Enzimkezelt feketeribizli besűrítése hiperszűréssel Concentrating of enzyme pretreated blackcurrant juice by hyperfiltration
Szép Angéla, Kertész Szabolcs, Süveges Hajnalka, Hodúr Cecilia, Szabó Gábor Szegedi Tudományegyetem Mérnöki Kar Szeged, Moszkvai krt. 5-7. Summary The aim of this study was to examine the effect of the different enzyme pretreatment and to examine the applicability of the hyperfiltration for the concentration of blackcurrant juice. The blackcurrant is an important and popular fruit which has great biological impact. It contains macro- and micro elements, mineral salts and vitamins in a great amount which has beneficial effect to human health. Our aim was to prepare concentrated blackcurrent juice by hyperfiltration and preserving the valuable components of the berry. The advantage of membrane separation comparing with the traditional methods is well known, it can work on low temperature and avoids the chemical preservatives.. Paterson Candy International (PCI) apparatus was used for the concentration equipped with tubular B1 module., i.e. RO membrane was applied, the salt retention of the membrane was 99%, and active membrane area was 0,9 m2. The concentration of the juice was carried out on 20 °C, on 60 bar.. The applied low temperature (26-30 °C) preserved the valuable components (anthocyanins, phenols, C-vitamin) and the antioxidant capacity during the process. The total soluble solids (TSS) content of the fresh juice was 16,5 °Brix. The effects of enzymatic pretreatment on the permeate flux have been evaluated by two enzymes (Pectinase from Aspergillius Aculeatus, Cellobiase from Aspergillius niger). For the control sample, the permeate flux was the lowest and the maximum TSS of the concentrate reached was the lowest at 22,5 °Brix. The highest permeate flux was achieved during the concentration of juice that has been previously pretreated by Cellobiase from Aspergillius niger. It can be concluded that the applied RO membrane was suitable for concentration of blackcurrant juice up to 29,5 °Brix with a pretreatment by Cellobiase enzime originated from from Aspergillius niger. Bevezetés Az értékes anyagokat tartalmazó bogyós gyümölcsök közül a feketeribizlivel (Ribes nigrum) végeztünk méréseket, mivel ennek gyümölcsnek igen magas a beltartalmi értéke, mind vitaminok, mind ásványi anyagok, mind pedig a cellulóz- és pektin-tartalom tekintetében [1]. Ezt a Cvitaminban gazdag gyümölcslevet membránszűréssel töményítettük, ezen igen hőérzékeny anyagok megóvása érsekében. Az élelmiszeriparban alkalmazott különböző besűrítési módszerek közül tehát a nyomáskülönbségen alapuló membrános eljárásokhoz tartozó reverz ozmózist (RO) vagy hiperszűrést alkalmaztuk. Az RO hidrodinamikai paraméterei között a szűrendő anyag viszkozitása igen jelentős intenzitástényezőként szerepel, csakúgy, mint a klasszikus szűrési műveleteknél, tehát a préseléssel
nyert gyümölcslé magas pektin- és cellulóztartalma üzemviteli szempontból nem kedvező. Az enzimes lebontás lehetőségét vizsgálva, a kísérleteinkél összehasonlítottuk a különböző enzimek (cellobiáz, pektináz és a két enzimet együtt) hatását a membránszűrés fluxusára, a gyümölcslé szűrhetőségére, a szűrési hatékonyságra. A mérések célja a pektin- és cellulóz-tartalmú gyümölcslevek enzimkezelés hatására bekövetkező szűrhetőségének vizsgálata. Egy cellobiáz és egy pektináz enzimmel történő előkezelés hatásának vizsgálatát végeztük el a feketeribizli-lé esetében. Vizsgáltuk a kezeletlen, valamint különböző enzimekkel: cellobiázzal és pektinázzal végzett kezelések hatását a membránszűrés fluxusára külön-külön, valamint a két enzim együttes alkalmazása esetén is. A besűrítéses kísérletek során célunk, hogy figyeljük, hogy melyik enzimes
előkezeléssel érhetjük el a legnagyobb szárazanyag tartalmat és energetikai szempontjából, melyik a legkedvezőbb.
