ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПРОИЗВОДСТВА
Ферментные препараты представляют собой концентраты ферментов, полученные с помощью микроорганизмов. В состав ферментных препаратов наряду с ферментами входят и балластные вещества. Ферментные препараты применяют в пищевых производствах как катализаторы соответствующих биохимических процессов.
В качестве продуцентов ферментов используют разнообразные источники: растения, животные ткани и микроорганизмы.
Основные промышленные микроорганизмы для производства ферментных препаратов:
· это микроскопические грибы Aspergillus, Rhizopus, Penicillium и другие,
· а также бактерии Bacillus и актиномицеты.
Они являются активными синтезаторами амилолитических, протеолитических, пектолитических и других ферментов.
Способностью активно продуцировать целлюлолитические ферменты обладают представители ряда несовершенных грибов родов:
· Alternaria, Trichoderma, Fusarium и др.
Важным требованием к применяемому продуценту является его способность к образованию большого количества какого-либо одного фермента при незначительном количестве других ферментов.
Микроорганизмы культивируют на средах, богатых углеводами, азотистыми и минеральными веществами, витаминами.
В производстве ферментных препаратов используют:
· синтетические и комплексные среды, являющиеся смесью синтетических сред с естественными материалами растительного, животного и микробного происхождения.
Синтетические среды готовят из различных минеральных солей и органических соединений, являющихся источником углерода — углеводов, спиртов, органических кислот.
В качестве естественных материалов применяют отходы пищевых производств: отруби, мелассу, жмыхи, кукурузный экстракт, солодовые ростки, пивные дрожжи, зерно-картофельную барду и др.
Для накопления ферментов в культуральной среде необходимо обеспечить оптимальные условия для их синтеза: состав среды, температуру, значение рН, снабжение клеток кислородом воздуха.
Для нужд пищевой промышленности вырабатываются амилолитические ферментные препараты:
· Амилоризин П10х и Амилосубтилин Г10х.
Препараты представляют собой тонкоизмельченные порошки бежевого или светло-серого цвета влажностью не более 13%. Они хорошо растворимы в воде без постороннего запаха и вкуса.
В состав Амилоризина П10х входит комплекс ферментов с превалирующим действием α-амилазы. В качестве сопутствующих имеются протеолитические ферменты, мальтаза, 
-эндополиглюканаза и др.
Стандартные уровни ферментативной активности промышленного ферментного препарата (ФП) Амилоризин П10х составляют, ед/г, не менее: амилолитическая способность (АС) — 2000; осахаривающая способность (ОС) — 1000; протеолитическая активность (ПА) — 30 при рН 4,7...5,4 и температуре 40...45°С.
Амилосубтилин Г10х представляет собой очищенный ФП, образуемый Вас. subtilis. Препарат содержит
· α-амилазу, р-глюканазу и протеазу.
АС этого препарата не менее 3000 ед/г, а ПА — не более 2 ед/г.
Оптимальные для действия Амилосубтилина Г10х условия:
· рН 6,0...6,3; температура 50...55°С.
Бактериальная α-амилаза по сравнению с грибной обладает более высокой термостабильностью.
Протосубтилин Г10х отличается высокой протеолитической активностью. Это порошок светло-серого или светло-бежевого цвета с влажностью не более 13 %, характеризуется ПА не менее 70 ед/г.
Протеолитические ферментные препараты используют
· в мясной промышленности - смягчения мяса, придания ему нежного вкуса и консистенции;
· в молочной промышленности - для получения гидролизатов белков молока,
· в пивоварении - для стабилизации пива от помутнения и др.
Особенности производства и потребления готовой продукции. Применяют два способа выращивания продуцентов ферментов: поверхностный и глубинный.
Поверхностный способ предусматривает выращивание микроорганизмов на поверхности твердых, жидких, полужидких или сыпучих материалов.
Этот способ создает хорошие условия для максимального контакта микроорганизмов с кислородом воздуха. Его используют в основном при выращивании мицелиальных грибов.
Глубинный способ предусматривает выращивание микроорганизмов на жидких средах.
