с 01.01.2013 по настоящее время
Екатеринбург, Свердловская область, Россия
с 25.11.2012 по настоящее время
Екатеринбург, Свердловская область, Россия
Цель исследования – получение концентрата β-глюкана из овсяных отрубей для дальнейшего его использования в производстве функциональных пищевых продуктов. К перспективным источникам β-глюкана (для дальнейшего применения в пищевой промышленности) относят зерновые культуры (ячмень, овес и пшеница). Увеличение популярности зерновых культур обусловлено высоким содержанием растворимых разветвленных не крахмалистых полисахаридов, из которых и получают β-глюкан. При изучении технологий извлечения β-глюкана было установлено, что существенным препятствием для эффективного использования β-глюканов в качестве добавок иммуномодулирующего и радиопротектрорного действия является скорость, с которой они всасываются в организме человека. Встречающиеся в природе β-глюканы содержат сшитые полимеры основных звеньев глюкозы и считаются очень большими молекулами. При этом β-глюканы могут быть как растворимыми в воде, так и нерастворимыми, обладающими устойчивостью к воздействию кислот. Растворимые β-глюканы обладают большей физиологической активностью, чем нерастворимые. С целью удаления жировой фазы, способствующей возникновению процесса прогоркания при хранении, на предварительном этапе сырье дополнительно обрабатывали 50 %-м этанолом. Представленная технология с применением ферментного препарата Saczyme®Yield (Novozymes, Дания) позволяет увеличить выход β-глюкана, растворимого в воде, за счет разрушения крахмала и частичного гидролиза целлюлозы. Исследования, посвященные подбору оптимальных параметров дозировки препарата и времени экспозиции, показали, что при температуре 60 С, продолжительности времени 60 мин, гидромодуле 1:5, дозировке препарата 70 ед/г возможно извлечь из 100 г овсяных отрубей 60 ± 1 г концентрата β-глюкана.
β-глюкан, ферментативная обработка, отруби овсяные, зерновая культура, вторичные пищевые ресурсы.
Введение. Первые упоминания о β-глюкане, обнаруженном в лишайниках, появились еще в 1940-х гг. Углубленное изучение данного полисахарида происходило в 1980-х гг. параллельно в двух странах: в США и Японии. β-глюкан был выведен американскими исследователями из клеточных стенок хлебопекарных дрожжей, которые, в свою очередь, являются одноклеточными микроскопическими грибками вида Saccharomyces cerevisiae. В то время как в Японии был выделен из местных грибов, которые использовались в лечебных целях: шиитаке, рейши, майтаке и др. [1]. Также β-глюканы содержатся в злаковых культурах (рожь, овес, ячмень), речных и морских водорослях и бактериях, среди которых встречаются и патогенные. Одна из активных форм β-глюкана находится в овсе.
β-глюканы обладают широким спектром полезных свойств. Они способны достаточно сильно воздействовать на иммунную систему, оказывают радиопротекторное и антиоксидантное действие. β-глюканы способствуют росту иммунных клеток спинного мозга, подавляют рост раковых клеток. Также они очень полезны для людей, больных диабетом, так как снижают уровень сахара в крови, и для людей с повышенным уровнем холестерина за счет способности нормализовать уровень липидов. β-глюкан позитивно воздействует и на пищеварение, так как активизирует рост нормальной микрофлоры кишечника и практически не обладает побочными эффектками [2, 3].
β-глюкан – это полисахарид природного происхождения. Он представляет собой сложную, длинную цепочку из мономеров D-глюкозы (глюканов), которые соединяются β-гликозидными связями.
Глюканы расположены в виде шестисторонних D-глюкозных колец. В зависимости от источника происхождения β-глюкана кольца глюкозы линейно соединяются в различных углеродных позициях, хотя чаще всего β-глюканы имеют 1-3 гликозидные связи в своей основной цепи [4].
Существенным препятствием для эффективного использования β-глюканов в качестве добавок иммуномоделирующего и радиопротектрорного действия является скорость, с которой они всасываются в организме человека. Встречающиеся в природе β-глюканы содержат сшитые полимеры основных звеньев глюкозы и считаются очень большими молекулами. Они нерастворимы в воде и устойчивы к воздействию кислот [5].
