Zagospodarowanie produktów ubocznych
Otręby pszenne i żytnie – budowa i skład chemiczny
Otręby to twarde zewnętrzne warstwy ziaren występujące w zbożach takich jak ryż, kukurydza, pszenica, owies, jęczmień, żyto i proso (rys.1). Otręby stanowią około 14% masy całego ziarna.
Otręby są ważnym surowcem wpływającym na właściwości prozdrowotne produktów pełnoziarnistych. Dowiedziono, że zarówno całe ziarna, jak i sama frakcja otrąb wpływają na doświadczanie uczucia głodu i sytości, a także korzystnie działają na index glikemiczny oraz mają właściwości prebiotyczne.
proteiny / % | 13,0 – 18,4 | Apprichet al. 2013; Di Lena et al. 1997; Dornez et al. 2006; Relat et al 1990; Van Craeyveld et al. 2009;Bataillon et al. 1998; Li et al. 2006; | |
tłuszcz / % | 3,5 – 6,0 | Apprichet al. 2013; Babiker et al. 2009; Hemery et al. 2007;Bataillon et al. 1998; | |
węglowodany / % | skrobia | 13,8 – 29,0 | Dornez et al. 2006; Hemery et al. 2007; Relat et al 1990;Bataillon et al. 1998; Li et al. 2006; |
celuloza | 5,6 – 12,0 | Hemery et al. 2007; Fardet 2010;Bataillon et al. 1998; Rakha et al. 2010; Kamal-Eldin et al. 2009; | |
hemicelulozy | 20,8 – 33,0 | Dornez et al. 2006; Gebruers et al. 2008; Fardet 2010; | |
w tym arabinoksylan | 10,9 – 26,0 | Dornez et al. 2006; Gebruers et al. 2008; Hemery et al. 2007;Bataillon et al. 1998; | |
błonnik (celuloza, hemicelulozy i inne) | 27-53 | Rakha et al. 2010; Fardet 2010; Kamal-Eldin et al. 2009; Stevenson et al. 2010; Pavlovich-Abril et al. 2012; Di Lena et al. 1997; Li et al. 2006; | |
fruktany | 3-4 | Rakha et al. 2010; Kamal-Eldin et al. 2009; | |
sumarycznie | 56 – 57 | Apprichet al. 2013; Beaugrand et al. 2004 | |
woda / % | 10,2-12,1 | Roberts et al., 1985; Apprichet al. 2013;Li et al. 2006; | |
popiół / % | 3,4 – 8,1 | Babiker et al. 2009; Dornez et al. 2006; Fardet, 2010; Hemery et al. 2007; Relat et al 1990; Van Craeyveld et al. 2009;Bataillon et al. 1998; | |
lignina / % | 2,2-9,0 | Fardet 2010; Relat et al 1990;Bataillon et al. 1998; Rakha et al. 2010; Kamal-Eldin et al. 2009; | |
profil cukrów | arabinoza | 9,6-12,0 | Relat et al 1990; Van Craeyveld et al. 2009; Bataillon et al. 1998; |
ksyloza | 12,0-16,5 | ||
mannoza | 0,8-1,3 | ||
galaktoza | 1,2-1,3 | ||
glukoza | 11,0-23,4 | ||
proteiny / % | 13,1-18,6 | Van Craeyveld et al. 2009; Nilsson et al. 1996; Bylund et al. 2000; Katina et al. 2007; Zhang et al. 1994; | |
tłuszcz / % | 2,7-3,5 | Nilsson et al. 1996; Bylund et al. 2000; Zhang et al. 1994; | |
węglowodany / % | skrobia | 17,8-30,2 | Nilsson et al. 1996; Bylund et al. 2000; Katina et al. 2007; |
celuloza | 4-6 | Rakha et al. 2010; Kamal-Eldin et al. 2009; | |
hemicelulozy |
|
| |
w tym arabinoksylan | 18-25 | Van Craeyveld et al. 2009; Rakha et al. 2010; | |
w tym pentozany | 15,9 | Katina et al. 2007; | |
błonnik (celuloza, hemicelulozy i inne) | 33,5-47,8 | Zhang et al. 1994; Katina et al. 2007; Nilsson et al. 1996; Bylund et al. 2000; Stevenson et al. 2010; Pavlovich-Abril et al. 2012; | |
fruktany | 5-7 | Rakha et al. 2010; Kamal-Eldin et al. 2009; | |
sumarycznie | 62,6-63,6 | Nilsson et al. 1996; | |
woda / % | 9,8-10,8 | Bylund et al. 2000; Zhang et al. 1994; | |
lignina / % | 3-7,0 | Nilsson et al. 1996; Rakha et al. 2010; Kamal-Eldin et al. 2009; | |
popiół / % | 4,1-5,7 | Van Craeyveld et al. 2009; Nilsson et al. 1996; Bylund et al. 2000; Zhang et al. 1994; | |
cukry / % | ksyloza | 16-25,0 | Van Craeyveld et al. 2009; Nilsson et al. 1996; |
arabinoza | 7,6-12,1 | ||
glukoza | 15,1-32,0 | ||
galaktoza | 1,1-1,8 | ||
mannoza | 1,3-2,0 | ||
Otręby pszenne i żytnie są produktami ubocznym mielenia ziarna pszenicy i żyta w celu pozyskania mąki i zawierają część bielma skrobiowego. Są szczególnie bogate w błonnik pokarmowy i kwasy tłuszczowe oraz w znaczne ilości skrobi (zanieczyszczenie pochodzące z bielma) i białka. Inne składniki otrąb to substancje mineralne i lignina. Wśród wielu związków występujących w otrębach pszennych i żytnich można wymienić także fenolokwasy, flawonoidy oraz kwas fitynowy. Frakcja węglowodanowa otrąb obejmuje skrobię, hemicelulozy, jak również celulozę. Procentową zawartość poszczególnych składników chemicznych otrąb pszennych i żytnich przedstawiono odpowiednio w tab. 1 i tab. 2. Ważnym związkiem występującym w otrębach jest arabinoksylan będący głównym składnikiem hemiceluloz, czyli strukturalnych elementów ścian komórkowych. Stanowi on od około 11 do 26% otrąb pszennych w oparciu o suchą masę (patrz tab. 1) oraz od 18 do 25% otrąb żytnich (patrz tab. 2). Duże zróżnicowanie zawartości arabinoksylanu zależy głównie od analizowanej odmiany pszenicy i żyta. Dla porównania mąka pszenna zawiera jedynie 1,4 – 2,8% arabinoksylanu, tak więc warstwa otrąb wyraźnie stanowi kluczowe źródło tego związku w ziarnie.