Этот способ применяют преимущественно при использовании в качестве продуцентов ферментов бактерий и других микроорганизмов, способных интенсивно развиваться в условиях недостаточного контакта клеток с кислородом. Он может быть применен и для культивирования аэробных микроорганизмов, какими являются плесневые грибы и некоторые бактерии, но для этого необходимо интенсивно аэрировать среду.
При поверхностном способе культивирования оптимальная температура для развития мицелиальных грибов 28...30°С, бактерий 32...38°С, относительную влажность воздушной среды на поверхности субстрата необходимо поддерживать в пределах 60...70%. Обязательным условием этой технологии является аэрация растильной камеры.
Микроорганизмы синтезируют различные ферменты в определенной последовательности. Так, например, при использовании грибов Аsр. оrizaе максимальное количество амилаз накапливается за 21...30 ч, образование же цитолитических ферментов начинается значительно позже и для максимального накопления этих ферментов требуется увеличить длительность культивирования до 48 ч.
Регулируя состав питательной среды, условия и длительность культивирования, можно достичь превалирующей активности одного фермента в комплексе ферментов препарата.
Температура культивирования зависит от видовых особенностей микроорганизмов и колеблется в широких пределах. Для равномерного распределения клеток по объему аппарата, улучшения их контакта с питательными веществами, обеспечения отвода от клеток продуктов их жизнедеятельности осуществляют перемешивание культуральной среды.
При получении культуры поверхностным способом ферменты из питательной среды экстрагируют водой, отделяют экстракт от твердой фазы, сгущают до концентрации сухих веществ 50 % или высушивают.
При глубинном культивировании отделяют клетки микроорганизмов от культуральной жидкости фильтрацией или центрифугированием. Фильтрат или центрифугат сгущают до концентрации сухих веществ 40 % или высушивают.
Полученные таким образом технические ферментные препараты могут использоваться в жидком виде или в виде порошка.
Для очистки ферментов применяют
· осаждение их из водных растворов органическими растворителями такими, как метиловый, этиловый, изопропиловый спирты, ацетон;
· высаливание сульфатами аммония, натрия, цинка, хлоридом натрия;
· фракционирование.
Высушивание предварительно очищенных и сконцентрированных препаратов осуществляют в распылительных сушилках или методом сублимации.
Наименование ферментных препаратов сочетает в себе сокращенное название основного фермента, активность которого в препарате преобладает, и видовое название микроорганизма-продуцента.
Так, препарат, в котором превалирующим ферментом является амилаза, синтезированная мицелиальным грибом Аzр. оryzае, называют амилоризином, если применялась культура Вас. subtilis — амилосубтилином.
В наименовании препарата отражаются способ культивирования микроорганизмов, степень очистки препарата и степень концентрирования ферментов.
С этой целью после наименования препарата ставится индекс. Например, Амилоризин П10х или Амилосубтилин Г20х.
В индексе
· буква (П) означает, что препарат получен поверхностным способом культивирования,
· буква (Г) — глубинным.
· Буква (х) условно обозначает количество фермента в стандартной (обладающей строго определенной активностью на единицу массы), глубинной или поверхностной культурах.
· Цифра перед буквой (х) отражает степень очистки препарата.
Стадии технологического процесса. Производство ферментных препаратов наиболее перспективным глубинным способом на жидких питательных средах можно разделить на следующие стадии:
— приготовление, стерилизация и охлаждение питательной среды;
— приготовление посевного материала и выращивание производ-ственной культуры;
— отделение и сушка биомассы;
— фасовка отходов и отделение фильтрата;
— концентрирование и сушка концентрата;
— осаждение, сушка и стандартизация препарата;
— фасование препарата.
Характеристика комплексов оборудования. Линия начинается с комплекса оборудования, в состав которого входят:
· циклон – разгрузитель, экстракторы, стекатель, шнек-пресс, ленточный вакуум-фильтр, смеситель,
· а также нагревательная колонка, выдерживатель и теплообменники.
В состав линии входит комплекс оборудования, состоящий из инокулятора и ферментатора.
Следующий комплекс оборудования представляют камерный фильтр-пресс и барабанная сушилка.
Далее следует комплекс оборудования для фасования и упаковывания ферментных препаратов, а также сепараторы.
Ведущим является комплекс оборудования, включающий вакуум-выпарные аппараты и распылительные (сублимационные) сушилки.
