Przechowalnictwo i przetwórstwo

Transkrypt

1 Ziemniak Polski 2016 nr 4 51 Przechowalnictwo i przetwórstwo FIZYKOCHEMICZNE METODY ODZYSKIWANIA BIAŁEK Z SOKU ZIEMNIAKA mgr inż. Dorota Szarek, dr inż. Agnieszka Przewodowska IHAR-PIB, Zakład Nasiennictwa i Ochrony Ziemniaka w Boninie a.przewodowska@ihar.edu.pl Streszczenie Odpady przemysłu ziemniaczanego w postaci wycierki, soku ziemniaczanego i wody sokowej zawierają znaczące ilości składników organicznych. Opracowanie efektywnej metody odzyskiwania komponentów białkowych zawartych w odpadach jest pożądane ze względów ekonomicznych, a uzyskane preparaty mogą być następnie użyte jako enzymy w kolejnych procesach biotechnologicznych. Porównano 4 metody: kwasową z użyciem kwasu siarkowego H 2 SO 4, strącanie etanolem C 2 H 5 OH, strącanie siarczanem amonu NH 4 (SO 4 ) 2 i kwasowo-termiczną. Najwięcej białka uzyskano poprzez koagulację kwasowo-termiczną, najmniej poprzez strącanie alkoholem etylowym. Każda z tych metod ma czynnik, który może spowodować nieodwracalną dezaktywację czy denaturację aktywnego białka. Poszukuje się wydajnych metod pozwalających zachować aktywność enzymatyczną białek. Słowa kluczowe: odpady przemysłu ziemniaczanego, białka, ziemniak P rzemysł skrobiowy, który wykorzystuje ziemniaki jako surowiec do produkcji, generuje wiele odpadów organicznych w postaci wycierki, soku ziemniaczanego i wody sokowej. Pozostałości te charakteryzują się stosunkowo wysoką zawartością składników odżywczych, które mogłyby zostać odzyskane i ponownie użyte do produkcji biomasy (Jin i in. 1999). Problem utylizacji odpadów ziemniaczanych polega na tym, że produkowane są one w dużych objętościach (Lasik i in. 2002). Szacuje się, że w krajach Unii Europejskiej rocznie powstaje nawet ok. 2 mln m 3 wód sokowych (Zwijnenberg i in. 2002). Dodatkowo wody te zawierają zanieczyszczenia powstałe podczas transportu czy mycia ziemniaków (Pałasiński 1999). Wycierka, zwana inaczej pulpą, to przede wszystkim fragmenty ścian komórkowych zawierające resztki związanej skrobi (Markiewicz i in. 2015). Podejmowano próby opracowania efektywnych metod utylizacji wycierki. Proponowano palenie jej z węglem kamiennym, ale w związku z dużą zawartością wody oraz niską kalorycznością procesu spalania odstąpiono od tej metody. Wycierka mogłaby zostać wykorzystana jako surowiec lub dodatek w procesie wytwarzania ekologicznego paliwa granulatu z materiałów roślinnych. W porównaniu ze słomą czy otrębami pulpa cechuje się niską zawartością chloru, który w przypadku dużej zawartości byłoby przeszkodą w czasie spalania (Obidziński 2012). Alternatywą może być wykorzystanie wycierki jako substratu do produkcji biogazu (Zhang i in. 2007). Pulpa pozbawiona nadmiaru wody zawiera nawet do 30% pektyn, które mogłyby zostać wykorzystane jako substancje żelujące do produkcji dżemów lub galaretek (Laufenberg i in. 2003). Proces wytwarzania skrobi ziemniaczanej generuje nawet ok. 7 m 3 płynnych odpadów z tony bulw (Miedzianka i in. 2014). Ze względu na duże objętości najbardziej problematycznym odpadem jest woda sokowa, czyli mocno rozcieńczony sok z ziemniaków, o niskiej zawartości suchej masy, powstający

