Тваринництво та технології харчових продуктів

Біотехнологічні рішення для покращення якості та екологічності цукру в харчовій промисловості

Світлана Присташ, Олег Письменний, Юрій Задорожній
Завантажити статтю
Анотація

Виробництво цукру має значний вплив на навколишнє середовище, що зумовлює необхідність впровадження більш ефективних та екологічно чистих технологій. Однією з таких альтернатив є використання біотехнологічних підходів для покращення якості цукрових сиропів та виробництва органічного цукру без застосування хімічних речовин. Метою даної роботи було оцінити ефективність ферментативних методів очищення сиропів з використанням пектинезу та амілоглюкозидази і визначити їх вплив на якість кінцевого продукту, а також дослідити можливості переробки побічних продуктів цукрового виробництва в корисні субстрати для інших галузей харчової промисловості. Для досягнення поставленої мети використовували методи ферментативного очищення та ультрафільтрації. В ході експериментів було отримано сироп із залишковим вмістом пектину 0,02 % ± 0,005 та вмістом крохмалю не більше 0,01 %, що свідчило про високий рівень очищення. Комбіноване використання ферментативного та мембранного методів дозволило підвищити стабільність процесу та збільшити продуктивність до 120 л сиропу на годину, що також сприяло зниженню енерговитрат на 8 % та скороченню тривалості технологічних стадій на 10 %. Результати показали, що ферментативне очищення сиропу знизило рівень домішок у мелясі та сприяло підвищенню виходу біоетанолу до 88 % ± 2, що на 9 % вище, ніж у контрольній групі. Встановлено, що корм, отриманий з жому після біотехнологічної обробки, має високі показники якості: зниження вологості до 10 % ± 0,5, зменшення мікробної активності до 5 × 103 КУО/г та підвищення механічної міцності гранул до 92 % ± 4. Отримані результати продемонстрували значні переваги ферментативних технологій, зокрема зниження витрат на хімічні реагенти та утилізацію відходів. Практичне значення роботи полягає в тому, що використання біотехнологічних методів дозволяє значно підвищити ефективність виробництва органічного цукру та кормів, сприяючи зменшенню навантаження на навколишнє середовище

Ключові слова

хімічні домішки; ферментативне очищення; мембранне очищення; меласа; побічні продукти

ЦИТУВАТИ
Prystash, S., Pysmennyi, O., & Zadorogniy, Yu. (2025). Biotechnological solutions for improving the quality and environmental friendliness of sugar in the food industry. Animal Science and Food Technology, 16(1), 109-125. https://doi.org/10.31548/animal.1.2025.109
Використані джерела

[1] Adbhai, A.R., Dewanjee, S., Patel, K.G., & Karmakar, N. (2022). Sugar beet molasses production and utilization. In V. Misra, S. Srivastava & A. Kumar Mall (Eds.), Sugar beet cultivation, management and processing (pp. 885-904). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-19-2730-0_44.

[2] Alekseieva, K., Maletych, M., Ptashchenko, O., Baranova, O., & Buryk, Z. (2023) State business support programs in wartime conditions. Economic Affairs, 68(1), 231-242. doi: 10.46852/04242513.1s.2023.26.

[3] Atiyeh, H.K., & Duvnjak, Z. (2005). Purification of fructose syrups produced from cane molasses media using ultrafiltration membranes and activated carbon. Separation Science and Technology, 39(2), 341-362. doi: 10.1081/SS-120027562.

[4] Babu, A.S., & Adeyeye, S.A.O. (2024). Extraction of sugar from sugar beets and cane sugar. In S.M. Jafari & S. Akhavan-Mahdavi (Eds.), Extraction Processes in the Food Industry (pp. 177-196). London: Woodhead Publishing. doi: 10.1016/B978-0-12-819516-1.00007-7.

[5] Bekbayev, K., Mirzoyan, S., Toleugazykyzy, A., Tlevlessova, D., Vassilian, A., Poladyan, A., & Trchounian, K. (2024). Growth and hydrogen production by Escherichia coli during utilization of sole and mixture of sugar beet, alcohol, and beer production waste. Biomass Conversion and Biorefinery, 14(1), 909-919. doi: 10.1007/s13399-022-02692-x.

[6] Bezpala, A., Shapoval, A., Savailo, D., Demydova, A., & Piven, O. (2024). Sugar production waste and their rational use. Bulletin of the NTU “KhPI”. Series: New Solutions in Modern Technology, 21(3), 17-24. doi: 10.20998/2413-4295.2024.03.03.

[7] Bicas, J.L., Silva, J.C., Dionísio, A.P., & Pastore, G.M. (2010). Biotechnological production of bioflavors and functional sugars. Food Science and Technology, 30(1), 7-18. doi: 10.1590/S0101-20612010000100002.

