Preview

Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология

Расширенный поиск

Термопластическая экструзия в процессах пищевой биотехнологии

https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-447-460

Полный текст:

Аннотация

Развитие пищевых биотехнологий предполагает совершенствование и оптимизацию всех стадий технологического процесса – от предобработки сырья до стадий биокатализа, ферментации и получения готового продукта. На основе релевантных научных источников проведен обзор перспектив интеграции в пищевые биотехнологические производства термопластической экструзии, имеющей ряд технологических и экономических преимуществ. Показано, что экструзия как стадия предподготовки сырья повышает степень его растворимости, дальнейшего гидролиза крахмала, белка, некрахмалистых полисахаридов с соответствующим ростом выхода продуктов биоконверсии. В технологии спирта использование экструдирования крахмалсодержащего сырья может стать фактором увеличения выхода этанола и снижения образования побочных метаболитов брожения, в пивоваренной – позволяет расширить применение несоложеных материалов при приготовлении сусла, при глубинном культивировании микроорганизмов (продуцентов ферментов) – повысить концентрацию среды и синтез ферментов. Приведены положительные результаты получения питательных сред на экструдированном сырье для микробиологического продуцирования L(+) молочной кислоты, производства заквасок и поликомпонентных сквашенных молокосодержащих продуктов. Совмещение экструзии и биокатализа в камере экструдера позволяет получать мальтодекстрины с дектрозным эквивалентом до 10 ед. Помимо переработки крахмалсодержащих субстратов экструзия в комплексе с биокаталитической обработкой обеспечивает глубокую модификацию биополимеров сырья с высоким содержанием белка и пищевых волокон, например, гидролиз обладающих антигенными свойствами термоустойчивых белковых фракций глицинина и β-конглицинина соевого шрота, повышение функциональности отрубей и содержания водорастворимых арабоксиланов в специализированных экструдированных продуктах. Основными факторами, влияющими на степень переработки сырья и качество целевых продуктов, являются влагосодержание и температура экструзии, дозировка ферментных препаратов. Описаны возможности совмещения процессов экструзии и биокатализа в одной системе реакторов или непосредственно в камере экструдера, что позволяет значительно повысить концентрацию перерабатываемых биотехнологических сред, упростить аппаратурно-технологический состав производственных линий, повысить их производственную мощность и эффективность использования энергоресурсов.

Об авторах

А. Ю. Шариков
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии – филиал «ФИЦ питания и биотехнологии»
Россия

к.т.н., старший научный сотрудник,

г. Москва



В. И. Степанов
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии – филиал «ФИЦ питания и биотехнологии»
Россия

к.т.н., заведующий отделом, 

г. Москва



В. В. Иванов
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии – филиал «ФИЦ питания и биотехнологии»
Россия

к.т.н., ведущий научный сотрудник,

г. Москва



Список литературы

1. Adekola K.A. Engineering review food extrusion technology and its applications // Journal of Food Science and Engineering. 2016. Vol. 6. P. 149–168. DOI: 10.17265/2159-5828/2016.03.005

2. Singh S., Gamlath S., Wakeling L. Nutritional aspects of food extrusion: a review // International Journal of Food Science and Technology. 2007. Vol. 42. Issue 8. P. 916–929. DOI: 10.1111/j.1365-2621.2006.01309.x

3. Van der Veen M.E., Veelaert S., Goot A.J., Boom R. Starch hydrolysis under low water conditions: A conceptual process design // Journal of Food Engineering. 2006. Vol. 75. Issue 2. P. 178–186. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2005.04.006

4. Korn S.R., Harper J.M. Extrusion of corn for ethanol fermentation // Biotechnology Letters. 1982. Vol. 4. Issue 7. P. 417–422.

5. Chmielewska J., Kawa-Rygielska J., Zięba T. Ethanol fermentation of maize mashes // Polish Journal of Food and Nutrition Sciences. 2007. Vol. 57. No. 4. P. 85–89.