2 52 Ziemniak Polski 2016 nr 4 podczas pozyskiwania skrobi. Z kolei sok ziemniaczany to ciekły odpad, który zawiera 2% białek, najwięcej ze wszystkich odpadów skrobiowych, dlatego intensywnie poszukuje się efektywnych metod ich odzysku (Schoenbeck i in. 2013). Główną frakcję aktywnych białek występujących w płynnych odpadach przemysłu ziemniaczanego stanowią patatyny (40% wszystkich białek), inhibitory proteaz (50%) i 10% inne białka. Wobec tak dużej zawartości aktywnych składników białkowych i możliwości zastosowania w przemyśle podejmowane są próby opracowania wydajnych sposobów ich izolacji (Suck i in. 2006). Przemysł ziemniaczany przerabia ziemniaki na trzy podstawowe grupy produktów (rys. 1). Rys. 1. Podział przemysłu ziemniaczanego (Dzwonkowski 2004) W próbach opracowania efektywnego sposobu utylizacji płynnych odpadów przemysłu ziemniaczanego jedną ze strategii utylizacji wody sokowej jest jej wykorzystanie jako paszy dla zwierząt. Koncentrat białek do skarmiania otrzymuje się poprzez termiczną koagulację, której efektem jest 85-proc. odzysk białek. Wadą tej metody jest wysoka zawartość glikoalkaloidów w produkcie, wieloetapowość procesu i niska cena produktu finalnego (Markiewicz i in. 2015). Kolejną formą przerobu wody sokowej jest zastosowanie jej do produkcji podłoży dla mikroorganizmów jako źródła skrobi (Barnett 1999). Na drodze fermentacji z wód sokowych można odzyskać aktywne enzymy, które stanowiłyby produkt handlowy (Jin i in. 1999). Odpady przemysłu ziemniaczanego mogą również posłużyć jako substrat w produkcji alkoholu (Markiewicz 2007). Następnym sposobem utylizacji pozostałości przemysłu skrobiowego jest odzysk wodoru ze skrobi podczas fermentacji beztlenowej (Zhang i in. 2003). Białka izolowano z płynnych odpadów przemysłu skrobiowego również poprzez strącanie kwasem siarkowym, siarczanem amonu, etanolem, chlorkiem żelaza(iii), chlorkiem manganu(ii) i kompleksowaniem z karboksymetylocelulozą (Waglay i in. 2014). Molekularnymi technikami stosowanymi do izolacji białek z wody sokowej są chromatografia jonowymienna kolumnowa oraz membranowa (Schoenbeck i in. 2013; Ralet, Gueguen 2000). Metody fizykochemiczne, którymi odzyskuje się białka z płynnych odpadów przemysłu ziemniaczanego, polegają na strącaniu białek za pomocą związków chemicznych lub działaniu wysokiej temperatury czy też odczynem ph, ewentualnie kombinacji

3 Ziemniak Polski 2016 nr 4 53 kilku wariantów, a następnie odwirowaniu w celu uzyskania supernatantu i osadu białkowego. Należą do nich: metoda kwasowa z użyciem kwasu siarkowego H 2 SO 4, strącanie etanolem C 2 H 5 OH, strącanie siarczanem amonu - NH 4 (SO 4 ) 2, metoda kwasowo-termiczna. Metoda kwasowa z użyciem kwasu siarkowego H 2 SO 4. W trakcie odzyskiwania białek sok z ziemniaków zakwasza się 0,5 M H 2 SO 4 do uzyskania ph = 2,5. Roztwór inkubuje się w temperaturze pokojowej przez 60 min, a następnie wiruje w