β-глюканы грибов и дрожжей имеют разветвленное строение (рис. 1). Основная цепь их макромолекул состоит из остатков β-D-глюкопираноз, соединенных 1→ 3 гликозидными связями. К основной цепи подсоединяются боковые ответвления в положениях 0-6. Частота и размер ответвлений могут варьироваться [6].
Рис. 1. Строение β-глюканов зерновых культур
Макромолекулы β-глюканов зерновых культур имеют линейное строение. Клеточные стенки эндосперма зерна содержат мало целлюлозы и в основном состоят из 1-3,1-4 β-D-глюканов и аробиноксиланов. Их соотношение может отличаться в зависимости от вида злака. Например, пшеница и рожь преимущественно состоят из аробиноксиланов, а в овсе и ячмене преобладают 1-3,1-4 β-D-глюканы [7]. Содержание данных β-глюканов в ячмене составляет от 3 до 11 %, во ржи – от 1 до 2 %, в пшенице – меньше 1 %. β-глюкан в ячмене распределен равномерно по всему эндосперму. В овсе β-глюкан также находится в эндосперме овсяного зерна, но в отличие от ячменя он располагается больше во внешних слоях эндосперма.
Молекулы β-глюканов состоят из около 2500 остатков β-(1→4)-связанных D-глюкопираноз, которые разделены β-(1→3)-связями. Фрагменты блоков являются тримерами или тетрамерами [8]. В глюкане они известны как целлотриозил (трисахарид) и целлотетраозил (олигосахарид из четырех остатков глюкозы). Их соотношение может быть разным. Например, в ячмене больше 1→4 связей, имеющих полимеризацию со степенью выше 4. В зерне овса молярное отношение тримеров и тетрамеров составляет обычно 1,5:2,3 [4, 6].
При растворении β-глюканы и аробиноксиланы образуют гидроколлоиды с высокой вязкостью [9]. Чем ниже соотношение целлотриозил- целлотетраозил, тем выше вязкость β-глюкана в растворе. Также вязкость зависит от молекулярной массы и уровня растворимости. Овсяный β-глюкан состоит по большей степени из растворимой клетчатки, но при высокой концентрации β-глюканы овса становятся нерастворимыми. Молекулярная масса растворимых β-глюканов овса составляет около 500000 г/моль, а молекулярная масса нерастворимых – менее 200000 г/моль [10].
Более вязкий внутренний раствор β-глюкана обычно приводит к положительным физиологическим эффектам, включая более выраженный гипогликемический эффект и снижение уровня холестерина, а также снижение уровня глюкозы в крови после приема пищи.
В исследованиях ряда авторов показано, что растворимые β-глюканы обладают большей физиологической активностью, чем нерастворимые [11, 12].
Содержание β-глюкана в граммах сухого веса зерновых культур варьируется в зависимости от вида зерна. В 100 г овса содержится от 3 до 8 г β-глюкана (82 % растворимых в воде фракций), в ячмене – от 2 до 20 г (65 % растворимых в воде фракций), во ржи – от 1,3 до 2,7г, в сорго – от 1,1 до 6,2; в тритикале – от 0,3 до 1,2; в пшенице – от 0,5 до 1,0, в рисе – около 0,13 г.
Количество β-глюкана также может варьироваться в зависимости от его строения. Например, в цельном зерне овса содержание β-глюкана примерно на 8 % меньше, чем в овсе без оболочки.
Способность β-глюкана связывать содержимое в кишечнике позволяет также использовать данный полисахарид в качестве пищевой добавки как загуститель и заменитель молочного жира [13].
Вышеизложенное определяет актуальность данной работы, посвященной разработке способа получения β-глюкана из овсяных отрубей и его наиболее физиологически активной – водорастворимой формы.
Цель исследования – получение концент-рата β-глюкана из овсяных отрубей для использования в функциональных пищевых продуктах.
Материалы и методы. Использованные в исследованиях овсяные отруби получены при переработке овса голозерного шлифованного (Avenanudum) в муку. Состав отрубей определяли стандартными методами: массовую долю клетчатки – по ГОСТ 31675-2012; крахмал – по ГОСТ 26176-91; массовую долю жира – по ГОСТ29033-91; массовую долю сырого протеина – по ГОСТ 13496.4-93; массовую долю белка – по ГОСТ 10846-91; содержание влаги – по ГОСТ 13586.5-2015; содержание золы – по ГОСТ Р 51411-99; содержание β-глюкана – по ГОСТ 57513 «Продукция пищевая специализированная. Методы определения β-глюканов».