Kísérleti anyagok és módszerek A besűrítést PCI membránszűrő berendezéssel (Tubular RO System) végeztük. Kísérleteinkhez AFC99 reverz ozmózis membránt használtunk, ahol az ideális nyomástartomány 40-60 bar. A berendezést speciálisan laboratóriumi vagy félüzemi munkákhoz tervezték. A berendezésbe egy PCI Bl modult helyeztünk, melynek a membrán aktív szűrési felülete 0.9 m2. A berendezés egy 1.2 m hosszú, tubuláris (csöves) elrendezésű, kereskedelmileg védett rendszer, amelynek csöveiben a szétválasztandó folyadék turbulensen áramlik. Ezt egy speciálisan tervezett végsapka biztosítja, amely mind a 18 csővel kapcsolódik. A membrán felületére tangenciálisan bevezetett (cross-flow) betáp gyümölcslé öntisztítást eredményez, ami minimálisra csökkenti az eltömődést [2]. A kísérleteinkhez használt RO membrán két oldalán mérhető nyomáskülönbség értéket ( trans membrane pressure TMP) a nyomásváltoztatásos méréseinknél 20-70 bar között változtattuk a besűrítéseknél, pedig 60 bar-t alkalmaztunk [3]. Az anyagáramot vagy fluxust (J, [lm-2h-1]), az adott nyomás mellett, egységnyi idő alatt, egységnyi felületen átáramlott anyagmennyiséget, adott térfogatú (1 liter) permeátum mérésével számoltuk [4]. AFC99 membránt alkalmaztunk, ami o poliamidból készült. 3-11 PH tartományban 70 C-ig 70 bar nyomásig alkalmazható [5]. A NaCl visszatartása, pedig 99%-os, és éppen ezen tulajdonsága miatt választottuk kísérleteinkhez, mert így tudtuk a legtöbb ásványi anyagot megtartani a sűrítményben. A feketeribizli-lé enzimes előkezelésének lényege, hogy a gyümölcs sejtfalát alkotó cellulóz és pektin rostokat minél kisebb elemi összetevőkre (mono és disacharidokra bontsuk, így gyengítsük a
gyümölcslé vízkötő képességét és a viszkozitás csökkentésével növeljük az áramoltathatóságot, ami a fluxus növeléséhez vezet [6]. A kísérleteimhez használt enzimek: Aspergillius acullátus által termelt pektináz (Pectinase from Aspergillius Aculeatus) ami a pektin-kötéseket hasítja, ill. egy cellobiáz enzim, a Novozime 188 márka nevű Cellobiase from Aspergillius niger. Az enzimes előkezelések: a.) 1 nap, szobahőmérséklet, 8ml Novozyme 188 cellobiáz enzim 20 l előszűrt ribizli léhez. b.) 1 nap, szobahőmérséklet 8ml Aspergillius aculatus által termelt pektináz enzim 20 l előszűrt ribizli léhez. c.) 1 nap, szobahőmérsékleten, 2*8ml mind a két enzimből 20 l előszűrt ribizli léhez. A besűrítést 40 l ribizlilével 60 bar-on folyamatos cirkuláltatással végeztük. Eredmények: Elsőként az enzimekkel előkezelt feketeribizlilé, különböző nyomáson végzett szűrési eredményeit mutatjuk be. J [l/m 2h] 25 20 15 10 5 0 20
30
40
50
60
70 TMP [bar]
Novozym
1.
Pectinase
2 enzim együtt
Kontrol
ábra Enzimek kezelések hatása a fluxusra különböző nyomásértékek esetén.
