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):, ,
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:

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 Vбиокатализатор для осахаривания декстрина, способ его приготовления   и способ осахаривания декстрина, патент № 2281328 =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 Vбиокатализатор для осахаривания декстрина, способ его приготовления   и способ осахаривания декстрина, патент № 2281328 =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
БиокатализаторАктивность, 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

биокатализатор для переэтерификации жиров и способ его получения -  патент 2528778 (20.09.2014)
фотобиокатализатор для образования водорода и фотокаталитический способ получения водорода -  патент 2511053 (10.04.2014)
способ иммобилизации l-фенилаланин-аммоний-лиазы на магнитных наночастицах -  патент 2460790 (10.09.2012)
биокатализатор, способ его приготовления и способ получения инвертного сиропа с использованием этого катализатора -  патент 2451546 (27.05.2012)
стабилизатор ферментативной активности пероксидазы -  патент 2445271 (20.03.2012)
способ получения поверхностно-модифицированных наночастиц для иммобилизации биологических веществ -  патент 2425879 (10.08.2011)
фотобиокатализатор для получения восстановленных форм никотинамидных коферментов nadh или nadph и фотокаталитический способ получения nadh или nadph -  патент 2416644 (20.04.2011)
биокатализатор, способ его приготовления и способ получения инвертного сиропа с использованием этого биокатализатора -  патент 2372403 (10.11.2009)
способ получения композиции, содержащей высушенные бактерии, и ее применение -  патент 2370525 (20.10.2009)
ферментативная модификация триглицеридных жиров -  патент 2366693 (10.09.2009)

Класс C12N9/26 на альфа-1,4-глюкозидные связи, например гиалуронидаза, инвертаза, амилаза

средство, обладающее регенеративной активностью -  патент 2480236 (27.04.2013)
гиалуронидаза и способ ее применения -  патент 2471867 (10.01.2013)
варианты альфа-амилазы bacillus licheniformis с повышенной термостабильностью и/или сниженной кальциевой зависимостью -  патент 2469087 (10.12.2012)
средство, увеличивающее продолжительность жизни -  патент 2461389 (20.09.2012)
противовоспалительное средство -  патент 2458126 (10.08.2012)
средство, усиливающее мобилизацию стволовых клеток -  патент 2442601 (20.02.2012)
средство, увеличивающее резерв стволовых клеток в организме -  патент 2405822 (10.12.2010)
штамм актиномицета streptomyces lucensis - продуцент ингибитора гликозидаз -  патент 2355755 (20.05.2009)
штамм актиномицета streptomyces violaceus - продуцент ингибитора гликозидаз -  патент 2346042 (10.02.2009)
способ экстракции бета-амилазы из зерен злака и целлюлаза для экстракции бета-амилазы из зерен злака -  патент 2290440 (27.12.2006)

Класс C12P19/02 моносахариды

способ получения моносахаридов или этанола вместе с сульфинированным лигнином из лигноцеллюлозной биомассы -  патент 2525163 (10.08.2014)
композиции и способы, включающие варианты целлюлазы со сниженным сродством к нецеллюлозным материалам -  патент 2486242 (27.06.2013)
биокатализатор, способ его приготовления и способ получения инвертного сиропа с использованием этого биокатализатора -  патент 2372403 (10.11.2009)
способ биотехнологического получения сбраживаемых сахаров из лигноцеллюлозных материалов -  патент 2316584 (10.02.2008)
биокатализатор для инверсии сахарозы, носитель для биокатализатора, способ приготовления биокатализатора и способ инверсии сахарозы -  патент 2279475 (10.07.2006)
способ получения кальция фруктозодифосфата -  патент 2278164 (20.06.2006)
способ получения нерацемических сложного эфира и спирта, а также двухфазная негомогенная система для его осуществления -  патент 2247779 (10.03.2005)
способ ферментативного гидролиза субстрата -  патент 2245925 (10.02.2005)
биокатализатор для получения инвертного сахара и способ получения инвертного сахара -  патент 2224020 (20.02.2004)
способ получения d-апиозы из полисахарида ряски малой lemna minor -  патент 2190666 (10.10.2002)
Наверх