Завершающий комплекс оборудования линии состоит:
· из установки непрерывного осаждения, аппарата обсушки препарата, центрифуги, барабанной вакуум-сушилки, установки для измельчения и смешивания.
Финишным комплексом оборудования являются фасовочные машины.
Машинно-аппаратурная схема линии производства ферментных препаратов глубинным способом на жидких питательных средах представлена на рис. 2.4.
Устройство и принцип действия линии. В соответствии с компонентным составом питательных сред производят их предварительную подготовку и смешивание.
Например, для получения питательной среды используют свекловичный жом. Жом через циклон-разгрузитель 1 и циклон чистки воздуха 2 направляется на весы 5 и далее в экстрактор 4 свекловичного жома.
Полученный экстракт насосом перекачивается в стекатель 5, шнек-пресс для отжима 6 и далее в смеситель 20, куда подводят питание соли и остальные компоненты с таким расчетом, чтобы при последующем соединении этих растворов была достигнута требуемая регламентом концентрация в среде.
Солодовые ростки из бункера 8 взвешиваются на весах 10 и винтовым гибким подъемником 9 направляются в экстрактор 11 и далее в ленточный вакуум-фильтр 12, откуда промывные воды отводятся в ресивер 13, а осадок спускается в бункер 14.
Над вакуум-фильтром 12 размещены барометрический конденсатор 16 и ловушка 17, а ниже установлен барометрический ящик 18.
Полученный экстракт солодовых ростков из ресивера для фильтрата 15 насосом через приемник 19 закачивается в смеситель 20.
Приготовленные смеси поступают в сборник питательной среды 21, а далее в стерилизатор 23, выдерживатель 24 нагрева питательной среды до 130°С и на охлаждение среды в темплообменники 25 и 26,
Отсюда, охлажденная питательная среда поступает в ферментатор 33, заполняя его на 70...75%.
Для начала ферментации в среду вводят посевной материал. Приготовление посевного материала осуществляется в аппарате 22, откуда он направляется в ферментатор 33 с форсуночным разбрызгивателем 32.
Здесь же установлены фильтры 27, 28 и 29 для очистки воздуха, а также стерилизатор пеногасителя 30 смерником 31. Забираемый из атмосферы воздух очищается от грубой взвеси, сжимается и охлаждается.
Длительность культивирования зависит от продуцента и условий введения в процесс питательных веществ.
Готовую культуральную жидкость, содержащую биомассу продуцента, твердую взвесь среды и всю сумму веществ насосом подают через теплообменник 34 для охлаждения и далее в сборник 35.
После окончания ферментации отделение биомассы от культуральной жидкости происходит в камерном фильтр-прессе 36.
Далее биомасса через бункер 3 7 направляется на сушку и фасовку.
| Рис. 2.4. Машино-аппаратурная схема линии производств ферментных препаратов на жидких питательных средах глубинным способом |
Культуральная жидкость отделенная в сборнике 38— на сепараторы 39, 50 и 55.
После сепаратора концентрат поступает в теплообменник 57 для охлаждения.
Перед выпариванием культуральная жидкость подогревается до температуры 95...100°С и далее поступает в вакуум-выпарной аппарат 42, аконденсат из конденсатора 41 отводится в сборник 43.
После выпаривания культуральная жидкость с содержанием сухих веществ около 40% представляет собой жидкий концентрат, который перекачивается в сборник 44.
Концентрат культуральной жидкости может быть высушен в распылительной или сублимационной сушилке 45 и через циклон 46 и рукавный фильтр 47 направлен в бункер 48 высушенного препарата.
Шнековым транспортером 49 ферментный препарат транспортируется в установку непрерывного осаждения 52 этанолом, куда из мерника 53 через теплообменник для охлаждения спирта 54 подается спирт.
Осажденный препарат поступает в аппарат для отсушки ферментного осадка 56, откуда после центрифугирования на центрифуге 57 препарат направляется на барабанную вакуум-сушилку 58.
Высушенный препарат собирают в бункере 59, измельчают на измельчителе 60 и направляют в бункер 61, добавляют наполнитель из бункера 61, взвешивают на весах 63 и направляют в смеситель 64.
Фасование ферментных препаратов производят в фасовочных машинах 65 и 66 порциями по 17 кг или по 0,5 кг.