Az ábráról jól látható, hogy 30 bar-nál csak cellobiázzál előkezelt feketeribizli-lé mutat mérhető fluxust. A pektinázzal előkezelt és a 2 enzimmel
TSS [°Brix]
együtt előkezelt feketeribizli leveknél csak 40 baron kaptunk permeátumot. Valószínűsíthetjük, hogy a cellobiáz enzim a cellulóz láncra jelentékenyebb hatást fejt ki, mint a pektináz a pektinláncra. Ennek következtében a cellobiázzal kezelt minták viszkozitás értékei oly mértékben lecsökkennek, hogy már 30 bar is elegendő hajtóerőnek bizonyul a szűrési ellenállás legyőzéséhez. A különböző módon előkezelt minták nyomásváltoztatás hatására kialakult fluxus értékei között mutatkozó különbségeket, nem tekinthetjük szignifikánsnak, de kétségtelenül következetesen a cellobiázzal kezelt minták mutatnak minden esetben nagyobb fluxus értékeket. Míg a kontrol és a pektinázzal előkezelt minták egyenesének egyenletei közel esnek egymáshoz és 50-bar-nál metszik egymást. A kezeletlen mintákhoz viszonyított fluxus növekmények azonban a kezelt mintákéihoz képest szignifikáns változást jelentenek. A 2. ábrán az enzimekkel előkezelt és a kontrol minták besűrítési eredményeit mutatjuk be. Ábrázoltuk az idő függvényében az oldatok összoldható szárazanyag tartalmát (TSS) °Brix –ban kifejezve. 31 29 27 25 23 21
Novozyme Pectinase 2 enzim együtt Kontrol
19 17
cellobiáz enzimmel kezelt minták esetében 29.5 o Brix, míg a két enzimmel együttesen kezelt feketeribizli-lénél 28.5 oBrix a véglegesen mért érték. Az ábráról az is leolvasható, hogy a kezeletlen minták besűrítése mintegy 130 perc alatt befejeződött, azaz a függvénytelítési szakaszba hajlott át, azaz az idő előre haladtával már nem változott a minták TSS értéke, a kialakult ellenállás érékek már nagyobbnak bizonyultak, mint a hajtóerőként alkalmazott 60 bar. Az enzimmel előkezelt mintáknál ez a telítési szakasz később cellobiáznál 200 perc, pektináznál 160 perc – ill. a két enzim együttes alkalmazásánál még 270 perc után sem állt be. Az ábráról az is kitűnik, hogy a szárazanyag tartalom növekedése a Novozyme188 cellobiáz készítménnyel kezelt mintáknál volt a legintenzívebb és a legmagasabb TSS értéket is ezen mintáknál kaptuk (220 perc 29.5 oBrix). Ugyanakkor a két enzimmel előkezelt gyümölcslé esetében tudtunk a leghosszabb besűrítési időt alkalmazni, és tovább folytatott mérések esetében itt is elértük volna a 29.5 oBrix-t. Meghatároztuk a különböző enzimekkel előkezelt feketeribizli-levek besűrítése során kialakuló szűrési ellenállás értékeket. Az össz-ellenállás értékét három fő összetevőre bonthatjuk: membrán által kifejtett ellenállás (RM: Membrane resistance), a szűrés során a membrán felszínén kialakuló gélréteg/polarizációs réteg ellenállása (RG: Gel-layer resistanse) és a membrán belsejében jelentkező eltömődések által létrejövő ellenállás (RF: Fouling resistance).
15 0
2.
50
100
150
200
250 300 Idő [perc]
ábra A szárazanyag tartalom változása a különböző enzim kezelések utáni besűrítések során.
Az ábráról jól látható, hogy a különböző enzimes kezelések során a kezdeti szárazanyag tartalom, 15-17 oBrix, a besűrítés végére az előkezelések függvényében változott. A kezeletlen, kontroll minták esetében 22 oBrix, az Aspergillius aculeatus által termelt pektináz enzimmel előkezelt minták esetén 26.5 oBrix, a Novozyme 188, azaz
RT = RM + RG + RF
[1]
A membrán ellenállást (RM) vízfluxus mérésével, még a szűrés megkezdése előtt határoztuk meg, hiszen így az eltömődési és a gélréteg ellenállásával nem kell számolnunk [2. egyenlet]. ∆p a nyomás különbség a membrán két oldala között, a JW a tiszta víz fluxusa és a ηW víz dinamikai viszkozitása.
