Биотехнологические процессы получения интенсивных подсластителей и сахарозаменителей, усилителей вкуса.

В настоящее время в мире освоено биотехнологическое производство четырех групп подслащивающих веществ:

- сахаристые крахмалопродукты;

- сиропы гидролизованной лактозы;

- сахарозаменители;

- интенсивные подсластители.

1) В пищевой промышленности получило распространение производство и использование сахаристых продуктов на основе частичного или полного гидролиза крахмала с использованием препаратов амилолитических ферментов, а также с модификацией отельных продуктов гидролиза. К первой группе традиционных продуктов гидролиза относят крахмальные патоки, состав которых варьируется в зависимости от глубины гидролиза крахмала (мальтодекстирны, низко- и высокоосахаренные, мальтозные и глюкозо-мальтозные патоки).

Продукты полного гидролиза крахмала с возможной их модификацией включают моногидратную или ангидридную глюкозу, фруктозу, глюкозные и глюкозо-фруктозные сиропы. Перспеткивным направлением является производство сахаристых крахмалопродуктов непосредственно из зернового сырья без выделения крахмала – зерновых сиропов, углеводных добавок.

Наиболее распространенной по объемам производства в мире группой сахаристых крахмалопродуктов являются глюкозо-фруктозные сиропы. Исходным сырьем для производства сиропов служит глюкоза, получаемая при гидролизе кукурузного или картофельного крахмала. В промышленных биореакторах используют препараты глюкозоизомеразы, иммобилизованной на ионообменных смолах или неорганических носителях. Также отработаны процессы с иммобилизованными клетами Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Streptomyces phaeochromogenes, Streptomyces olivaceus, Streptomyces venezuelae, иммобилизованные путем включения в полимерные структуры (гранулы, шарики, полые волокна).

Для получения глюкозо-фруктозных сиропов используют биореакторы колонного типа производительностью 6000 – 9000 кг глюкозо-фруктозного сиропа на 1 кг иммобилизованного фермента. Время полуинактивации ферментационной системы составляет 20-50 суток. Получаемый сироп содержит 42-45 % фруктозы, 51 % глюкозы, небольшое количество олигосахаридов.

2) Технология получения сиропов гидролизованной лактозы (глюкозо-галактозных сиропов) основана на ферментативном гидролизе дисахарида с использованием препаратов растворимой или иммобилизованной дрожжевой и грибной b-галактозидазы. Иммобилизация лактазы осуществляется методами включения в полимерные структуры (полиакриламидные гели, сефадексы, полые волокна) и/или адсорбции на ионообменных смолах, активированных углях, цеолитах. Для производства сиропов гидролизованной лактозы используется депротеинизированная молочная сыворотка или ультрафильтрат (пермеат) молочной сыворотки или обезжиренного молока. Современные биокаталитические системы позволяют получить концентраты с регулируемым уровнем гидролиза лактозы от 60 до 90 %. В промышленных условиях процесс ферментативного гидролиза лактозы реализуется с использованием следующих типов биокаталитических систем:

- биореакторы с однократным использованием препарата лактазы и ее последующей термической инактивацией;

- блочная аппаратура типа «биореактор – ультрафильтрационный модуль» с многократным использованием ферментного препарата за счет рециркуляции ультраконцентрата;

- проточные биореакторы колонного или тарельчатого типа;

- каскады последовательно соединенных аппаратов с полыми волокнами (возможно совмещение гидролиза с процессом ультрафильтрации молочной сыворотки);

- системы с инжекцией малых количеств стерильного растворимого фермента в асептических условиях в молочное сырье, подвергнутое УВТ-обработке, с последующим медленным протеканием гидролиза лактозы в молочных продуктах в процессе их хранения.

Перспективным направлением применения метода иммобилизации при получении гидролизатов лактозы является использование неразрушенных иммобилизованных клеток микроорганизмов с высокой лактазной активностью. В частности, проведены исследования ферментативного гидролиза лактозы с использованием иммобилизованных клеток Bacillus stearothermophilus, Kluyveromyces lactis, Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis, Escherichia coli.

Принципиальная схема получения сиропа гидролизованной лактозы включает следующие технологические процессы:

- приемка молочной сыворотки (подсырной или творожной), выделение жира и казеиновой пыли;

- депротеинизация сыворотки или ультрафильтрационная обработка;

- концентрирование осветленной сыворотки или пермеата до массовой доли СВ 15-20 %;

- ферментация при температуре 30-35^оС и рН 6,0-6,5 для дрожжевой лактазы или температуре 50-55^оС и рН 4,0-4,5 для грибного препарата, продолжительность периодической ферментации составляет 3 – 5 часов, при непрерывной ферментации поддерживается скорость протока питательной среды на уровне не менее 1,0 ч^-1;

- инактивация или отделение ферментного препарата при использовании растворимой лактазы;

- деминерализация сиропа методами электродиализа или ионного обмена;

- сгущение до массовой доли сухих веществ 40 или 60 %;

- рафинация сиропа с использованием диатомита и активированного угля;

- фасование и хранение.

3) Сахарозаменители-полиолы (сорбит, ксилит, манит, лактит) могут быть получены на основе реакций микробиологической трансформации восстановления соответствующих углеводов. Наибольшее распространение в практике биотехнологических производств получило производство ксилита (Е 967), рассмотренное ранее (см. тему «Микробиологические трансформации углеводов»).

4) Перспективным направлением получения интенсивных подсластителей биотехнологическими методами является направленный синтез сладких аминокислот и дипептидов. В настоящее время в ряде стран (Япония, США и др.) освоено биотехнологическое производство аспратама (Е 951).

Технология получения аспартама включает следующие основные стадии:

- микробиологическая трансформация фумарата аммония в L-аспарагиновую кислоту с использованием иммобилизованных клеток E. Coli с высокой активностью фермента аспартат-аммиак-лиазы;

- получение кристаллической L-аспарагиновой кислоты при подкислении раствора до рН 2,8 и охлаждении до температуры 15^оС;

- получение фенилаланина;

- реакция конденсации L-аспарагиновой кислоты и метилового эфира L-фенилаланина под действием фермента термолизина иммобилизованных клеток Bacillus thermoproteolyticus, включенных в полиуретан.

Наряду с подсластителями, в промышленных масштабах методами биотехнологии могут производиться пищевые добавки, усиливающие вкус и аромат пищевых продуктов: глутаминовая кислота и глутамат натрия (Е 620 и Е 621), глицин (Е 640), L-лейцин (Е 641), лизина гидрохлорид (Е 642).