employee from 01.01.1992 to 01.01.2025
Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
The purpose of the work is to develop methods for the effective biotechnological transformation of grain types of raw materials to obtain new food ingredients. The chemical composition of various types of grain raw materials for the main polymers, as well as the quantitative content of phytic acid, was studied. Studies have been carried out on the selection of various enzyme systems for the hydrolysis of grain raw materials, taking into account the use of the enzyme lysate as a functional response in food products. In the course of the work, five different variants of enzymatic treatment were investigated, containing enzymes: proteases, alpha- and glucoamylases, lipases and phytases for the bioconversion of various types of grain. It has been established that the maximum degree of hydrolysis is ensured by the use of a complex that exhibits proteolytic, cellulolytic, phytolytic and lipase hydrolytic abilities. In the process of enzymatic treatment, a maximum increase in low-molecular products of hydrolysis of raw materials was revealed: amino acids – by 20–40 %, reducing substances – by 40–60 % and a decrease in phytic substances – by 20–45 % when exposed to the enzyme system (option 5). The use of this enzyme complex will increase the nutritional and biological value of ingredients, reduce anti-nutritional properties by reducing phytic acid and increasing the availability of trace elements for absorption by the body. Based on the experimental data, a block diagram for obtaining ingredients with improved properties has been developed. The ingredients obtained on the basis of the presented technology can be used in the preparation of food products for functional and preventive purposes.
fermentolysate, amino acids, phytin, enzymes, grain raw materials, ingredients
Введение. Агропромышленный комплекс России на данный момент времени имеет перспективы переработки сельскохозяйственной продукции до 100 млн т. Эффективность перехода переработки сырья на инновационные технологии ресурсосбережения, сохранение и создание новых производств, экологическая составляющая – главные конкурентоспособные позиции России в современных пищевых технологиях. Биотехнологические процессы позволяют интенсифицировать технологические процессы, увеличивать выход готовой продукции и разрабатывать новые виды функциональных пищевых ингредиентов [1].
Зерновое сырье – один из возможных экономически перспективных видов сырья, высокомолекулярные полимеры которого имеют многокомпонентный состав, определяющий биотехнологические условия их переработки [2–4].
Практически во всех видах зерна присутствуют фитиновая кислота и ее соли фитаты [5–7]. Фитат является основной формой хранения фосфора во многих растительных тканях, особенно в отрубях и семенах. Он может образовывать комплексы с металлами или белками и, следовательно, снижать их биодоступность в желудочно-кишечном тракте [8–10].
Белки злаковых имеют ряд недостатков, а именно: невысокую степень усвояемости, неполноценный аминокислотный скор, низкую степень перевариваемости, токсические компоненты и антипитательные факторы. Фитаты, как компонент, относятся к этому числу.
Для снижения их токсических и антипитательных свойств и увеличения количества биологически активных веществ и пищевой ценности существуют различные методы обработки зернового сырья (проращивание, вымачивание и ферментативная обработка) [11–13].
Цель исследования – разработка приемов эффективной биокаталитической трансформации зернового сырья для получения новых пищевых ингредиентов заданного состава.
Задачи: получить новые пищевые ингредиенты с увеличенным содержанием биологически активных веществ (аминокислот, углеводов) и сниженным содержанием фитина – как антипитательного компонента в ингредиентах.
Материалы и методы. В качестве объектов исследования были выбраны три вида зернового сырья: кукуруза, пшеница и рожь. Уровень протеолитической активности исследовали по степени гидролиза гемоглобина [14], амилолитической и глюкоамилазной – по степени гидролиза крахмала [15], ксиланазной – по степени гидролиза ксилана [16], целлюлазной – по степени гидролиза карбоксиметилцеллюлозы [17], фитолитическую – по степени гидролиза фитина, липолитическую – по степени гидролиза оливкового масла. Содержание редуцирующих углеводов [18], концентрацию фитата – спектрофотометрическим методом [19]. Состав и концентрацию свободных аминокислот определяли на высокоэффективном жидкостном хроматографе фирмы «AZURA» (Германия) [20].
Результаты и их обсуждение. На первом этапе исследовали состав основных полимеров зерна, представленный в таблице.