Также в работе для получения концентратов β-глюкана использовали ферментный препарат: Saczyme®Yield (Novozymes, Дания), содержащий глюкоамилазу, кислую α-амилазу и целлюлолитический комплекс, позволяющий увеличить выход β-глюкана за счет разрушения крахмала и частичного гидролиза целлюлозы (декларации ТС N RU Д-DK АЯ46 В 79027) [14].
Результаты и их обсуждение. Получение чистого β-глюкана является довольно дорогостоящим и сложным процессом, так как клеточные стенки зерна овса, помимо бета-глюкана, содержат крахмал, липиды и белки. Поэтому чаще всего при производстве специализированной продукции используется недорогая овсяная мука или отруби [15].
Извлечение β-глюкана из овсяных отрубей имеет научный и практический интерес для пищевой промышленности и индустрии питания. Способы получения β-глюкана из овса основаны на применении ферментативного, кислотного и щелочного гидролиза белков и крахмала с последующим разделением твердой и жидкой фаз фильтрованием, ультрафильтрацией и центрифугированием [16].
Получение водорастворимой формы β-глюкана из овсяных отрубей осуществляется в несколько этапов. На первом этапе сырье измельчали на лабораторной мельнице ЛЗМ-1 до частиц размера 0,5 мм и просеивали. С целью удаления жировой фазы, способствующей возникновения процесса прогоркания при хранении, сырье дополнительно обрабатывали 50 %-м этанолом в соотношении 1:10 в течение 30 минут, при температуре 60 °С. Далее полученную смесь центрифугировали и оставшееся сырье подвергали сушке при комнатной температуре. Спиртовой экстракт жиров использовали для регенерации этанола.
На втором этапе из обезжиренного сырья удаляли крахмал, для этого использовали препарат Saczyme®Yield (Novozymes, Дания), содержащий глюкоамилазу, кислую α-амилазу и целлюлолитический комплекс, позволяющий увеличить выход β-глюкана за счет разрушения крахмала и частичного гидролиза целлюлозы. Это простое решение для достижения минимально возможного остаточного крахмала.
Оптимизация параметров ферментолиза обезжиренных овсяных отрубей и определение оптимальной дозировки ферментного препарата SaczymeYield осуществлялись на подготовительном этапе исследования. В эксперименте варьировали длительность обработки, дозировку препарата SaczymeYield по преобладающей глюкоамилазной (глюкан-α-1,4-глюкозидазной) активности. Гидромодуль процесса ферментолиза составлял 1:5, это соотношение обеспечивает эффективное перемешивание субстрата без образования застойных зон.
Длительность ферментолиза варьировали в диапазоне от 30 до 90 мин с дискретностью 5 мин, дозировку глюкоамилазы от 10 до 100 ед. ГлС/г с дискретностью 10 ед. ГлС/г. В качестве отклика использовали содержание β-глюкана в получаемом сухом концентрате муки из овсяных отрубей. Результаты представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость значения содержания β-глюкана в овсяных отрубях от дозировки препарата и длительности обработки
В результате проведенных исследований были установлены оптимальные параметры: время ферментации – 60 минут, температура – 60 °С, дозировка препарата – 70 ед./г, гидромодуль – 1:5. При этом выход β-глюкана увеличивается до 60 %. Дальнейшее увеличение времени ферментации и дозировки препарата не дает существенных результатов. Схема получения овсяного концентрата изображена на рисунке 3.
|
Обезжиривание измельченного сырья 50 %-м этанолом, гидромодуль 1:10, τ=30 мин, T=60 °С |
|
Овсяные отруби |
|
Измельчение на лабораторной мельнице ЛЗМ-1 с последующим просеиванием через сито с диаметром отверстий 0,5 мм |
|
Обработка овсяных отрубей Saczyme®Yield, гидромодуль 1:5, T = 60°С, τ = 60 мин., рН 6,5, Дозировка препарата Saczyme®Yield 70,0 ед./г |
|
Центрифугирование (типа ЦЛУ 6-3, 4500 об./мин., τ =30 мин.) |
|
Сушка полученной фракции |
|
β-глюкан из овсяных отрубей, выход 60 %, W = 10% |
|
Этанол на регенерацию |
|
Центрифугирование (типа ЦЛУ 6-3, 4500 об./мин., τ =30 мин.) |
|
Надосадочная жидкость |
Рис. 3. Принципиальная схема получения концентрата β-глюкана из овсяных отрубей
Проведение ферментативного гидролиза овсяных отрубей комплексом ферментов Saczyme®Yield осуществляется в ферментаторе НПК Агромаш с добавлением цитратного буфера для создания рН 6,5 в заданном соотношении (сырье; экстрагент) при заданной температуре в течение заданного времени. В схеме указаны параметры без их значений.
