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.