Otręby pszenne i żytnie, jako powszechnie produkowany i tani produkt uboczny przemysłu młynarskiego, przeznaczone są głównie na paszę dla zwierząt i żywność dla ludzi, ale biorąc pod uwagę ich skład i dostępność mogłyby również doskonale sprawdzić się jako surowiec w ewentualnej biorafinerii lub surowiec do produkcji takich związków jak ksylitol.
Literatura dostępna u autora.
Przetwórstwo otrąb pszennych i żytnich w kierunku otrzymywania cukrów C5 i C6 - hydroliza kwasowa i enzymatyczna
Otręby pszenne i żytnie są interesującą biomasą lignocelulozową w kontekście dalszego przetwórstwa, gdyż stanowią atrakcyjne źródło cukrów prostych, zarówno tych zbudowanych z pięciu atomów węgla (ksyloza i arabinoza), jak i tych zbudowanych z sześciu atomów węgla (glukoza, mannoza i galaktoza). Cukry proste, wykorzystując różne metody przetwórcze, można przekształcić do wielu cennych związków chemicznych takich jak wspomniany już ksylitol, czy też etanol, furfural, alkohol furfurylowy lub paliwa furanowe.
W celu otrzymania cukrów prostych z biomasy lignocelulozowej (w tym z otrąb) stosuje się proces hydrolizy. Hydrolizę można przeprowadzić przy użyciu kwasów mineralnych (rozcieńczonych lub stężonych) oraz enzymów (skrobiolitycznych, celulolitycznych i hemicelulolitycznych). Z pewnych względów proces hydrolizy enzymatycznej ma przewagę nad hydrolizą kwasową. Do najważniejszych zalet hydrolizy enzymatycznej należą wyższa wydajność procesu, stosowanie niekorozyjnych i łagodniejszych warunków oraz biodegradowalnych i nietoksycznych reagentów. Natomiast do głównych wad można zaliczyć wysokie koszty enzymów i ich wrażliwość na substancje inhibitujące, co generuje problemy związane z optymalizacją szybkości i wydajności procesu. Dodatkowo, aby proces hydrolizy enzymatycznej przebiegał z dużą wydajnością często konieczna jest odpowiednia obróbka wstępna surowca. Efektywna obróbka wstępna surowca umożliwia enzymom łatwiejszy dostęp do polisacharydów przez usunięcie ligniny, zwiększenie porowatości i aktywnej powierzchni biomasy oraz spadek stopnia krystaliczności celulozy. Do najczęściej stosowanych metod obróbki wstępnej należą procesy fizyczne (mielenie) i fizykochemiczne (wybuch parowy, SE z ang. steam explosion; wybuch amoniakiem, AFEX z ang. ammonia fibre explosion i termohydroliza, LHW z ang. liquid hot water), które są wspomagane metodami chemicznymi (działanie substancjami utleniającymi, kwasami, czy zasadami). Na świecie prowadzone są liczne badania mające na celu obniżenie kosztów enzymów, poszukiwane są również odpowiednie mikroorganizmy, które produkują enzymy hydrolizujące z jeszcze większą szybkością i wydajnością. Stąd wobec powyższych trudności, jako metodę alternatywną, można zastosować hydrolizę kwasową, czyli metodę lepiej poznaną i dawniej wykorzystywaną nawet na skalę przemysłową. Jednak i tradycyjna hydroliza kwasowa charakteryzuje się istotną wadą, gdyż wykorzystuje jako katalizatory kwasy nieorganiczne (kwas, solny, siarkowy, czy ortofosforowy), które oddziałują korozyjnie na aparaturę, generują odpady szkodliwe dla środowiska oraz przyczyniają się do powstawania związków inhibitujących.