Из 100 г овсяных отрубей получается 60 ± 1 г концентрата β-глюкана. Соответственно выход концентрата β-глюкана составляет 60 %.
Внешний вид используемых овсяных отрубей, опытного образца концентрата β-глюкана из овсяных отрубей представлен на рисунке 4.
Как видно из рисунка 4, образец овсяных отрубей намного светлее опытного образца концентрата β-глюкана, возможно, это связано с высоким содержанием крахмала в его составе, так как его не удаляли.
Органолептические и физико-химические показатели муки из овсяных отрубей и концентрата β-глюкана
|
Показатель |
Мука из овсяных отрубей |
Концентрат β-глюкана |
|
|
Органолептические показатели |
|||
|
Внешний вид |
серовато-желтые с оттенками бело-кремового измельченные отруби |
Цвет золотисто-коричневый, частицы разной формы и размера |
|
|
Запах |
свойственный овсяным отрубям, со специфическим слабым привкусом горечи без кислого и других посторонних привкусов |
Выраженный, приятный, характерный для свежих высококачественных отрубей |
|
|
Вкус |
свойственный овсяным отрубям, без плесневелого затхлого и других посторонних запахов |
Чистый, ярко выраженный, характерный для свежих высококачественных отрубей |
|
|
|
Физико-химические показатели, % |
||
|
Собственные исследования |
Литературные данные [8,16,17] |
Собственные исследования |
|
|
Клетчатка |
11,5±0,1 |
9,8-11,4 |
11,6±0,2 |
|
Крахмал |
39,7±0,8 |
24,5-39,3 |
13,2±0,3 |
|
Содержание амилозы в крахмале |
19,9±0,2 |
16,2-21,0 |
12,4±0,1 |
|
Жир |
7,9±0,1 |
7,5-8,2 |
0,9±0,1 |
|
Белок |
13,0±0,2 |
15,0-15,2 |
17,3±0,1 |
|
Влага |
10,8±0,2 |
8,5-11,1 |
9,5±0,2 |
|
Зола |
5,8±0,1 |
4,6-7,9 |
5,2±0,2 |
|
Содержание β-глюкана |
2,2±0,1 |
4,6-5,2 |
34,2±0,1** |
*Содержание β-глюкана определялось в соответствии с ГОСТ 57513.
Показано, что опытные образцы концентратов содержат больше основного биологически активного вещества – β-глюкана, чем в исходном сырье. Кроме того, крахмал в опытном образце концентрата содержит большее количество амилозы, что повышает резистентность крахмала по отношению к ферментам. Такой крахмал так же, как и β-глюкан, выполняет роль пищевых волокон в питании человека и является биологически активным веществом [17].
Заключение. Выявлено, что для интенсификации β-глюкана можно использовать препарат SaczymeYield при дозировке 70 ед./г, гидромодуле 1:5. Сравнительный анализ органолептических и физико-химических показателей показал, что полученный концентрат β-глюкана обладает более высоким содержанием белка (на 2,3 %) β-глюкана (на 32,0 %), золотисто-коричневым цветом (см. табл.).
Таким образом, полученные концентраты по содержанию биологически активных веществ могут использоваться в качестве функционального пищевого ингредиента в рецептурах широкого спектра продуктов питания. Например, при производстве макаронных и хлебобулочных изделий, мюсли, при выпечке кексов и пирожных. Также его возможно добавлять в молочные и мясные продукты с низким содержанием жира, различные соусы, супы, напитки. Однако стоит помнить о том, что β-глюкан влияет на характеристики продукции, особенно на водопоглотительную функцию продуктов, внешний вид и текстуру [8].
1. Влияние грибного экстракта, содержащего бета-глюканы, на реологические характеристики хлебного теста / М. Фриуи [и др.] // Вестник Международной академии холода. 2018. № 3. С. 53–61. DOIhttps://doi.org/10.17586/1606-4313-2018-17-3-53-61.
