23

1. 1
Лекція 2
ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРМЕНТНИХ ПРЕПАРАТІВ, ЩО
ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ДЛЯ РОЗРІДЖУВАННЯ КРОХМАЛЮ.
СПОСОБИ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ПРОЦЕСУ
План
1. Джерела і властивості амілолітичних ферментних препаратів
2. Проблеми, що виникають при застосуванні ферментів для
розріджування крохмалю
3. Аналіз існуючих способів інтенсифікації процесу
ферментативного розріджування крохмалю
1. Джерела і властивості амілолітичних ферментних препаратів
Ферменти, які використовуються для гідролізу крохмалю, називаються
амілолітичними (від латинського слова“amilym”, що означає крохмаль). До цієї
групи відносяться не тільки ферменти, що розкладають крохмаль, але і
ферменти, що завершують цей процес, доводячи його до утворення
елементарних компонентів. До амілолітичних ферментів, що використовуються
у крохмале-патоковому виробництві, відносяться -амілаза, -амілаза,
глюкоамілаза, пуллуланаза. Кожен з цих ферментів характеризується
специфічною дією на крохмаль.
Генна інженерія дозволяє отримувати багато різновидів даних ферментів
за низькою ціною з підвищеною стабільністю та специфічністю. Кожен
фермент здійснює гідроліз тільки певного глюкозидного зв’язку у крохмалі та
забезпечує одержання гідролізату певного вуглеводного складу.
У технології виробництвацукристих крохмалепродуктів одним з основних
є процес розріджування крохмалю  переведення полісахаридів крохмалю у
розчинний стан. При цьому в якості каталізатора використовується -амілаза.
-Амілази різного походження є слабокислими водорозчинними білками.
Характерною особливістю всіх -амілаз є наявність в них кальцію. Відомо, що
кальцій стабілізує структуру ферменту і входить до складу активного центру.

2. 2
Він сприяє збереженню правильної конформації молекули ферменту, що
забезпечує прояв активності. Кальцій забезпечує також максимальну стійкість
-амілаз до денатурації і руйнування протеолітичними ферментами. Видалення
кальцію з молекули ферменту призводить до його повної інактивації.
Встановлено, що окрім кальцію до складу деяких -амілаз входить також
цинк.
Відомо, що -амілаза каталізує розрив -1,4-глюкозидних зв’язків у
крохмалі та його аналогах з утворенням низькомолекулярних розгалужених
олігосахаридів і невеликої кількості глюкози і мальтози.
Ензимологи розрізняють дві фази дії -амілази на крохмаль, першою є
фаза декстринізації. При цьому крохмаль розщеплюється на декстрини з
високоюмолекулярною масою, які з йодом дають спочатку синє або фіолетове
забарвлення. Далі молекулярна маса декстринів знижується, збільшується їх
редукувальна здатність при цьому колір реакції з йодом змінюється від темно-
бурого до червоного і далі  до менш інтенсивного, подібного до кольору
йодного розчину.
В другій фазі, що називається зцукрювання і протікає з меншою
швидкістю, раніше утворені декстрини частково розкладаються до таких
цукрів, як тетра- і тримальтоза, які дуже повільно гідролізуються до ди- і
моноцукрів. Забарвлення з йодом при цьому не змінюється, а відновлююча
здатність гідролізату зростає.
Сумарну схему ферментативного гідролізу крохмалю під дією -амілази
можна виразити [4, 82] наступним чином:
-амілаза
Крохмаль декстрини + мальтоза + глюкоза
(багато) (мало) (мало)
-Амілази з різних джерел виявляють різну декстринізуючу і зцукрюючу
здатність. Так, -амілази грибного походження мають більш сильну зцукрюючу
дію, а бактеріального виявляють більш високу декстринізуючу здатність і, як
наслідок, різко знижують в’язкість клейстеризованого крохмалю при дії