Химический состав зернового сырья, %
|
Показатель |
Пшеница |
Рожь |
Кукуруза |
|
Вода |
14,0+0,6 |
14,0+0,7 |
14,0+0,6 |
|
Белок |
12,0+0,5 |
10,0+0,6 |
10,3+0,5 |
|
Жир |
2,0+0,1 |
2,2+0,1 |
5,0+0,2 |
|
Крахмал |
58,9+2,8 |
55,2+2,6 |
60,0+3,0 |
|
Пищевые волокна |
10,5+0,5 |
16,2+0,8 |
9,5+0,5 |
|
Фитиновая кислота |
0,8+0,05 |
1,1+0,07 |
1,2+0,1 |
Далее проводили ферментативный гидролиз зернового сырья различными ферментными системами (ФС), проявляющими амилолитическую, протеолитическую, фитазную и липазную гидролитические способности.
Для ферментативной обработки сырья использовали ФС, различающиеся по составу ферментов: вариант 1 – протеаза (ПС); вариант 2 – протеаза+амилаза (ПС+АС); вариант 3 – протеаза+амилаза+целлюлаза (ПС+ЦС+АС); вариант 4 – целлюлаза+протеаза+амилаза+фитаза (ЦС+ПС+АС+ФС); вариант 5 – целлюлаза+протеаза+амилаза+фитаза+липаза (ЦС+ПС+ АС+ФС+ЛС). Дозировки биокатализаторов в каждой партии были следующими: амилаза – 1,5 ед.АС/г сырья, целлюлаза – 1,0 ед. ЦС/г сырья; протеаза – 0,5 ед. ПС/ г сырья; фитаза – 5,0 ед. ФС/г сырья, липаза – 0,5 ед. ЛС/г сырья. Соотношение субстрат:вода составляло 1:3, время и температура ферментативно-гидролитической обработки – 4 ч и 50 °С соответственно. По окончании гидролиза в ферментолизатах определяли биохимические показатели: редуцирующие углеводы, аминокислотный состав, содержание фитатов и пищевых волокон. Результаты биокаталитической конверсии полимеров сырья представлены на рисунке 1.
В процессе ферментативной обработки выявлено, что при воздействии ферментов амилолитического и протеолитического действия происходит гидролиз белковых и полисахаридных полимеров зерна до низкомолекулярных продуктов, тем самым облегчая доступность к субстрату других минорных ферментов. Выявлено максимальное увеличение аминокислот – на 20–40 %, редуцирующих веществ – на 40–60 % и снижение фитиновых веществ – на 20–45 % при воздействии ферментной системы (вариант 5).
Таким образом, мультиэнзимная композиция, включающая в себя помимо амилолитических и целлюлитических еще фитолитические и липолитические ферменты, способствует распаду фитиновых и жировых соединений, высвобождению фосфора и других микроэлементов. Выявлено увеличение показателей содержания в ферментолизатах зерна ценных нутриентов и биологически активных веществ в растворимой биодоступной форме, а также снижение антипитательных веществ, концентрация которых изменялась в зависимости от субстратной специфичности используемой ферментной системы.
а – пшеница
б – рожь
в – кукуруза
Рис. 1. Влияние ферментативной обработки на содержание БАВ
Рис. 2. Блок-схема получения ингредиентов на основе зернового сырья
Заключение. В процессе ферментативной обработки выявлено максимальное увеличение низкомолекулярных продуктов гидролиза сырья: аминокислот – на 20–40 %, редуцирующих веществ – на 40–60 и снижение фитиновых веществ – на 20–45 % при воздействии ферментной системы (вариант 5). Использование данного ферментного комплекса позволит увеличить пищевую и биологическую ценность ингредиентов, снизить антипитательные свойства за счет снижения фитиновой кислоты и увеличения доступности микроэлементов для усвоения организмом. Разработана блок-схема получения пищевых ингредиентов заданного состава.
1. Biotehnologicheskie osnovy sozdaniya kormovyh dobavok s zaschitno-profilakticheskimi svoystvami / G.S. Volkova [i dr.]. M.: Pervoe ekonomicheskoe izdatel'stvo, 2020. 148 s.
2. Polyakov V.A., Pogorzhel'skaya N.S. Innovacionnoe razvitie pischevoy biotehnologii // Industriya pitaniya. 2017. № 4. S. 6–14.