[8] Biyashev, B., Drobitko, A., Markova, N., Bondar, A., & Pismenniy, O. (2023). Chemical analysis of the state of Ukrainian soils in the combat zone. International Journal of Environmental Studies, 81(1), 199-207. doi: 10.1080/00207233.2023.2271754.

[9] Breus, D., Nikonchuk, N., & Pismennyi, O. (2024). Influence of war on the forest plantations of the Left Bank Kherson region. European Journal of Forest Engineering, 10(2), 123-132. doi: 10.33904/ejfe.1478132.

[10] Bueno-Zabala, K.A., Lopresto, C.G., Calabro, V., Curcio, S., Ruiz-Colorado, A.A., & Chakraborty, S. (2020). Optimized production of glucose syrup and enzyme membrane reactor using in situ product recovery. Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(49), 21305-21311. doi: 10.1021/acs.iecr.0c04636.

[11] Bulgakov, V., Adamchuk, V., Nozdrovický, L., & Ihnatiev, Y. (2017). Theory of vibrations of sugar beet leaf harvester front-mounted on universal tractor. Acta Technologica Agriculturae, 20(4), 96-103. doi: 10.1515/ata-2017-0019.

[12] Bušić, A., Marđetko, N., Kundas, S., Morzak, G., Belskaya, H., Ivančić Šantek, M., Komes, D., Novak, S., & Šantek, B. (2018). Bioethanol production from renewable raw materials and its separation and purification: A review. Food Technology and Biotechnology, 56(3), 289-311. doi: 10.17113/ftb.56.03.18.5546.

[13] Garcia-Aguirre, M., Saenz-Alvaro, V.A., Rodriguez-Soto, M.A., Vicente-Magueyal, F.J., Botello-Alvarez, E., Jimenez-Islas, H., Cárdenas-Manríquez, M., Rico-Martínez, R., & Navarrete-Bolanos, J.L. (2009). Strategy for biotechnological process design applied to the enzymatic hydrolysis of agave fructo-oligosaccharides to obtain fructose-rich syrups. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 57(21), 10205-10210. doi: 10.1021/jf902855q.

[14] Hernández-Pérez, A.F., Jofre, F.M., de Souza Queiroz, S., de Arruda, P.V., Chandel, A.K., & de Almeida Felipe, M.D. (2020). Biotechnological production of sweeteners. In M.L. Verma & A.K. Chandel (Eds.), Biotechnological production of bioactive compounds (pp. 261-292). London: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-444-64323-0.00009-6.

[15] Hubbuch, J., & Kula, M.R. (2007). Isolation and purification of biotechnological products. Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics, 32(2), 99-127. doi: 10.1515/JNETDY.2007.004.

[16] Kolisnik, M., & Polishchuk, V. (2023). Formation of yield and quality of sugar beet seeds depending on the use of absorbent. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 19(5), 1-9. doi: 10.31548/dopovidi5(105).2023.011.

[17] Kovalenko, G.V. (2019). Economics and organisation of the biotechnology industry. Mykolaiv: Mykolaiv National Agrarian University.

[18] Kwan, T.H., Ong, K.L., Haque, M.A., Kulkarni, S., & Lin, C.S. (2019). Biorefinery of food and beverage waste valorisation for sugar syrups production: Techno-economic assessment. Process Safety and Environmental Protection, 121, 194-208. doi: 10.1016/j.psep.2018.10.018.

[19] Lima, D.M., Fernandes, P., Nascimento, D.S., Rita de Cássia, L., Ribeiro, F., & de Assis, S.A. (2011). Fructose syrup: A biotechnology asset. Food Technology and Biotechnology, 49(4), 424-434.

[20] Martínez, E.A., Canettieri, E.V., Bispo, J.A., Giulietti, M., De Almeida e Silva, J.B., & Converti, A. (2015). Strategies for xylitol purification and crystallization: A review. Separation Science and Technology, 50(14), 2087-2098. doi: 10.1080/01496395.2015.1009115.

[21] McKelvey, S.M., & Murphy, R.A. (2017). Biotechnological use of fungal enzymes. In K. Kavanagh (Ed.), Fungi: Biology and applications (3rd ed.) (pp. 201-225). London: John Wiley & Sons. doi: 10.1002/9781119374312.ch8.

[22] Meghana, M., & Shastri, Y. (2020). Sustainable valorization of sugar industry waste: Status, opportunities, and challenges. Bioresource Technology, 303, article number 122929. doi: 10.1016/j.biortech.2020.122929.

[23] Muir, B.M. (2022). Sugar beet processing to sugars. In V. Misra, S. Srivastava & A. Kumar Mall (Eds.), Sugar beet cultivation, management and processing (pp. 837-862). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-19-2730-0_42.