3. 3
бактеріальної -амілази. Кінцевий ступінь зцукрювання крохмалю
бактеріальною -амілазою складає 70...75%, для грибних амілаз 84...87%.
Амілолітичні ферменти пліснявих грибів відрізняються від ферментів
солоду і бактерій за властивостями та характером дії на крохмаль. Як
встановила Р.В. Феніксова, порівнюючи гідроліз крохмалю і розчин кінцевого
-амілодекстрину при дії різних амілаз з роду аспергилів – Asp. orizae, Asp.
niger, -амілаза пліснявих грибів розщеплює -1,4-глюкозиднізв’язки, протена
відміну від -амілази солоду і бактерій, тут забезпечується майже повне
зцукрювання крохмалю. На думку Р.В. Феніксової, це пояснюється тим, що
амілаза пліснявих грибів не виявляє відмінностей у спорідненості до довгих і
коротких ланцюгів молекул, як це характерно для солодової і бактеріальної.
-амілаза пліснявих грибів виявляє надзвичайно високу стійкість до
підкислення і понижену термостабільність. Амілаза пліснявого гриба Asp.
orizae при температурі 70 ºС повністю інактивується, а при 58 ºС – наполовину.
Оптимальна температура її дії 50...55 ºС (за даними Р.В. Феніксової і В.І.
Родзевич).
М.С. Левін вважає оптимальну температуру для зцукрюючої дії пліснявої
амілази 60 ºС, а для розріджуючої 65 ºС, але це пояснюється тим, що він
працював з клейстерами високої концентрації (40...50 %). Для пліснявої амілази
В.І. Родзевич вказуєоптимальну величину рН 6,0...7,0, при чому з підвищенням
температури оптимум зміщується в сторону більш високого значення рН.
Для розріджування крохмальних клейстерів краще з пліснявих амілаз
підходить фермент гриба Asp. orizae, що має високу амілолітичну і
декстринолітичну здатність. Більшу зцукрюючу здатність має комплекс
ферментів пліснявого гриба Asp. niger і найбільш високу – Rhizopus.
Бактеріальні -амілази є термостабільними ферментами, що виявляють
максимальну активність за рН 6,0...7,0 і температур 65...90 С. Проте і
бактеріальні -амілази одержанні з використанням різних штамів бактерій
мають дещо різні властивост. Так, звичайна -амілаза, одержана з
використанням штаму Bac.subtilis, має недостатню термостійкість. Тому,

4. 4
крохмальну суспензію 30...35 %, рН 6,0...6,2 обробляють за температури 85...90
С в дві стадії з проміжним високотемпературним обробленням та додатковим
дозуванням ферменту.
В останні часи за кордоном було багато зроблено для підвищення
термостійкості препаратів -амілази. Так, як вказує Д. Рід, широке
застосування знайшов новий ферментний препарат -амілази, створенийна базі
Bac. Licheniformis. Препарат в порівнянні з Bac.subtilis є більш стабільним.
Оскільки фермент зберігає свою активність за температур вищих 100С, коли
майже всі зерна крохмалю клейстеризуються та амілозо-ліпідний комплекс
руйнується і крохмаль переходить в розчинний стан, ефективний гідроліз
досягається без додаткового високотемпературного оброблення і без
повторного додавання ферментного препарату.
При розріджуванні крохмалю із застосуванням термостабільної -амілази
для стабілізації ферменту додається менша кількість солі хлористого кальцію,
ніж при розріджуванні звичайною -амілазою. Цей фактор має суттєве
значення, оскільки доведено ензимологами, що іони кальцію у гідролізаті, який
використовується для виробництваглюкозо-фруктозногосиропу, є інгібіторами
препаратів глюкозоізомерази. Ці гідролізати піддають іонообмінному
очищенню в основному для видалення іонів кальцію, як пояснює Т.А. Ладур у
своїх працях.
Ферментний препарат із штаму Bac. Stearothermophilus, відрізняється
особливо високою термостабільністю. Так, тривалість напіврозпаду цього
ферменту в 3...4 рази більша, ніж у ферменту з Bac. Licheniformis, вона складає
2...3,5 год (за t = 102...105 С і рН = 6,0...6,5). Завдяки такій високій
термостабільності дозування цього ферменту можна зменшити на 40 % за
рахунок збільшення тривалості реакції з 5 до 10 хв.
Існують такі термостабільні -амілази, які виявляють високу активність за
низьких значень рН 4...4,5, що зручно для подальшого зцукрювання. В цьому
випадку не треба буде знижувати рН гідролізату перед ферментативним
зцукрюванням глюкоамілазою. Прикладом такого ферменту є