3. Turshatov M.V., Polyakov V.A., Ledenev V.P. Tehnologicheskie osnovy proizvodstva spirta s povyshennymi organolepticheskimi pokazatelyami // Proizvodstvo spirta i likerovodochnyh izdeliy. 2008. № 2. S. 29–31.
4. Abramova, I.M. Osobennosti pererabotki pshenichnogo syr'ya, obespechivayuschie proizvodstvo spirta s vysokimi pokazatelyami kachestva // Proizvodstvo spirta i likerovodochnyh izdeliy. 2012. № 1. S. 4–6.
5. Survey of the analytical methods for the phytic acid determination / K. Benešová [et al.] // Kvasny Prumysl. 2013. 59(5): 127–133. DOI:https://doi.org/10.18832/kp2013013.
6. Mikulski D., Kłosowski G. Phytic acid concentration in selected raw materials and analysis of its hydrolysis rate with the use of microbial phytases during the mashing process // Journal of the Institute of Brewing, 2015, 121(2): 213–218. DOI:https://doi.org/10.1002/jib.221.
7. Equilibrium, thermoanalytical and spectroscopic studies to characterize phytic acid complexes with Mn(II) and Co(II) / L. De Carli [et al.] // Journal of the Brazilian Chemical Society, 2009, 20(8): 1515–1522. DOI:https://doi.org/10.1590/S0103-50532009000800019.
8. Potential in vitro protective effect of quercetin, catechin, caffeic acid and phytic acid against ethanol-induced oxidative stress in SK-Hep-1 cells / K.-M. Lee [et al.] // Biomolecules and Therapeutics, 2012, 20(5): P. 492–498. DOI:https://doi.org/10.4062/biomolther.2012.20.5.492.
9. Greiner R., Konietzny U. Phytase for food application // Food Technology and Biotechnology, 2006, 44(2): P. 125–140.
10. Konversiya polimerov zerna pshenicy i kukuruzy pod vliyaniem fitoliticheskih i proteoliticheskih fermentov / L.V. Rimareva [i dr.] // Sel'skohozyaystvennaya biologiya. 2021. T. 56, № 2. S. 374–383.
11. Sposoby fermentativno-gidroliticheskoy podgotovki zernovogo susla dlya spirtovogo brozheniya / E.M. Serba [i dr.] // Vestnik rossiyskoy sel'skohozyaystvennoy nauki. 2020. № 5. S. 52–56.
12. Otechestvennaya fitaza v kombikormah dlya kur-nesushek / T.N. Lenkova [i dr.] // Ptica i pticeprodukty. 2016. № 1. S. 37–40.
13. Kulova F.M. Vliyanie fermentnogo preparata fitaza v racionah s razlichnym urovnem mineralov na zootehnicheskie pokazateli telyat // Izvestiya Gorskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. № 53 (1). S. 71–76.
14. Gbenyi D.I., Nkama I., Badau M.H. Modeling of residual polyphenols, phytic acid and protein digestibility of extruded sorghum-cowpea formulated foods // Food science and quality management. 2016. Vol. 48, P. 18–26.
15. GOST 34430-2018. Fermentnye preparaty dlya pischevoy promyshlennosti. Metody opredeleniya proteoliticheskoy aktivnosti. M., 2018.
16. GOST 34440-2018. Fermentnye preparaty dlya pischevoy promyshlennosti. Metody opredeleniya amiloliticheskoy aktivnosti. M., 2018.
17. GOST R 55302-2012. Fermentnye preparaty dlya pischevoy promyshlennosti. Metody opredeleniya ksilanaznoy aktivnosti. M., 2018.
18. GOST R 55293-2012. Fermentnye preparaty dlya pischevoy promyshlennosti. Metody opredeleniya cellyulaznoy aktivnosti. M., 2018.
19. A phytic acid derived LiMn0.5Fe0.5PO4/Carbon composite of high energy density for lithium rechargeable batteries / Y. Meng [et al.] // Scientific Reports. 2019. № 9(1):6665. DOI: 10.1038/ s41598-019-43140-7.
20. Shleykin A.G., Skvorcova N.N., Blandov A.N. Biohimiya. Laboratornyy praktikum: ucheb. posobie. Ch. 2. Belki. Fermenty. Vitaminy. SPb.: Universitet ITMO, 2015. 106 s.