RM =
∆p J w ⋅η w
[2]
A teljes ellenállási értékét a besűrítést követően mért víz fluxust értékekből lehet meghatározni [3 egyenlet], ahol a JF a víz fluxus a besűrítést követően. RT =
∆p − RM J wF ∗η W
[3]
A membrán felületére felrakódott gélréteg eltávolítása után mért vízfluxus értékekből az eltömődési ellenállás számolható. RF =
∆p − RM J wF ∗ηW
[4]
Igy tehát a gélréteg ellenállásást a:
RG = RT − RF − RM
enzimkezeléshez választott paraméterek a cellulózbontás számára kedvezőbb, a hosszú láncú molekula – ami a gélréteg kialakulásának kedvez – apróbb szerkezeti elemekké, mono-, ill. diszacharidokká darabolódik, ami viszont az eltömődésnek, a membránba történő behatolásnak kedvez. A két ellenállási érték együttes összege, a cellobiázzal történő kezelést követően, alatta marad a másik két minta össz-ellenállásának. A membránellenállás értékek közel azonosak mindegyik esetben, ami azt mutatja, hogy a besűrítések között sikerült a membrán eredeti áteresztőképességét az alkalmazott lúgos-savas mosás sorozattal visszaállítani.
[5]
összefüggéssel számolhatjuk ki [7].
A 3. ábrán a különböző enzimekkel előkezelt feketeribizli-levek besűrítése során kialakuló szűrési ellenállás értékeket mutatjuk be. 1,6E+15 1,4E+15 1,2E+15
Összefoglalás A szűrési-, besűrítési kísérletek és a szűrési ellenállások meghatározása alapján a következő megállapításokat tehetjük: Az enzimes előkezelés minden esetben megkönnyítette a szűrés műveletét, növelte a permeátum fluxusát. Azonos nyomásérték (60 bar) és azonos időtartamú szűrés esetén a cellobiázzal kezelt minták esetében érhető el a legmagasabb szárazanyag tartalom (29.5 %).
1,0E+15 8,0E+14 6,0E+14 4,0E+14 2,0E+14 0,0E+00 RT Novozyme
3.
RM Pectinase
RF RG 2 enzim együtt
ábra A különböző enzimekkel előkezelt feketeribizli-lé ellenállási értékeinek összehasonlítása.
Az ellenállási értékek ábrázolásából egyértelműen látszik, hogy a cellobiázzal kezelt minták szűrése esetén az eltömődési, míg a másik két minta esetén a gélréteg ellenállás a számottevő az össz-ellenállás kialakításánál. Ez a tény jól alátámasztja azt a feltevésünket, hogy az
A teljes szűrési ellenállás érték a cellobiáz enzimmel előkezelt minták esetében alakult ki, ez magyarázza a legmagasabb fluxus értéket. A cellobiáz enzimmel kezelt minták eltömődési ellenállási értékei szignifikánsan nagyobbak, míg a gélréteg ellenállás értékei szignifikánsan kisebb értékek, a másként kezelt mintáknál mért értékekhez képest. Mindezek alapján az üzemi gyakorlat számára azt a javaslatot tehetjük, hogy a szűrési előkezelési lehetőségek közül a cellobiáz enzimmel történő
előkezelést célszerű választani, mert ez a fluxus tekintetében 64%-os növekedést jelent és az időegység alatt elérhető szárazanyag tartalom is ebben az esetben a legmagasabb.
Irodalomjegyzék [1] www.vitaminsziget.com/cikk.php.?=201 (2008.01.24.) [2] Laboratóriumi UF/RO Berendezés működtetési és karbantartási utasításai, kiadási szám.rop 1190 [3] Fábry Gy. (1992) Az élelmiszer-ipari eljárások és berendezések, Mezőgazdasági Kiadó, Budapest pp. 624-628.
[4] Bélafiné dr. Bakó Katalin (2002) Membrános műveletek, Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém pp. 12-13 [5] http://www.pciproducts.com/dsp_product.c fm?ServicelID=109 (2007.05.15) [6] Koroknai B. (2006) Kíméletes környezetbarát membrános műveletek integrált alkalmazása gyümölcslevek koncentrálására, PhDértekezés, Pannon Egyetem pp. 15-17. [7] Kertész Sz., Pap N, Bánvölgyi Sz., Vincze I., Vatai Gy., László Zs., Beszédes S., Hodúr C. (2008) Hyperfiltration of Ribes Nigrum Juice, Review of Faculty of Engineering, Analecta Technics Szegedinensia, Szeged, 2008, Norna nyomdász Kft. Kiadó pp. 56-64.