5. 5
“супертермостійка” -амілаза, одержана на базі гіпертермофільної культури
Pyrococcus archaebocteria. Цей фермент найбільш активний за температури
більше 100 С і зберігає 70...80 % активності за температур до 110 С протягом
однієї години. Високотемпературний гідроліз можливий і при рН 4,2...4,8.
Таким чином, для ферментативного розріджування крохмалю найкраще із
всього різноманіття ферментних препаратів підходять бактеріальні -амілази з
таких штамів як: Bac. Licheniformis, Bac. Stearothermophilus, Pyrococcus
archaebocteria, які мають гарні декстринолітичні властивості та високотермічну
стійкість, що дозволяє проводити гідроліз з досягненням найбільш повної
клейстеризації і розріджування зерен крохмалю.
2. Проблеми, що виникають при застосуванні ферментів для
розріджування крохмалю
Процес розріджування крохмалю має великий вплив на якість кінцевого
гідролізату. Основним недоліком ферментативного розріджування крохмалю є
ускладнене фільтрування крохмальних гідролізатів, яке викликане двома
головними причинами. Це, по-перше, неповна клейстеризація зерен крохмалю,
а по-друге, явище ретроградації.
Хоча температура клейстеризації для різних крохмалів лежить у межах
55...65 ºС, але встановлено, що дрібні зерна крохмалю клейстеризуються за
температур вище 120...140 ºС. Особливо це стосується зернових крохмалів.
Навіть при 7-кратному збільшенні дозування ферменту на розріджування в
гідролізатах виявляються неклейстеризовані зерна, що є неприпустимим.
Важливу роль у цьому відіграють амілозо-ліпідні комплекси, які входять до
складу зернових крохмалів. Вивільнення амілози з цих комплексів можливе
лише при руйнуванні цієї структури, тобто за високих температур процесу
розріджування.
Досліджено, що явище ретроградації крохмалю є результатом утворення
водневих зв’язків між лінійними молекулами полісахаридів крохмалю у
розчині. Витягнута лінійна структура молекули амілози сприяє утворенню

6. 6
великої кількості водневих зв’язків у порівнянні із розгалуженою компактною
молекулою амілопектину. Томуретроградують, з’єднуючись у агрегати, майже
винятково молекули амілози. Ретроградована амілоза нерозчинна у воді і не
піддається дії амілолітичних ферментів.
Кукурудзянийта пшеничний крохмаль значно швидше ретроградують, ніж
крохмаль із картоплі та тапіоки. Припускають, що існує критичний розмір
молекул амілози, за якого ретроградація досягає максимальної величини.
Тобто, більші чи менші за розміром молекули ретроградують повільніше чи
зовсім не ретроградують.
На швидкість ретроградації впливає багато чинників. Так, швидкість
ретроградації значно збільшується зі зниженням концентрації і температури
гідролізатів. За температури 60...70 С ретроградація майже не відбувається.
Максимальної величини ретроградація сягає при рН 7, при рН більше 10 цей
процес зовсім не спостерігається, а нижче рН 2 швидкість його надзвичайно
мала. У випадку прогресуючої ретроградації змінюється забарвлення з йодом
від вихідного синього до червоного.
В зв’язку з ускладненнями, що виникають при ферментативному
розріджуванні і подальшому фільтруванні гідролізатів, необхідно підібрати і
дослідити методи інтенсифікації процесу гідролізу крохмалю амілолітичними
ферментами.
3. Аналіз існуючих способів інтенсифікації процесу
ферментативного розріджування крохмалю
На практиці крохмале-патокові підприємства широко використовують з
метою інтенсифікації процесу ферментативного розріджування оброблення
гідролізатів прямою інжекцією пари.
Так на Борисоглібському заводі Ярославської області при виробництві
харчової глюкози за безвідходною технологією із застосуванням
ферментативного розріджування, процес розріджування проводиться в дві

