Биокатализатор для осахаривания декстрина, способ его приготовления и способ осахаривания декстрина

Изобретение относится к биокатализаторам для осахаривания декстрина и может быть использовано в пищевой промышленности. Биокатализатор для осахаривания декстрина содержит фермент глюкоамилазу и твердый носитель, носителем является твердый гранулированный углеродный носитель, приготовленный на основе технического углерода - сажи - и имеющий мезопористую структуру со средним диаметром пор 300-400 Å и объемом пор 0,7-0,9 см³/г. Биокатализатор готовят путем иммобилизации глюкоамилазы на поверхности описанного выше носителя. Способ осахаривания декстрина осуществляют в биореакторе с неподвижным слоем заявляемого биокатализатора при температуре не выше 55°С. Изобретение позволяет получить высокоактивный и стабильный биокатализатор для процесса осахаривания декстрина. 3 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к биокатализаторам, способам их приготовления и способам осахаривания ферментативно-разжиженного крахмала (декстрина) с целью получения сахаристых веществ - крахмальных паток различного состава - и может быть использовано в крахмало-паточной промышленности. Известно, что применение таких сахаристых веществ в производстве кондитерских изделий, мороженного, напитков и продуктов диетического питания существенно улучшает качество производимых изделий, замедляя процессы высыхания и затвердевания.

Известен способ осахаривания ферментативно-разжиженного крахмала (декстрина) с помощью фермента - глюкоамилазы, когда раствор декстрина и раствор фермента смешивают в емкости, выдерживают при повышенной температуре в течение нескольких часов и получают конечный продукт - крахмальную патоку [Крахмал и крахмалопродукты. Под ред. Гулюка Н.Г. М.: Агропромиздат. 1985. 239 с.]. Недостатком данного способа являются необратимые потери относительно дорогостоящего фермента глюкоамилазы и необходимость дополнительной очистки конечного продукта.

Наиболее близким является способ осахаривания крахмала с помощью биокатализатора, приготовленного путем иммобилизации глюкоамилазы на твердом носителе [Пат. RU 2167197, C 12 N 11/14, 20.05.2001]. В качестве твердого носителя используют зауглероженный алюмосиликат, выполненный в форме гранул, сотовых монолитов и пеноматериала, имеющий удельную поверхность не менее 2 м²/г. Процесс проводят в непрерывном режиме с использованием неподвижного слоя биокатализатора при температуре не ниже 50°С.

Недостатком данного способа является то, что биокатализатор обладает относительно низкой биокаталитической активностью. При использовании биокатализатора, выполненного в форме сотовых монолитов или пеноматериала, в реакторе с неподвижным слоем биокатализатора создаются условия для возникновения застойных, так называемых "мертвых зон", при этом эффективность использования биокатализатора падает.

Технический результат изобретения заключается в увеличении биокаталитической глюкоамилазной активности и стабильности биокатализатора для осахаривания декстрина.

Этот технический результат достигается тем, что биокатализатор для осахаривания декстрина получают с помощью твердого гранулированного углеродного носителя, приготовленного на основе технического углерода - сажи и имеющего мезопористую структуру со средним диаметром пор 100-400 Å и объемом пор 0,6-0,9 см³/г, и фермента глюкоамилазы. Твердый носитель выполнен в виде гранул правильной округлой формы размером от 0,5 мм до 3 мм, организующих упакованный неподвижный слой биокатализатора в реакторе без застойных "мертвых зон", что приводит к увеличению эффективности использования биокатализатора.

Технический результат достигается тем, что на твердом гранулированном углеродном носителе, приготовленном на основе технического углерода - сажи и имеющего мезопористую структуру со средним диаметром пор 100-400 Å и объемом пор 0,7-0,9 см³/г, фермент глюкоамилаза иммобилизованн путем адсорбции (без использования токсичных химических реагентов), что позволяет сохранить его биокаталитическую активность на высоком уровне. Мезопористая структура твердого гранулированного углеродного носителя, в которой преобладают поры 100-400 Å, позволяет максимально стабилизировать фермент глюкоамилазу, размер молекулы которой составляет ˜200 Å в водном окружении, за счет многоточечного связывания в подходящих по размеру порах.

Технический результат достигается тем, что осахаривание декстрина осуществляют в реакторе с неподвижным слоем с помощью биокатализатора, полученного на основе твердого гранулированного углеродного носителя из технического углерода - сажи - и имеющего мезопористую структуру со средним диаметром пор 100-400 Å и объемом пор 0,7-0,9 см³/г и иммобилизованной глюкоамилазы, при температуре не ниже 50°С.

Твердый гранулированный углеродный носитель (торговая марка Сибунит) приготовлен по Пат. RU 1706690, С 01 В 31/10, 23.01.92. путем высокотемпературной карбонизации и газификации технического углерода - сажи - с последующей активацией носителя водяным паром. Сибунит имеет мезопористую структуру со средним диаметром пор 100-1000 Å и объемом пор не менее 0,6 см³/г. Удельная поверхность твердого носителя составляет не менее 100 м²/г. Еще раз следует отметить, что размер пор соответствует размеру молекулы иммобилизуемого фермента-глюкоамилазы (˜200 Å), что приводит к увеличению стабильности ферментаза счет "клеточного эффекта", приводящего к ужесточению структуры молекулы. Показано также, что твердый углеродный носитель Сибунит обладает хорошими адсорбционными свойствами в отношении к биологически активным веществам [Коваленко Г.А., Семиколенов В.А., Кузнецова Е.В. и др. Коллоидн. Ж., 1999, т.61, №6, с.787-795], тогда как биокаталитические свойства (активность, стабильность) иммобилизованной глюкоамилазы практически не изучены.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Осахаривание кукурузного декстрина с помощью биокатализатора, приготовленного путем иммобилизации глюкоамилазы на твердом гранулированном углеродном носителе.