temperaturze 4 C w celu otrzymania osadu. Metoda cechuje się wysoką wydajnością, lecz powoduje inaktywację enzymatyczną białek. Strącanie etanolem C 2 H 5 OH. Do izolacji białek stosuje się 96-proc. alkohol etylowy (etanol). W zależności od przyjętej procedury etanol dodaje się do soku z ziemniaków do uzyskania stężeń 10 i 30% (v/v). Roztwory wytrząsa się w 4 C przez 60 min, a następnie wiruje i zbiera powstały osad. Metoda jest jednak relatywnie droga i nie znalazła szerszego zastosowania. Strącanie siarczanem amonu NH 4 (SO 4 ) 2. Strącenie białek prowadzi się w obecności różnych stężeń NH 4 (SO 4 ) 2. Technika ta wykorzystuje różnice w rozpuszczalności białek w obecności wysokiego stężenia soli (Moore, Kery 2009). Do soku z ziemniaków dodaje się odpowiednią ilość NH 4 (SO 4 ) 2 w celu uzyskania danego stężenia związku strącającego. Roztwory wytrząsa się w 4 C przez 90 min i kolejno wiruje w celu rozdzielenia otrzymanego osadu białkowego od supernatantu (Waglay i in. 2014). Jest to jedna z najstarszych metod izolacji białek, może służyć jako etap pośredni w procesie oczyszczania białek lub jako samodzielna procedura (Moore, Kery 2009). Wykorzystywana jest m.in. do izolacji przeciwciał używanych do wykrywania i identyfikacji patogenów ziemniaka (Stochła, Przewodowski 2014). Metoda kwasowo-termiczna. Sok z ziemniaków zakwasza się 0,5 M H 2 SO 4 do uzyskania odpowiednio niskiego ph, a następnie mieszaniny inkubuje się w temperaturze 100 C przez 2 min. Ochłodzone w łaźni lodowej mieszaniny wiruje się w celu uzyskania strąconego preparatu białkowego. Obecnie jedyną przemysłową metodą odzysku białek z soku z ziemniaków jest kwasowo-termiczna koagulacja, która polega na strąceniu białek poprzez zakwaszenie roztworu oraz zastosowanie wysokiej temperatury ( C). Termiczna koagulacja jest procesem wydajnym, gdyż jak podaje Waglay i inni (2014), można uzyskać tym sposobem do 90% całkowitej ilości białek zawartych w soku ziemniaczanym. Otrzymane białka są jednak bardzo słabo rozpuszczalne i nieaktywne enzymatycznie (Miedzianka i in. 2014, Waglay i in. 2014). Z tego powodu nie znajdują one dalszego zastosowania i wykorzystuje się je głównie jako dodatki do pasz dla zwierząt (Tuśnio i in. 2011). W Zakładzie Nasiennictwa i Ochrony Ziemniaka (ZNiOZ) w Boninie przeprowadzono doświadczenia mające na celu porównanie wydajności kilku fizykochemicznych metod izolacji białek z soku ziemniaczanego. Materiał do izolacji przygotowano ze skrobiowej odmiany ziemniaka Kuba. Umyte bulwy roztarto i dodano substancje zapobiegające ciemnieniu soku. Ekstrakt podzielono na równe porcje i przeprowadzono izolację białek różnymi metodami, a ich ilość w preparatach oznaczono metodą µbradford. Najwięcej białka uzyskano poprzez koagulację kwasowo-termiczną. Miedzianka i inni (2012) również uzyskali najwyższą skuteczność tej metody. Najmniej białek otrzymano poprzez strącanie alkoholem etylowym (rys. 2), a relatywnie dużo w supernatantach otrzymanych podczas strącania białek przy użyciu niskich stężeń NH 4 (SO 4 ) 2.