2. Видякина А.В., Хайдаров А.Х., Сибирцев В.С. Оценка влияния бета-глюкана на динамику жизнедеятельности микроорганизмов // Актуальные проблемы биологии и экологии: мат-лы докл. XХIV Всерос. молодеж. науч. конф. (с элементами научной школы), посвящ. 55-летию Института биологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар, 03–07 апреля 2017 г.). Сыктывкар: Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук, 2017. С. 166-169.
3. Бифидогенные свойства экстрактов проростков ячменя / Ю.В. Захарова [и др.] // Индустрия питания. 2022. Т. 7. № 1. С. 54–62. DOIhttps://doi.org/10.29141/2500-1922-2022-7-1-7.
4. Полонский В.И., Герасимов С.А., Сумина А.В. Пластичность и стабильность образцов пленчатого ячменя по содержанию β-глюканов в зерне и его крупности в условиях Красноярской лесостепи // Вестник КрасГАУ. 2022. № 4(181). С. 53–61. DOIhttps://doi.org/10.36718/1819-4036-2022-4-53-61.
5. Patent 6143883, Water-soluble low molecular weight beta-glucans formodulating immunological responses in mammalian system / Lehmann, Joachim(Scottsdale, AZ), Kunze, Rudolf (Berlin, DE). №09/224145; Filing Date12.31.1998; Publication Date 11.07.2000. 8 с.
6. Syed H.A.The world of β-glucans – a review of biological roles, applications and potential areas of research / H.A. Syed // Thesis for the requirement of master of Science – Medical Biology. 2009. 186 р.
7. Petravic-Tominac V., Zechner-Krpan V. Application of Different Drying Methods on β-Glucan Isolated from Spent Brewer’s Yeast Using Alkaline Procedure [Text] // Agriculturae Conspectus Scientificus. 2019. Vol.75, №1. Р. 149–158.
8. Красильников В.Н., Барсукова Н.В., Попов В.С. Бета-глюканы овса в функциональном и лечебном питании // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2014. № 2(6). С. 78–83.
9. Лукина Г.Д., Кудашев С.Н., Пушкар Т.Д. Голосеменной овес – источник получений ценных пребиотиков // Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты / Краснодар. НИИ хранения и переработки с.-х. продукции. Краснодар, 2012. С. 129–132.
10. Пономарев А.С., Чугунова О.В. Влияние бета-глюкана на реологические свойства теста // Технологии и продукты здорового питания: сб. ст. XII Нац. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Саратов, 17–18 декабря 2020 года) / под общ. ред. Н.В. Неповинных, О.М. Поповой, Е.В. Фатьянова. Саратов: Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, 2021. С. 553-557.
11. Vasanthan, T. Grain fractionation methods and products / T. Vasanthan, F. Temelli // WO Pat. 02 / 27011 A2. Application Date: 2002-04-04.
12. Черно Н.К., Коваленко А.В., Шапкина К.И. Получение и частичный гидролиз бета-глюкана клеточных стенок дрожжей Saccharomycesscerevisie // Сборник научных трудов SWorld. 2012. Т. 45, № 4. С. 97–101.
13. Petravic-Tominac V., Zechner-Krpan V. Application of Different Drying Methods on β-Glucan Isolated from Spent Brewer’s Yeast Using Alkaline Procedure // Agriculturae Conspectus Scientificus. – 2019. Vol.75. №1. Рр. 149–158.
14. Novozymes Saczyme® saccharification products – The industry choice for glucoamylases. URL: https://winequip.com.au/wp-content/uploads/2021/08/Application-Sheet-Saczyme-Go-2X.pdf.
15. Гематдинова В.М., Канарская З.А., Канарский А.В. Получение концентрата бета-глюкана из овсяных отрубей для функциональных продуктов питания // Пищевая промышленность. 2018. № 3. С. 15–17.
16. Гематдинова В.М. Технология β-глюкансодержащих пищевых добавок из вторичных ресурсов переработки овса: дис. … канд. техн. наук: 05.18.07 / Казанский национальный исследовательский технологический университет. Казань, 2018. 161 с.
17. Школьникова М.Н. Овсяные отруби как сырье для функционального пищевого ингредиента // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2020. Т. 9, № 1(49). С. 80–84.