[24] Muir, B.M., & Anderson, A.R. (2022). Development and diversification of sugar beet in Europe. Sugar Tech, 24(4), 992-1009. doi: 10.1007/s12355-021-01036-9.

[25] Nabiyev, A., Kazimova, İ., Mammadaliyeva, M., Maharramova, S., Nasrullayeva, G., & Yusifova, M. (2024). Determining biochemical qualitative indicators of grapes during long-term storage. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(11(128)), 64-75. doi: 10.15587/17294061.2024.302794.

[26] Nawaz, M.Z., Bilal, M., Tariq, A., Iqbal, H.M., Alghamdi, H.A., & Cheng, H. (2021). Biopurification of sugar industry wastewater and production of high-value industrial products with a zero-waste concept. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 61(21), 3537-3554. doi: 10.1080/10408398.2020.1802696.

[27] Nikulshyn, V., Denysova, A., Melnyk, S., Vysocin, V., & Andriushchenko, A. (2022). Energy performance and energy saving options in sugar production systems. International Science Journal of Engineering & Agriculture, 1(3), 143-151. doi: 10.46299/j.isjea.20220103.12.

[28] Olsen, H.S. (1995). Enzymatic production of glucose syrups. In M.W. Kearsley & S.Z. Dziedzic (Eds.), Handbook of starch hydrolysis products and their derivatives (pp. 26-64). Boston: Springer. doi: 10.1007/978-1-4615-2159-4_2.

[29] Osokina, N., Herasymchuk, O., Kostetska, K., Podopriatov, H., & Piddubnyi, V. (2024). Modes and methods of treatment of blackcurrant pomace with an enzyme preparation to increase juice yield. Scientific Horizons, 27(4), 35-49. doi: 10.48077/scihor4.2024.35.

[30] Panasiuk, S., & Myskovets, M. (2023). Innovative technology of diabetic jelly-fruit marmalade production. Commodity Bulletin, 16(1), 73-84. doi: 10.36910/6775-2310-5283-2023-17-6.

[31] Peters, D. (2006). Carbohydrates for fermentation. Biotechnology Journal: Healthcare Nutrition Technology, 1(7‐8), 806-814. doi: 10.1002/biot.200600041.

[32] Rajaeifar, M.A., Hemayati, S.S., Tabatabaei, M., Aghbashlo, M., & Mahmoudi, S.B. (2019). A review on beet sugar industry with a focus on implementation of waste-to-energy strategy for power supply. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 103, 423-442. doi: 10.1016/j.rser.2018.12.056.

[33] Shahini, E., Shebanina, O., Kormyshkin, I., Drobitko, A., & Chernyavskaya, N. (2024) Environmental consequences for the world of Russia’s war against Ukraine. International Journal of Environmental Studies, 81(1), 463-474. doi: 10.1080/00207233.2024.2302745.

[34] Singh, P., & Kumar, S. (2019). Microbial enzyme in food biotechnology. In M. Kuddus (Ed.), Enzymes in food biotechnology (pp. 19-28). London: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-12813280-7.00002-5.

[35] Singh, R.S., Chauhan, K., & Singh, R.P. (2017). Enzymatic approaches for the synthesis of high fructose syrup. In S.K. Gahlawat, R.K. Salar, P. Siwach, J.S. Duhan, S. Kumar & P. Kaur (Eds.), Plant biotechnology: Recent advancements and developments (pp. 189-211). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-10-4732-9_10.

[36] Singh, S.P., Jawaid, M., Chandrasekar, M., Senthilkumar, K., Yadav, B., Saba, N., & Siengchin, S. (2021). Sugarcane wastes into commercial products: Processing methods, production optimization and challenges. Journal of Cleaner Production, 328, article number 129453. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.129453.

[37] Steinwand, M.A., & Ronald, P.C. (2020). Crop biotechnology and the future of food. Nature Food, 1(5), 273-283. doi: 10.1038/s43016-020-0072-3.

[38] Sukphun, P., Wongarmat, W., Imai, T., Sittijunda, S., Chaiprapat, S., & Reungsang, A. (2023). Two-stage biohydrogen and methane production from sugarcane-based sugar and ethanol industrial wastes: A comprehensive review. Bioresource Technology, 386, article number 129519. doi: 10.1016/j.biortech.2023.129519.

[39] Vandamme, E.J., Van Loo, J., Machtelinckx, L., & De Laporte, A. (1987). Microbial sucrose phosphorylase: Fermentation process, properties, and biotechnical applications. Advances in Applied Microbiology, 32, 163-201. doi: 10.1016/S0065-2164(08)70080-7.