4 54 Ziemniak Polski 2016 nr 4 Rys. 2. Ilość białka uzyskana podczas izolacji białek z soku z ziemniaków metodami fizykochemicznymi. Źródło: badania własne Metody fizykochemiczne wyróżniają się wysoką skutecznością izolacji białek z soku z ziemniaków, lecz ich częstą wadą jest nieodwracalne uszkodzenie struktury białek. Zasadniczo każda z procedur fizykochemicznych ma czynnik, który może powodować nieodwracalną dezaktywację czy denaturację aktywnego białka. Obecnie poszukuje się takich metod odzysku białek z płynnych odpadów przemysłu ziemniaczanego, które zagwarantują wysoką wydajność izolacji przy jednoczesnym zachowaniu aktywności enzymatycznej białek, które mogłyby zostać ponownie wykorzystane lub sprzedawane jako produkt handlowy. Literatura Barnett C., Smith A., Scanlon B., Israilides C. J Pullulan production by Aureobasidium pullulans growing on hydrolysed potato starch waste. Carbohydr. Polym. 38: ; 2. Dzwonkowski W Przemysł ziemniaczany (skrobiowy). Wyd. 1. Fundacja Fundusz Współpracy Warszawa; 3. Jin B., Van Leeuwen H. J., Patel B., Doelle H. W., Yu Q Production of fungal protein and glucoamylase by Rhizopus oligosporus from starch processing wastewater. Process. Biochem. 6: 59-65; 4. Lasik M., Nowak J., Kent C. A., Czarnecki Z Assessment of Metabolic Activity of Single and Mixed Microorganism Population Assigned for Potato Wastewater Biodegradation. Pol. J. Environ. Stud. 11: ; 5. Laufenberg G., Kunza B., Nystroem M Transformation of vegetable waste into value added products: (A) the upgrading concept; (B) practical implementations. Bioresour. Technol. 87: ; 6. Markiewicz M Analiza instalacji do uzyskiwania frakcji białek z odpadów wód sokowych pokrochmalniczych. Pr. magister. Politech. Koszalińska; 7. Markiewicz M., Przewodowska A., Przewodowski W., Stochła W Wykorzystanie chromatografii membranowej do odzyskiwania białek aktywnych biologicznie z odpadów przemysłu skrobiowego. Rocz. Ochr. Śr. 17: ; 8. Miedzianka J., Pęksa A., Aniołowska M Properties of acetylated potato protein preparations. Food Chem. 133: ; 9. Miedzianka J., Pęksa A., Pokora M., Rytel E., Tajner-Czopek A., Kita A Improving the properties of fodder potato protein concentrate by enzymatic hydrolysis. Food Chem. 159: ; 10. Moore P. A., Kery V High-Throughput Protein Concentration and Buffer Exchange: Comparison of Ultrafiltration and Ammonium Sulfate Precipitation. Methods Mol. Biol. 498: ; 11. Obidziński S., Analysis of usability of potato pulp as solid fuel. Fuel Process. Technol. 94: 67-74; 12. Pałasiński M Przemysł skrobiowy. Wyd. Nauk. Akapit Kraków; 13. Ralet M.-Ch., Gueguen J Fractionation of Potato Proteins: Solubility, Thermal Coagulation and Emulsifying Properties. Lebenson. Wiss. Technol. 33: ; 14. Schoenbeck I., Graf A. M., Leuthold

5 Ziemniak Polski 2016 nr 4 55 M., Pastor A., Beutel S., Scheper T Purification of high value proteins from particle containing potato fruit juice via direct capture membrane adsorption chromatography. J. Biotechnol. 168: ; 15. Stochła W., Przewodowski W Wybrane metody otrzymywania przeciwciał do wykrywania i identyfikacji patogenów ziemniaka. Ziemn. Pol. 3: ; 16. Suck K., Walter J., Menzel F., Tappe A., Kasper C., Naumann C., Zeidler R., Scheper T Fast and efficient protein purification using membrane adsorber systems. J. Biotechnol. 121: ; 17. Tuśnio A., Pastuszewska A. B., Świech E., Taciak M Response of young pigs to feeding potato protein and potato fibre nutritional, physiological, and biochemical parameters. Anim. Feed Sci. Technol. 20: ; 18. Waglay A., Karboune S., Alli I Potato protein isolates: recovery and characterization of their properties. Food Chem. 142: ; 19. Zhang T., Liu H., Fang H. H Biohydrogen production from starch in wastewater under thermophilic condition. J. Environ. Manage. 69, 2: ; 20. Zhang H., Zhou X., Dong J., Zhang G., Wang C A novel family of green ionic liquids with surface activities. Sci. China Ser. B: Chemistry. 50, 2: ; 21. Zwijnenberg H. J., Kemperman A. J. B., Boerrigter M. E., Lotz M., Dijksterhuis J. F., Paulsen P. E., Koops G.-H Native protein recovery from potato fruit juice by ultrafiltration. Desalination 144, 1-3: