Przechowalnictwo i przetwórstwo
F
F
F
I
I
I
Z
Z
Z
Y
Y
Y
K
K
K
O
O
O
C
C
C
H
H
H
E
E
E
M
M
M
I
I
I
C
C
C
Z
Z
Z
N
N
N
E
E
E
M
M
M
E
E
E
T
T
T
O
O
O
D
D
D
Y
Y
Y
O
O
O
D
D
D
Z
Z
Z
Y
Y
Y
S
S
S
K
K
K
I
I
I
W
W
W
A
A
A
N
N
N
I
I
I
A
A
A
B
B
B
I
I
I
A
A
A
Ł
Ł
Ł
E
E
E
K
K
K
Z
Z
Z
S
S
S
O
O
O
K
K
K
U
U
U
Z
Z
Z
I
I
I
E
E
E
M
M
M
N
N
N
I
I
I
A
A
A
K
K
K
A
A
A
mgr inż. Dorota Szarek, dr inż. Agnieszka Przewodowska IHAR-PIB, Zakład Nasiennictwa i Ochrony Ziemniaka w Boninie
e-mail: a.przewodowska@ihar.edu.pl
Streszczenie
Odpady przemysłu ziemniaczanego w postaci wycierki, soku ziemniaczanego i wody sokowej zawie-rają znaczące ilości składników organicznych. Opracowanie efektywnej metody odzyskiwania kompo-nentów białkowych zawartych w odpadach jest pożądane ze względów ekonomicznych, a uzyskane preparaty mogą być następnie użyte jako enzymy w kolejnych procesach biotechnologicznych. Po-równano 4 metody: kwasową z użyciem kwasu siarkowego H2SO4,strącanie etanolem C2H5OH,
strą-canie siarczanem amonu NH4(SO4)2 i kwasowo-termiczną. Najwięcej białka uzyskano poprzez
koagu-lację 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
rzemysł skrobiowy, który wykorzystuje ziemniaki jako surowiec do produkcji, generuje wiele odpadów organicznych w postaci wycierki, soku ziemniaczanego i wody sokowej. Pozostałości te charakteryzu-ją się stosunkowo wysoką zawartością składników odżywczych, które mogłyby zo-stać odzyskane i ponownie użyte do produk-cji biomasy (Jin i in. 1999). Problem utylizaproduk-cji 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 m3 wód sokowych (Zwijnenberg i in. 2002). Dodatkowo wody te zawierają zanie-czyszczenia powstałe podczas transportu czy mycia ziemniaków (Pałasiński 1999).
Wycierka, zwana inaczej pulpą, to przede wszystkim fragmenty ścian komórkowych zawierające resztki związanej skrobi (Mar-kiewicz i in. 2015). Podejmowano próby opracowania efektywnych metod utylizacji wycierki. Proponowano palenie jej z węglem kamiennym, ale w związku z dużą
zawarto-ścią wody oraz niską kalorycznozawarto-ścią procesu spalania odstąpiono od tej metody. Wycierka mogłaby zostać wykorzystana jako surowiec lub dodatek w procesie wytwarzania ekolo-gicznego paliwa – granulatu z materiałów roślinnych. W porównaniu ze słomą czy otrębami pulpa cechuje się niską zawarto-ścią chloru, który w przypadku dużej zawar-tości 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 wyko-rzystane jako substancje żelujące do pro-dukcji dżemów lub galaretek (Laufenberg i in. 2003).
Proces wytwarzania skrobi ziemniaczanej generuje nawet ok. 7 m3 płynnych odpadów
z tony bulw (Miedzianka i in. 2014). Ze względu na duże objętości najbardziej pro-blematycznym odpadem jest woda sokowa, czyli mocno rozcieńczony sok z ziemniaków, o niskiej zawartości suchej masy, powstający
P
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 (Scho-enbeck i in. 2013). Główną frakcję aktyw-nych białek występujących w płynaktyw-nych od-padach przemysłu ziemniaczanego stanowią patatyny (40% wszystkich białek), inhibitory
proteaz (50%) i 10% inne białka. Wobec tak dużej zawartości aktywnych składników biał-kowych i możliwości zastosowania w prze-myśle podejmowane są próby opracowania wydajnych sposobów ich izolacji (Suck i in. 2006). Przemysł ziemniaczany przerabia ziemniaki na trzy podstawowe grupy produk-tów (rys. 1).
Rys. 1. Podział przemysłu ziemniaczanego (Dzwonkowski 2004)
W próbach opracowania efektywnego sposobu utylizacji płynnych odpadów prze-mysłu 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. od-zysk białek. Wadą tej metody jest wysoka zawartość glikoalkaloidów w produkcie, wie-loetapowość procesu i niska cena produktu finalnego (Markiewicz i in. 2015). Kolejną formą przerobu wody sokowej jest zastoso-wanie jej do produkcji podłoży dla mikroor-ganizmów 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 pro-dukcji alkoholu (Markiewicz 2007).