6. Zhan X., Wang D., Bean S.R., Mo X., Sun X.S., Boyle D. Ethanol production from supercritical-fluidextrusion cooked sorghum // Industrial Crops and Products. 2006. Vol. 23. Issue 3. P. 304–310. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2005.09.001

7. Шариков А.Ю., Римарева Л.В., Степанов В.И., Иванов В.В., Игнатова Н.И., Веселовская О.В. Влияние режимов экструзионной обработки зернового сырья на эффективность биотехнологических процессов в перерабатывающих отраслях АПК // Хранение и переработка сельхозсырья. 2012. N 5. C. 18–21.

8. Шариков А.Ю., Степанов В.И., Иванов В.В., Игнатова Н.И., Скворцова Л.И. Перспективы использования экструдата ржи в биотехнологии этанола // Достижения науки и техники в АПК. 2014. N 5. C. 66–68.

9. Peralta-Contreras M., Aguilar-Zamarripa E., Perez-Carrillo E., Escamilla-García E., Serna-Saldívar S.O. Ethanol production from extruded thermoplastic maize meal by high gravity fermentation with Zymomonas mobilis // Biotechnology Research International. 2014. Vol. 2014. 8 p. DOI: 10.1155/2014/654853

10. Шабурова Г.В., Курочкин А.А., Воронина П.К. Повышение технологического потенциала несоложеных зернопродуктов // Техника и технология пищевых производств. 2014. N 1 (32). C. 90–96.

11. Delcour J.A., Hennebert M.M.E., Vancraenenbroeck R., Moerman E. Unmalted cereal products for beer brewing. Part i. The use of high percentages of extruded or regular corn starch and sorghum // Journal of the Insitute of brewing. 1989. Vol. 95. Issue 4. P. 271–276. https://doi.org/10.1002/j.2050-0416.1989. tb04631.x

12. Cortés-Ceballos E., Nava-Valdez Y., PérezCarrillo E., Serna-Saldívar S.O. Effect of the use of thermoplastic extruded corn or sorghum starches on the brewing performance of lager beers // Journal of the American Society of Brewing Chemists. 2015. Vol. 73. No. 4. P. 318–322.

13. Ma C., He Y., Cao Y., Bai X., Li H. Analysis of flavour compounds in beer with extruded sorghum as an adjunct using headspace solid-phase microextraction and gas chromatography mass spectrometry // Journal of the Insitute of brewing. 2016. Vol. 122. Issue 2. P. 251–260. DOI: 10.1002/jib.330

14. Heredia-Olea E., Pérez-Carrillo E., SernaSaldívar S.O. Effect of extrusion conditions and hydrolysis with fiber degrading enzymes in the production of C5 and C6 sugars from brewers’ spent grain for bioethanol production // Biofuel Research Journal. 2015. Vol. 5. P. 203–208. DOI: 10.18331/BRJ2015.2.1.6

15. Heredia-Olea E., Pérez-Carrillo E., MontoyaChiw M., Serna-Saldívar S.O. Effects of Extrusion Pretreatment Parameters on Sweet Sorghum Bagasse Enzymatic Hydrolysis and Its Subsequent Conversion into Bioethanol // BioMed Research International. 2015. Vol. 2015, 10 p. DOI: 10.1155/ 2015/325905

16. Шариков А.Ю., Середа А.С., Великорецкая И.А., Костылева Е.В., Степанов В.И., Иванов В.В. Режимы экструзии шрота подсолнечника как фактор его предобработки для ферментативного гидролиза // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 4. C. 61–67. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-61-67

17. Шариков А.Ю., Середа А.С., Великорецкая И.А., Костылева Е.В., Веселкина Т.Н. Исследование влияния концентрации субстрата и дозировок ферментных препаратов на процесс гидролиза экструдированного шрота подсолнечника // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. N 12 (54). C.157–162. DOI: https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.54.159

18. Sharikov A.Yu., Sereda A.S., Kostyleva E.V., Velikoretskaya I.A., Polyakov V.A. Enzyme hydrolysis of extruded soybean meal at high substrate concentrations // Acta periodica technologica. 2016. Vol. 47. P. 63–73. DOI: 10.2298/APT1647063S

19. Шариков А.Ю., Середа А.С., Костылева Е.В., Смирнова И.А. Влияние температуры экструзии на устранение антипитательных свойств глицинина и бета-конглицинина при протеолизе экструдированных шротов и жмыхов сои // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. 2015. N 6 (35). C. 8–13.