Твердым гранулированным носителем для приготовления биокатализатора для осахаривания декстрина является носитель Сибунит, полученный путем карбонизации и газификации технического углерода - сажи - в атмосфере аргона при 800°С (без последующей активации водяным паром). Этот носитель имеет мезопористую структуру со средним диаметром пор 400 Å и объемом пор V_∑=0,7 см³/г. Величина удельной поверхности составляет 110 м²/г. Размер гранул составляет 0,5-1 мм.

Иммобилизацию глюкоамилазы проводят путем адсорбции на твердом носителе при температуре 20°С в течение 18 ч в среде 0,05 М ацетатного буфера, рН 4,6. Полученный биокатализатор промывают буферным раствором и используют для осахаривания кукурузного декстрина.

Биокатализатор имеет следующие характеристики:

1) величина адсорбции глюкоамилазы составляет 13 мг белка/г адсорбента;

2) активность составляет 690 ЕА на 1 г биокатализатора; что в ˜20 раз превышает активность известного катализатора;

3) стабильность: время полуинактивации t_1/2 составляет 6 месяцев при периодической работе биокатализатора при 50°С.

Осахаривание 7%-ного раствора кукурузного декстрина проводят в реакторе с неподвижным слоем биокатализатора при скорости циркуляции раствора декстрина через слой биокатализатора 70 мл/мин и температуре 50°С. В данных условиях полный гидролиз декстрина в глюкозный сироп происходит за 5 ч.

Пример 2. Осахаривание кукурузного декстрина с помощью биокатализатора, приготовленного путем иммобилизации глюкоамилазы на твердом гранулированном углеродном носителе.

Для приготовления биокатализатора для осахаривания декстрина используют твердый гранулированный углеродный носитель Сибунит с мезопористой структурой со средним диаметром пор 300 Å и объемом пор V_∑=0,9 см³/г. Величина удельной поверхности составляет 530 м²/г. Размер гранул составляет 2-3 мм.

Способ приготовления гетерогенного биокатализатора аналогичен примеру 1.

Полученный биокатализатор имеет следующие характеристики:

1) величина адсорбции глюкоамилазы составляет 8 мг белка/г адсорбента;

2) активность составляет 70 ЕА на 1 г биокатализатора;

3) стабильность: время полуинактивации t_1/2 составляет 6 месяцев при периодической работе биокатализатора при 50°С.

Более низкая биокаталитическая активность биокатализатора, полученного иммобилизацией глюкоамилазы на более крупных гранулах твердого углеродного носителя, по сравнению с примером 1, объясняется тем, что осахаривание декстрина тормозится диффузией декстрина внутрь гранулы биокатализатора. Чем крупнее гранула биокатализатора, тем труднее проникнуть декстрину в ее внутренний объем, где находится иммобилизованная глюкоамилаза.

Осахаривание кукурузного декстрина проводят в реакторе с неподвижным слоем биокатализатора при скорости циркуляции раствора декстрина через слой биокатализатора 35 мл/мин при температуре 50°С. В данных условиях степень превращения 1%- и 3%-ного раствора декстрина составляет 72% и 51% за 1 ч, соответственно. Сравнительный анализ показывает, что биокатализаторы, приготовленные с использованием твердого гранулированного углеродного носителя Сибунит, в несколько десятков раз активнее биокатализаторов, описанных в прототипе (см. таблицу).

Таблица
Биокатализатор	Активность, ЕА на 1 г биокатализатора
Пат. РФ 2167197 (пример 5)	4
Пат. РФ 2167197 (пример 3)	12
Пример 1 (размер гранул носителя 0,5-1 мм)	690
Пример 2 (размер гранул носителя 2-3 мм)	70

Как видно из приведенных примеров и таблицы, предложенное изобретение позволяет существенно увеличить активность и стабильность биокатализаторов для процесса осахаривания ферментативно-ожижженного крахмала (декстрина), что открывает возможности их перспективного использования в крахмало-паточной промышленности.

1. Биокатализатор для осахаривания декстрина, включающий иммобилизованный фермент глюкоамилазу и твердый носитель, отличающийся тем, что носителем является твердый гранулированный углеродный носитель, приготовленный на основе технического углерода - сажи и имеющий мезопористую структуру со средним диаметром пор 300-400 Å и объемом пор 0,7-0,9 см³/г.

2. Способ приготовления биокатализатора для осахаривания декстрина путем иммобилизации фермента глюкоамидазы на твердом носителе, отличающийся тем, что глюкоамилаза иммобилизована путем адсорбции на поверхности гранулированного углеродного носителя, приготовленного на основе технического углерода - сажи и имеющего мезопористую структуру со средним диаметром пор 300-400 Å и объемом пор 0,7-0,9 см³/г.

3. Способ осахаривания декстрина в непрерывном режиме в реакторе с неподвижным слоем биокатализатора, включающего фермент глюкоамилазу и твердый носитель, отличающийся тем, что используют биокатализатор по п.1.