Następnym sposobem utylizacji pozosta-łości przemysłu skrobiowego jest odzysk wodoru ze skrobi podczas fermentacji bez-tlenowej (Zhang i in. 2003). Białka izolowano z płynnych odpadów przemysłu skrobiowego również poprzez strącanie kwasem siarko-wym, siarczanem amonu, etanolem, chlor-kiem żelaza(III), chlorchlor-kiem manganu(II) i kompleksowaniem z karboksymetylocelulozą (Waglay i in. 2014). Molekularnymi techni-kami stosowanymi do izolacji białek z wody sokowej są chromatografia jonowymienna kolumnowa oraz membranowa (Schoenbeck i in. 2013; Ralet, Gueguen 2000).
Metody fizykochemiczne, którymi odzy-skuje się białka z płynnych odpadów prze-mysłu ziemniaczanego, polegają na strąca-niu białek za pomocą związków chemicz-nych lub działaniu wysokiej temperatury czy też odczynem pH, ewentualnie kombinacji
kilku wariantów, a następnie odwirowaniu w celu uzyskania supernatantu i osadu białko-wego. Należą do nich:
• metoda kwasowa z użyciem kwasu siar-kowego H2SO4,
• strącanie etanolem C2H5OH,
• strącanie siarczanem amonu - NH4(SO4)2,
• metoda kwasowo-termiczna.
Metoda kwasowa z użyciem kwasu siarkowego H2SO4. W trakcie odzyskiwania
białek sok z ziemniaków zakwasza się 0,5 M H2SO4 do uzyskania pH = 2,5. Roztwór
inku-buje 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 inak-tywację enzymatyczną białek.
Strącanie etanolem C2H5OH. 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 następ-nie wiruje i zbiera powstały osad. Metoda jest jednak relatywnie droga i nie znalazła szerszego zastosowania.
Strącanie siarczanem amonu NH4(SO4)2. Strącenie białek prowadzi się w
obecności różnych stężeń NH4(SO4)2.
Tech-nika ta wykorzystuje różnice w rozpuszczal-ności białek w obecrozpuszczal-ności wysokiego stężenia soli (Moore, Kery 2009). Do soku z ziemnia-ków dodaje się odpowiednią ilość NH4(SO4)2
w celu uzyskania danego stężenia związku strącającego. Roztwory wytrząsa się w 4°C przez 90 min i kolejno wiruje w celu rozdzie-lenia 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). Wykorzysty-wana jest m.in. do izolacji przeciwciał uży-wanych do wykrywania i identyfikacji
pato-genów ziemniaka (Stochła, Przewodowski 2014).
Metoda kwasowo-termiczna. Sok z
ziemniaków zakwasza się 0,5 M H2SO4 do
uzyskania odpowiednio niskiego pH, a na-stępnie mieszaniny inkubuje się w tempera-turze 100°C przez 2 min. Ochłodzone w łaźni lodowej mieszaniny wiruje się w celu uzy-skania 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 tempe-ratury (90-100°C). Termiczna koagulacja jest procesem wydajnym, gdyż jak podaje Wa-glay i inni (2014), można uzyskać tym spo-sobem do 90% całkowitej ilości białek zawar-tych 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 wyko-rzystuje się je głównie jako dodatki do pasz dla zwierząt (Tuśnio i in. 2011).
W Zakładzie Nasiennictwa i Ochrony Ziemniaka (ZNiOZ) w Boninie przeprowa-dzono doświadczenia mające na celu po-równanie wydajności kilku fizykochemicz-nych metod izolacji białek z soku ziemnia-czanego. Materiał do izolacji przygotowano ze skrobiowej odmiany ziemniaka Kuba. Umyte bulwy roztarto i dodano substancje zapobiegające ciemnieniu soku. Ekstrakt podzielono na równe porcje i przeprowadzo-no izolację białek różnymi metodami, a ich ilość w preparatach oznaczono metodą µBradford.
Najwięcej białka uzyskano poprzez ko-agulację kwasowo-termiczną. Miedzianka i inni (2012) również uzyskali najwyższą sku-teczność tej metody. Najmniej białek otrzy-mano poprzez strącanie alkoholem etylowym (rys. 2), a relatywnie dużo – w supernatan-tach otrzymanych podczas strącania białek przy użyciu niskich stężeń NH4(SO4)2.
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 nie-odwracalne uszkodzenie struktury białek. Zasadniczo każda z procedur fizyko-chemicznych ma czynnik, który może powo-dować nieodwracalną dezaktywację czy de-naturację aktywnego białka. Obecnie poszu-kuje się takich metod odzysku białek z płyn-nych odpadów przemysłu ziemniaczanego, które zagwarantują wysoką wydajność izola-cji przy jednoczesnym zachowaniu aktywno-ści enzymatycznej białek, które mogłyby zostać ponownie wykorzystane lub sprzeda-wane jako produkt handlowy.
