 95.

Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0.5-2 мм равна 40 ЕА/г. Биокатализатор обладает высокой механической прочностью в водных средах.

Пример 2. Приготовление биокатализатора (выбор оптимального состава) Аналогичен примеру 1, только для приготовления катализатора используют 1 г сухих дрожжей. Катализатор имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: биомасса - 40, диоксид кремния - 60. Активность приготовленного биокатализатора равна 120 ЕА/г. Биокатализатор обладает высокой механической прочностью в водных средах.

Пример 3. Приготовление биокатализатора (выбор оптимального состава) Аналогичен примеру 1, только для приготовления катализатора используют 1,5 г сухих дрожжей. Катализатор имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: биомасса - 60, диоксид кремния - 40. Активность приготовленного биокатализатора равна 145 ЕА/г. Биокатализатор обладает высокой механической прочностью в водных средах. Биокатализатор непрерывно работает без потери активности при 50°С в течение 50 ч (в прототипе время полуинактивации 30 ч).

Пример 4. Приготовление биокатализатора (выбор оптимального состава). Аналогичен примеру 1, только для приготовления катализатора используют 4 г сухих дрожжей. Катализатор имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: биомасса - 80, диоксид кремния - 20. Активность биокатализатора равна 170 ЕА/г. Механическая прочность гранул биокатализатора ниже, чем по примерам 1-3, и, как следствие, наблюдается их частичное разрушение в условиях гидролиза сахарозы

Пример 5. Приготовление биокатализатора (выбор оптимального состава)

Аналогичен примеру 1, только для приготовления катализатора используют 9 г сухих дрожжей. Катализатор имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: биомасса - 90, диоксид кремния - 10. Активность свежеприготовленного биокатализатора равна 180 ЕА/г. Биокатализатор обладает низкой механической прочностью в водной среде и в процессе работы превращается в аморфную массу, что делает невозможным его использование в проточном реакторе.

Из примеров 1-5 следует, что оптимальный состав биокатализатора, обеспечивающий высокую инвертазную активность и механическую прочность в водной среде, следующий, мас.% по сухим веществам: дрожжевая биомасса - 40-80, диоксид кремния - 60-20.

Пример 6. Приготовление биокатализатора

Биокатализатор по примеру 3, только для его приготовления используют коммерческие прессованные пекарские дрожжи с содержанием сухих веществ 30-35%. Состав биокатализатора следующий, мас.% по сухим веществам: биомасса - 63, диоксид кремния - 37. Активность приготовленного биокатализатора составляет 500 ЕА/г.

Пример 7. Приготовление биокатализатора

Аналогичен примеру 1, только для приготовления биокатализатора используют биомассу шампанские дрожжей. Состав биокатализатора следующий, мас.% по сухим веществам: биомасса - 58, диоксид кремния - 42. Активность приготовленного биокатализатора составляет 155 ЕА/г.

Пример 8. Приготовление биокатализатора

Аналогичен примеру 1, только для приготовления биокатализатора используют гидрогель диоксида кремния со следующим набором свойств: удельная поверхность и насыпная плотность продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 100-105°С, равна 140 м²/г и 0.4 г/см³ соответственно. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: дрожжевая биомасса - 60, диоксид кремния - 40. Активность приготовленного биокатализатора равна 140 ЕА/г.

Пример 9. Приготовление биокатализатора

Аналогичен примеру 1, только для приготовления биокатализатора используют гидрогель диоксида кремния со следующим набором свойств: удельная поверхность и насыпная плотность продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 100-105°С, равна 30 м²/г и 0.7 г/см³ соответственно. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: дрожжевая биомасса - 60, диоксид кремния - 40.

Активность биокатализатора равна 140 ЕА/г. Механическая прочность гранул биокатализатора с одинаковым составом снижается по сравнению с гранулами, описанными в примерах 3 и 8, и, как следствие, наблюдается их частичное разрушение в условиях гидролиза сахарозы для получения инвертного сиропа.

Пример 10. Получение инвертного сиропа

Биокатализатор по примеру 6 с начальной активностью 500 ЕА/г помещают в проточный колоночный реактор и через слой биокатализатора прокачивают сахарный сироп с объемной скоростью циркуляции 1,8 л/ч при 50°С. Состав реакционной смеси следующий: 0,05 М ацетатный буфер, рН 4,6; 20%-ный сахарный сироп. Соотношение объема катализатора и реакционной среды составляет 1:50. Конверсия субстрата за 0.5 ч непрерывного гидролиза сахарозы составляет 40%.

Пример 11. Получение инвертного сиропа

Аналогичен примеру 7, только используют сахарный сироп с концентрацией 50%. Полная конверсия в инвертный сироп происходит в течение 7 ч.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемое изобретение позволяет значительно ускорить процесс иммобилизации дрожжевых клеток и приготовления биокатализатора для получения инвертного сиропа, а также существенно (в 5-10 раз) увеличить инвертазную активность и стабильность полученных биокатализаторов.

Предлагаемые биокатализаторы и технология, разработанная на их основе, являются несомненно конкурентоспособными по сравнению кислотным гидролизом сахарозы, существующим в настоящее время на предприятиях пищевой промышленности.

Биокатализатор для получения инвертного сиропа содержит в качестве носителя диоксид кремния и дрожжевую биомассу в качестве источника инвертазы из дрожжей и имеет следующий состав, в мас.% по сухим веществам: дрожжевая биомасса - 40-80, диоксид кремния - 60-20. Способ его приготовления предусматривает смешивание дрожжевой биомассы с носителем - гидрогелем диоксида кремния, с последующим высушиванием при температуре не выше 50°С, прессованием и фракционированием. Способ получения инвертного сиропа осуществляют в проточном реакторе со слоем биокатализатора состава, в мас.% по сухим веществам: дрожжевая биомасса - 40-80, диоксид кремния - 60-20, при температуре не выше 50°С. Это обеспечивает высокую инвертазную активность и стабильность биокатализаторов. 3 н. и 2 з.п. ф-лы.

1. Биокатализатор для получения инвертного сиропа, содержащий источник инвертазы из дрожжей и носитель, отличающийся тем, что в качестве носителя он содержит диоксид кремния, а в качестве источника инвертазы из дрожжей дрожжевую биомассу и имеет следующий состав, мас.% по сухим веществам:
Дрожжевая биомасса 40-80 Диоксид кремния 60-20

2. Способ приготовления биокатализатора для получения инвертного сиропа по п.1, предусматривающий смешивание носителя с источником инвертазы из дрожжей, отличающийся тем, что осуществляют смешивание гидрогеля диоксида кремния с дрожжевой биомассой в соотношении, мас.% по сухим веществам: дрожжевая биомасса 40-80, диоксид кремния 60-20, с последующим высушиванием при температуре не выше 50°С, прессованием и фракционированием до размера гранул 0,5-2 мм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют гидрогель диоксида кремния со следующим набором свойств: величина удельной поверхности продукта, полученного после высушивания гидрогеля при 105-120°С, равна 30-550 м²/г, насыпная плотность продукта, полученного после высушивания гидрогеля при 105-120°С, равна 0,1-0,7 г/см³.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что гидрогель диоксида кремния получают взаимодействием силиката натрия или калия с аммонийными солями серной, или азотной, или угольной кислоты.

5. Способ получения инвертного сиропа, предусматривающий инверсию сахарозы в присутствии биокатализатора, включающего источник инвертазы и носитель, в проточном реакторе со слоем биокатализатора при температуре не выше 50°С, отличающийся тем, что используют биокатализатор по п.1.