20. Zhan X., Wang D., Sun X.S., Kim S., Fung D.Y.C. Lactic acid production using extrusion-cooked grain sorghum // Transactions of the ASAE. 2003. Vol. 46. Issue 2. P. 589–593. DOI: 10.13031/2013.12914

21. Cоколова О.В. Новый поликомпонентный молочный продукт // Молочная промышленность. 2013. N 1. C. 78–79.

22. Соколова О.В., Рожкова И.В. Особенности технологии сквашенных мукосодержащих продуктов // Перспективные биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов: сборник трудов VII Международного научнопрактического симпозиума (Москва, 09 апреля 2014 г.). М.: Изд-во ВНИИ пищевой биотехнологии РАСХН, 2014. С. 316–322.

23. Ковбаса В.Н., Кобылинская Е.В., Ковалев А.В., Олифиренко В.Н. Экструдированный пшеничный крахмал как улучшитель для хлебопекарных изделий // Известия вузов. Пищевая технология. 1998. N 2-3 (243-244). C. 21–23.

24. Juodeikiene G., Salomskiene J., Eidukonyte D., Vidmantiene D., Narbutaite V., Vaiciulyte-Funk L. The impact of novel fermented products containing extruded wheat material on the quality of wheat bread // Food Technology and Biotechnology. 2011. Vol. 49. Issue 4. P. 502–510.

25. Устинников Б.А., Степанов В.И., Цурикова Н.В., Иванов В.В., Ахметшина М.Р. Экструзионная технология приготовления питательных сред при получении ферментов // Пищевая промышленность. 1991. N 7. С. 66–67.

26. Tsurikova N.V., Nefedova L.I., Kostyleva E.V., Zvenigorodskii V.I., Yasinovskii V.G., Voeikova T.A., Sinitsyn A.P. Selection of a potent bacillus licheniformis strain producing thermostable amylase // Applied Biochemistry and Microbiology. 2002. Vol. 38. No. 5. P. 427–432. DOI: 10.1023/A:1019960216770

27. Moraru C.I., Kokini J.L. Nucleation and expansion during extrusion and microwave heating of cereal foods // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2003. Vol. 2. P. 147–165.

28. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В. Экструзионный метод переработки крахмалосодержащего сырья в биотехнологическом производстве // Хранение и переработка сельхозсырья. 2002. N 8. C. 48–49.

29. Grafelman D.D., Meagher M.M. Liquefaction of starch by a single-screw extruder and postextrusion static-mixer reactor // Journal of Food Engineering. 1995. Vol. 24. Issue 4. P. 529–542.

30. Baks T., Kappen F.H.J., Janssen A.E.M., Boom R.M. Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch–water mixtures with alpha-amylase from B. Licheniformis // Journal of Cereal Science. 2008. Vol. 47. Issue 2. P. 214–225. https://doi.org/10.1016/j.jcs. 2007.03.011

31. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В., Шариков А.Ю. Метод переработки крахмалсодержащего сырья при получении концентрированного зернового сусла // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2007. N 3. С. 16–17.

32. Myat L., Ryu G.-H. Extrusion with thermostable α-amylase Injection as pretreatment method for ethanol production from corn starch // Microbial & Biochemical Technology. 2013. Vol. 5. Issue 2. P. 47–53. DOI: 10.4172/1948-5948.1000099

33. Solihin B.W., Kim M.H., Im B.S., Cha J.Y., Ryu G..H. Effects of feed moisture (ii) content on enzymatic hydrolysis of corn starch in twin-screw extruder and saccharification of the dried extrudates // Food science and biotechnologie. 2007. Vol.16. No. 3. P. 381–385.

34. Govindasamy S., Campanella O.H., Oates C.G. The single screw extruder as a bioreactor for sago starch hydrolysis // Food Chemistry. 1997. Vol. 60. Issue 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/S0308-8146(96)00100-8

35. Govindasamy S., Campanella O.H., Oates C.G. Enzymatic hydrolysis of sago starch in a twin-screw extruder // Journal of Food Engineering. 1997. Vol. 32. Issue 4. P. 403–426. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(97)00017-4

36. Govindasamy S.,Campanella O.H., Oates C.G. Enzymatic hydrolysis and saccharification optimisation of sago starch in a twin-screw extruder // Journal of Food Engineering. 1997. Vol. 32. Issue 4. P. 427–446.