Literatura
Barnett C., Smith A., Scanlon B., Israilides C. J. 1999. Pullulan production by Aureobasidium pullulans
growing on hydrolysed potato starch waste. – Carbo-hydr. Polym. 38: 203-209; 2. Dzwonkowski W. 2004. Przemysł ziemniaczany (skrobiowy). Wyd. 1. Fundacja Fundusz Współpracy Warszawa; 3. Jin B., Van
Le-euwen H. J., Patel B., Doelle H. W., Yu Q. 1999.
Production of fungal protein and glucoamylase by Rhizopus oligosporus from starch processing waste-water. – Process. Biochem. 6: 59-65; 4. Lasik M.,
Nowak J., Kent C. A., Czarnecki Z. 2002.
Assess-ment of Metabolic Activity of Single and Mixed Micro-organism Population Assigned for Potato Wastewater
Biodegradation. – Pol. J. Environ. Stud. 11: 719-725;
5. Laufenberg G., Kunza B., Nystroem M. 2003.
Transformation of vegetable waste into value added products: (A) the upgrading concept; (B) practical implementations. – Bioresour. Technol. 87: 167-198;
6. Markiewicz M. 2007. Analiza instalacji do
uzyski-wania frakcji białek z odpadów wód sokowych po-krochmalniczych. Pr. magister. Politech. Koszalińska;
7. Markiewicz M., Przewodowska A., Przewodowski W., Stochła W. 2015. Wykorzystanie chromatografii
membranowej do odzyskiwania białek aktywnych bio-logicznie z odpadów przemysłu skrobiowego. – Rocz. Ochr. Śr. 17: 1699-1714; 8. Miedzianka J., Pęksa A.,
Aniołowska M. 2012. Properties of acetylated potato
protein preparations. – Food Chem. 133: 1283-1291;
9. Miedzianka J., Pęksa A., Pokora M., Rytel E., Tajner-Czopek A., Kita A. 2014. Improving the
prop-erties of fodder potato protein concentrate by
enzy-matic hydrolysis. – Food Chem. 159: 512-518;
10. Moore P. A., Kery V. 2009. High-Throughput
Pro-tein Concentration and Buffer Exchange: Comparison of Ultrafiltration and Ammonium Sulfate Precipitation. – Methods Mol. Biol. 498: 309-314; 11. Obidziński S.,
2012. Analysis of usability of potato pulp as solid fuel.
– Fuel Process. Technol. 94: 67-74; 12. Pałasiński M.
1999. Przemysł skrobiowy. Wyd. Nauk. Akapit Kraków; 13. Ralet M.-Ch., Gueguen J. 2000. Fractionation of
Potato Proteins: Solubility, Thermal Coagulation and Emulsifying Properties. – Lebenson. Wiss. Technol. 33: 380-387; 14. Schoenbeck I., Graf A. M., Leuthold
M., Pastor A., Beutel S., Scheper T. 2013.
Purifica-tion of high value proteins from particle containing potato fruit juice via direct capture membrane adsorp-tion chromatography. – J. Biotechnol. 168: 693-700;
15. Stochła W., Przewodowski W. 2014. Wybrane
metody otrzymywania przeciwciał do wykrywania i identyfikacji patogenów ziemniaka. – Ziemn. Pol. 3: 46--49; 16. Suck K., Walter J., Menzel F., Tappe A.,
Kasper C., Naumann C., Zeidler R., Scheper T. 2006. Fast and efficient protein purification using
membrane adsorber systems. – J. Biotechnol. 121: 361-367; 17. Tuśnio A., Pastuszewska A. B., Świech
E., Taciak M. 2011. Response of young pigs to
feed-ing potato protein and potato fibre – nutritional, physio-logical, and biochemical parameters. – Anim. Feed Sci.
Technol. 20: 361-378; 18. Waglay A., Karboune S.,
Alli I. 2014. Potato protein isolates: recovery and
characterization of their properties. – Food Chem. 142: 373-382; 19. Zhang T., Liu H., Fang H. H. 2003. Bio-hydrogen production from starch in wastewater under thermophilic condition. – J. Environ. Manage. 69, 2: 149-156; 20. Zhang H., Zhou X., Dong J., Zhang G.,
Wang C. 2007. A novel family of green ionic liquids
with surface activities. – Sci. China Ser. B: Chemistry. 50, 2: 238-242; 21. Zwijnenberg H. J., Kemperman
A. J. B., Boerrigter M. E., Lotz M., Dijksterhuis J. F., Paulsen P. E., Koops G.-H. 2002. Native protein
recovery from potato fruit juice by ultrafiltration. – De-salination 144, 1-3: 331-334
