биокатализатор для осахаривания декстрина, способ его приготовления и способ осахаривания декстрина
Классы МПК: | C12N11/14 ферменты или микробные клетки, иммобилизованные на или в неорганическом носителе C12N9/26 на альфа-1,4-глюкозидные связи, например гиалуронидаза, инвертаза, амилаза C12P19/02 моносахариды |
Автор(ы): | Коваленко Галина Артемьевна (RU), Перминова Лариса Валентиновна (RU), Плаксин Георгий Валентинович (RU) |
Патентообладатель(и): | Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (RU), Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-09-09 публикация патента:
10.08.2006 |
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.
(56) (продолжение):
CLASS="b560m"адсорбционной иммобилизации ферментов и микроорганизмов. Биокаталитические свойства адсоробированной глюкоамилазы. Биотехнология. 2002, №5, с.81-93. КОВАЛЕНКО Г.А. и др. Углеродные материалы как адсорбенты для биологически активных веществ и бактериальных клеток. Коллоидный журнал, 1999, том 61, №6, с.787-795.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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 см 3/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 t1/2 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 t1/2 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.
Класс C12N11/14 ферменты или микробные клетки, иммобилизованные на или в неорганическом носителе
Класс C12N9/26 на альфа-1,4-глюкозидные связи, например гиалуронидаза, инвертаза, амилаза