Ферментативный гидролиз лактозы в ультрафильтратах (пермеатах) молочной сыворотки

14-05-2014, 16:51

Творческим коллективом кафедры прикладной биотехнологии СевКавГТУ (докторант А. Д. Лодыгин, канд. техн. наук А.Г. Варданян, аспиранты Н.С. Донской, Е.Ю. Пашина) исследованы закономерности процесса ферментативного гидролиза лактозы в пермеате молочной сыворотки с использованием методов электромембранной обработки (электродиализ и электрохимическая активация) применительно к технологии продуктов с пониженным содержанием лактозы и пребиотических концентратов с регулируемым углеводным и минеральным составом.
Кинетические закономерности ферментативного гидролиза лактозы под действием препаратов дрожжевой и грибной β-галактозидазы. Изучена кинетика ферментативного гидролиза лактозы в пермеате подсырной сыворотки с использованием препаратов дрожжевой (Maxilact, Ha-Lactase) и грибной (Лактоканесцин) β-галактозидазы. Интервалы температур ферментации для каждого из использованных препаратов были выбраны с учетом априорной информации о свойствах β-галактозидаз (лактаз) дрожжевого и грибного происхождения и рекомендаций фирм-производителей. При проведении гидролиза с использованием препаратов Ha-Lactase и Maxilact исследования проводились при температурах 25, 30, 35, 40 °С, для препарата «Лактоканесцин» — при температурах 45, 50, 55, 60 °С. Степень гидролиза лактозы определяли модифицированным криоскопическим методом. Результаты исследований представлены на рис. 13.5, 13.6, 13.7.
Анализ кинетических закономерностей ферментативного гидролиза лактозы в пермеате подсырной сыворотки показывает, что реакция протекает с наиболее высокой скоростью в течение 1-1,5 ч с момента инокуляции препарата лактазы. Далее наблюдается стабилизация реакции при значениях степени гидролиза, близких к максимальным, для данных температуры и вида ферментного препарата, связанная с эффектом лимитирования недостатком субстрата.

Сравнительный анализ эффективности использования препаратов лактазы дрожжевого и грибного происхождения в технологии концентратов с гидролизованной лактозой показали, что применительно к пермеату подсырной сыворотки предпочтительно использовать грибные препараты. При оптимальной температуре (30 °С — для дрожжевых лактаз, 50 °С — для грибной лактазы) препарат «Лактоканесцин» характеризуется более высокой скоростью реакции, меньшей продолжительностью ферментации и максимальным выходом продуктов реакции (89,5 % от исходной концентрации лактозы в пермеате).
Относительно невысокий выход продуктов гидролиза под действием препаратов Ha-Lactase и Maxilact (70-76% от исходной концентрации лактозы в пермеате) при оптимальных значениях температуры ферментации 30 °С и pH пермеата подсырной сыворотки 6,3-6,6, соответствующего pH-оптимуму ферментов, объясняется ингибированием гидролитического действия ионами Na+ и Cl-.

При длительной ферментации (4-6 ч для препаратов дрожжевой лактазы и 3-4 ч для грибной лактазы) в ряде случаев отмечено снижение степени гидролиза относительно максимальных значений. Данный эффект, предположительно, объясняется проявлением трансгалактозилирующей активности изученных β-галактозидаз при высоких концентрациях продуктов реакции гидролиза лактозы. Полимеризация остатков галактозы приводит к уменьшению моляльной концентрации в фазе истинного раствора и, как следствие, повышению точки замерзания пермеата, содержащего продукты реакций гидролиза и трансгалактозилирования лактозы. Исследования трансгалактозилирующей активности препаратов лактазы Ha-Lactase, Maxilact, «Лактоканесцин» и закономерностей направленного ферментативного синтеза галактоолигосахаридов (ГОС) в лактозосодержащем сырье получили развитие в работе аспиранта А.Б. Родной (научный руководитель — доц. А.Д. Лодыгин). Это отдельная, самостоятельная проблема.
Влияние минерального состава пермеата на степень гидролиза лактозы. Была изучена возможность повышения степени гидролиза лактозы при использовании препаратов дрожжевой β-галактозидазы за счет регулирования минерального состава пермеата подсырной сыворотки. Для установления влияния минеральных веществ сыворотки на процесс гидролиза лактозы в пермеате, была проведена деминерализация методом электродиализа до 90 %-го уровня.
Ферментативный гидролиз лактозы в деминерализованном пермеате подсырной сыворотки проводился в сравнении с контролем (образцы, не подвергнутые деминерализации) при температуре 30 °C с использованием препаратов Maxilact (образец № 1) и Ha-Lactase (образец № 2). Данные, полученные по результатам эксперимента, представлены в табл. 13.5.
Эксперименты, проведенные с пермеатом натуральной и деминерализованной сыворотки, показали, что удаление в процессе электродиализной обработки одновалентных катионов и анионов способствует повышению активности ферментных препаратов и выхода целевых продуктов реакции гидролиза лактозы.

Влияние pH и электрохимической активации пермеата на активность ферментного препарата. При проведении ферментативного гидролиза лактозы в различных видах молочного сырья в ряде случаев возникает проблема несовместимости pH-оптимума используемого препарата β-галактозидазы и значений pH реакционной среды. Недостатками использования минеральных кислот и щелочей для создания оптимальных для протекания ферментативного гидролиза значений pH среды являются опасность необратимых изменений компонентов молочного сырья, в первую очередь, белков; необходимость дополнительной деминерализации получаемого продукта, а также ингибирование фермента. В связи с этим были реализованы экспериментальные исследования по изучению закономерностей ферментативного гидролиза лактозы в пермеате подсырной сыворотки, обработанном методом электрохимической активации.
При электроактивации pH пермеата регулировали в пределах от 4,0 до 5,5. Ферментный препарат «Лактоканесцин» вводился в пермеат после установления фиксированных значений pH среды и оптимальной температуры процесса 50 °С. Результаты исследований представлены в табл. 13.6.

Анализ экспериментальных данных показывает, что при электроактивации пермеата с последующим внесением ферментного препарата повышается выход продуктов гидролиза лактозы, сокращается продолжительность ферментации. Способ ферментативного гидролиза лактозы в пермеате молочной сыворотки, подвергнутом электрохимической активации является ноу-хау и защищен патентом.
Оптимизация процесса ферментативного гидролиза лактозы в пермеате подсырной сыворотки, подвергнутой электрохимической активации. Для установления оптимальных технологических параметров процесса был спланирован двухфакторный эксперимент, параметры которого представлены в табл. 13.7.

В качестве функции отклика была выбрана степень гидролиза лактозы, Y. Результаты двухфакторного эксперимента и математической обработки опытных данных приведены в табл. 13.8.

Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить уравнение регрессии для выходного параметра Y, адекватно описывающее процесс гидролиза лактозы в пермеате творожной сыворотки, подвергнутом электроактивационной обработке:

Поверхность отклика выходного параметра Y и ее сечение представлены на рис. 13.8.

Анализ математической модели и ее графической интерпретации позволили установить оптимальные параметры процесса ферментативного гидролиза лактозы в пермеате подсырной сыворотки, электрохимической активации, при которых достигается степень гидролиза лактозы не менее 80 % от исходной концентрации лактозы:
— температура (51±4) °С;
— pH среды (4,5±0,25).
Результаты экспериментальных исследований были использованы при разработке стандарта организации на производство концентратов на основе молочной сыворотки с гидролизованной лактозой. Работа в данном направлении продолжается. В принципе видится проект с брендом «МиЛа» (минимум лактозы), аналогичный прекрасной зарубежной разработке «HyLa» — гидролиз лактозы.