37. Vasanthan T., Yeung J., Hoover R. Dextrinization of Starch in Barley Flours with Thermostable alpha-Amylase by Extrusion Cooking // Starch. 2001. Vol. 53. No. 12. P. 616–622. DOI: 10.1002/1521-379X(200112)53:123.0.CO;2-M

38. De Pilli T., Legrand J., Giuliani R., Derossi A., Severini C. Effect of processing variables and enzymatic activity on wheat flour dough extruded under different operating conditions // Food Technology and Biotechnology. 2009. Vol. 47. No. 4. P. 404–412.

39. Li H., Jiao A., Xu X., Wu Ch., Wei B., Hu X., Jin Zh., Tian Y. Simultaneous saccharification and fermentation of broken rice: an enzymatic extrusion liquefaction pretreatment for Chinese rice wine production // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2013. Vol. 36. Issue 8. P. 1141–1148.

40. Xu E., Wu Z., Long J., Wang F., Pan X., Xu X., Jin Zh., Jiao A. Impact of high-shear extrusion combined with enzymatic hydrolysis on rice properties and Сhinese rice wine fermentation // Food and Bioprocess Technology. 2015. Vol. 8. Issue 3. P. 589–604.

41. Xu E., Wu Z., Long J., Wang F., Pan X., Xu X., Jin Zh., Jiao A. Improved bioaccessibility of phenolics and antioxidant activity of glutinous rice and its fermented Chinese rice wine by simultaneous extrusion and enzymatic hydrolysis // Journal of Functional Foods. 2015. Vol. 17. P. 214–226. https://doi.org/10.1016/j.jff.2015.05.032

42. Xu E., Wu Z., Long J., Wang F., Pan X., Xu X., Jin Zh., Jiao A. Effect of thermostable α-amylase addition on the physicochemical properties, free/bound phenolics and antioxidant capacities of extruded hulled and whole rice // Food and Bioprocess Technology. 2015. Vol. 8. Issue 9. P. 1958–1973.

43. Xu Е.,Wu Zh., Jin Zh., Campanella O.H. Bioextrusion of broken rice in the presence of divalent metal salts: effects on starch microstructure and phenolics compounds // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2018. Vol. 6. P. 1162–1171. DOI:10.1021/acssuschemeng.7b03459

44. Zeng Z., LiY., Yang R., Liu Ch., Hu X., Luo S., Gong E., Ye J. The relationship between reducing sugars and phenolic retention of brown rice after enzymatic extrusion // Journal of Cereal Science. 2017. Vol. 74. P. 244–249.

45. De Mesa-Stonestreet N.J, Alavi S., Gwirtz J. Extrusion-enzyme liquefaction as a method for producing sorghum protein concentrates // Journal of Food Engineering. 2012. Vol. 108. Issue 2. P. 365–375. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2011.07.024

46. Santala O., Nordlund E., Poutanen K. Use of an extruder for pre-mixing enhances xylanase action on wheat bran at low water content // Bioresource Technology. 2013. Vol. 149. P. 191–199. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.09.029

47. Santala O., Kiran A., Sozer N., Poutanen K., Nordlund E. Enzymatic modification and particle size reduction of wheat bran improves the mechanical properties and structure of bran-enriched expanded extrudates // Journal of Cereal Science. 2014. Vol. 60. Issue 2. P. 448–456. DOI: 10.1016/j.jcs.2014.04.003

48. De Pilli T., Severini C., Carbone B.F., Giuliani R., Derossi A. Improving fatty extrudate structure with amylase and protease // Journal of Food Biochemistry. 2004. Vol. 28. Issue 5. P. 387–403. https://doi.org/10. 1111/j.1745-4514.2004.04403.x


Для цитирования:


Шариков А.Ю., Степанов В.И., Иванов В.В. Термопластическая экструзия в процессах пищевой биотехнологии. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019;9(3):447-460. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-447-460

For citation:


Sharikov A.Y., Stepanov V.I., Ivanov V.V. Thermoplastic extrusion in food biotechnology processes. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2019;9(3):447-460. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-3-447-460

Просмотров: 49


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2227-2925 (Print)
ISSN 2500-1558 (Online)