7. 7
стадії з проміжним обробленням парою за температури 120...130 ºС протягом 1
хв. При цьому покращуються фільтраційні властивості гідролізатів.
За іншими даними крохмальна суспензія змішується з розчином ферменту,
нагрівається до 85...88 ºС парою в реакторі першої стадії розріджування. Потім
суспензія нагрівається в пароінжекторному підігрівачі і витримується при 130
ºС 10 хвилин і при 140 ºС 5 хвилин (тиск 0,30...0,35 МПа). Продукт надходить у
вакуум-випарювач, охолоджується до 95 ºС і направляється в реактор другої
стадії розріджування. Тут він повинен мати температуру 85...87 ºС, рН не
менше 6,2 і перебувати 75 хвилин.
Згідно технології РКП (радянської карамельної патоки) розробленої у
ВНДІК також проводять проміжне оброблення парою до 100…110 ºС
гідролізату і витримування протягом 15 - 30 хв.
Кравченко Т.І. у своїй технології високомальтозних сиропів з крохмалю із
застосуванням ферментних препаратів рекомендує проводити розріджування у
дві стадії з обробленням парою після першої стадії 30 %-вої суспензії до 105 ºС
з витримуванням протягом 10 хвилин.
Способиоброблення гідролізату парою мають два основних недоліки. По-
перше, при оброблені відбувається суттєве розведення крохмальних
гідролізатів водою, яке у виробництві не контролюється, в результаті чого
збільшуються витрати енергії на випарній установці на видалення цієї вологи.
По-друге, цей спосіб інтенсифікації потребує додаткових витрат амілази на
продовження гідролізу, що теж є економічно не вигідним.
Окрім оброблення парою існує метод проведення процесу розріджування
за допомогою механічної гомогенізації крохмальних клейстерів без
застосування ферменту. Такий метод описує Н.Г. Гулюк, а також він згадується
в працях Ральфа В. Керра. За цими даними, перспективним є спосіб гідролізу
крохмалю, згідно якого замість розріджування крохмалю з використанням -
амілази передбачається його клейстеризація за високих температур та
інтенсивна механічна гомогенізація клейстеру з метою розриву ланцюгів
полісахаридів.

8. 8
Розріджування крохмалю супроводжується збільшенням кількості
розщеплених полімерів. При ферментативному розріджуванні продукти
гідролізу мають усереднений розмір.
Зі збільшенням кількості розщеплених полімерів у розрідженому продукті
збільшується кількість редукувальних кінців. Оскільки глюкоамілаза атакує
продукти розщеплення з нередукувального кінця і переважно із високою
молекулярною масою, утворення нових редукувальних кінців під час
розріджування не бажане.
Для досягнення практично повного гідролізу крохмалю необхідно звести
до мінімуму утворення нових редукувальних кінців при розривіполісахаридних
ланцюгів крохмалю. Цього можна досягти шляхом розріджування крохмалю
без застосування будь-якого каталізатора, механічно руйнуючи полімер.
В умовах такого розріджування процес зцукрювання представляє собою
послідовне відщеплення завжди одного глюкозного залишку від величезного
полімеру з його нередукувального краю, тобто здійснюється кількісне
переведення крохмалю в глюкозу. Глюкозний еквівалент кінцевого гідролізату,
обробленого на гомогенізаторі, може сягати 99,5 %.
Аналізуючи літературні джерела відомо, що в останні роки особливо
інтенсивно і продуктивно в харчових технологіях використовуються
електрофізичні методи, які забезпечують високу продуктивність і повну
автоматизацію процесу, високу якість продукції, можливість здійснення
безвідходної технології, економії енергоресурсів та виробничих площ.
Для удосконалення ферментативного розріджування крохмалю з метою
забезпечення високої продуктивності процесу за економного використання
енергії досить перспективним є використання електрофізичних методів
оброблення гідролізатів за допомогою електромагнітних полів різних
діапазонів частот і заряджених часток.
Діючи на харчові середовища і продукти електромагнітним полем, в них
створюють потоки заряджених часток (електронів, іонів) і різного роду
поляризаційні ефекти, які, в свою чергу, чинять теплову, електрохімічну,

9. 9
біофізичну дію на об’єкт оброблення. Таким чином, змінюють структуру,
фізико-хімічні, органолептичні і біологічні якості продуктів, здійснюють їх
теплове оброблення.
Відомо, що мікрохвилі  це змінне електромагнітне поле, що має частоту
коливань від 3 до 300 ГГц. Вони проникають в продукти на визначену глибину,
змушують молекули речовини коливатись з більш високою частотою, що веде
до підвищення температури. Мікрохвилі не змінюють хімічний склад речовини,
проте можуть впливати на набухання та клейстеризацію зерен крохмалю.