Аминокислотный и углеводный составы молочно-растительного экстракта якона Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 637.352+637.344:66.061

АМИНОКИСЛОТНЫЙ И УГЛЕВОДНЫЙ СОСТАВЫ МОЛОЧНО-РАСТИТЕЛЬНОГО ЭКСТРАКТА ЯКОНА

© Е.С. Рудниченко, Я.И. Коренман , Е.И. Мельникова, С.И. Нифталиев

Воронежская государственная технологическая академия, пр. Революции, 19, Воронеж, 394000 (Россия) E-mail: [email protected]

Изучено экстрагирование аминокислот и углеводов из натурального подсластителя якона. В качестве экстрагента впервые применен ультрафильтрат творожной сыворотки. Методами математического планирования эксперимента оптимизированы влияющие факторы - рН экстрагента, степень измельчения исходного материала, температура, продолжительность экстрагирования, соотношение объемов твердой и жидкой фаз. Установлен аминокислотный и углеводный состав полученного молочно-растительного экстракта.

Ключевые слова: аминокислота, углеводы, экстрагирование, якон, молочно-растительный экстракт.

Введение

В последнее время возрастающее применение находит подсластитель натурального происхождения -якон (Polymnia sonchifolia Poepp. & Endl), относящийся к группе корнеплодов [1]. Характерная особенность корнеплодов якона - наличие сахаров, состоящих в основном из полифруктозида инулина, незаменимых аминокислот, минеральных веществ (азот, фосфор, магний, натрий, кальций, железо, цинк, медь, калий,

кроме того, способен накапливаться селен), других физиологически ценных веществ [2, 3].

Экстрагирование - один из перспективных способов извлечения аминокислот и углеводов из клубней якона. В качестве экстрагента нами впервые применен ультрафильтрат творожной сыворотки, содержащий комплекс физиологически активных компонентов творожной сыворотки - лактозу, аминокислоты, молочную кислоту, макро- и микроэлементы, витамины [4] (табл. 1). По органолептическим показателям представляет собой прозрачную желтую жидкость с более высокой биологической и коллоидной стабильностью, чем творожная сыворотка.

Цель работы состояла в получении молочно-растительного экстракта из клубней якона, исследовании распределения аминокислот и углеводов якона в процессе экстрагирования, оптимизации параметров экстрагирования, обеспечивающих наиболее полное извлечение этих компонентов в экстракт.

Таблица 1. Физико-химические характеристики ультрафильтрата творожной сыворотки [5]

Показатель Значение

Вода, % 94,6-94,9

Сухие вещества, % 5,1-5,4

в том числе:

лактоза 3,5-3,7

белковые вещества 0,1-0,2

молочная кислота 1,0

зола 0,38

Титруемая кислотность, °Т 75-85

Активная кислотность, рН 2,4-6,5

Плотность, кг/м3 1017-1018

* Автор, с которым следует вести переписку.

Экспериментальная часть

Ультрафильтрат творожной сыворотки - продукт фракционного разделения молочной сыворотки, полученный нами на ультрафильтрационной установке с мембранами типа ОПМ-450С.

Молочно-растительный экстракт получали по следующей методике. Клубни якона измельчали и сушили при 60 °С до содержания сухих веществ на уровне 6-7 мас.%, добавляли экстрагент - ультрафильтрат творожной сыворотки (соотношение объемов твердой и жидкой фаз 1 : 6) и подкисляли до рН ~ 4,4. Кислотность экстрагента регулировали добавлением растворов гидрокарбонатов натрия или лимонной кислоты и контролировали потенциометрически (иономер И-130). Экстрагировали на вибросмесителе при 60 °С, в течение 60 мин содержание сухих веществ в экстракте достигало максимума. С целью повышения биологической и коллоидной стабильности экстракта проводили двухступенчатую очистку экстракта путем его пропускания через колонку, заполненную активированным углем.

Аминокислоты в экстрагенте и в экстракте определяли методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-105». В 4 фарфоровые чашки помещали по 10 мл экстракта якона и выпаривали. В две из них приливали окислительную смесь (Н2О2 : НСООН = 1 : 9) и вновь выпаривали на водяной бане при 60 °С до сухого остатка. Сухие остатки из всех чашек количественно переносили в виалы и для проведения кислотного гидролиза добавляли по 10 мл НС1.

Растворы после кислотного гидролиза охлаждали, отфильтровывали, дозатором отбирали в бюксы 50 мкл гидролизатов и выпаривали в струе теплого воздуха. Сухой остаток смачивали 500 мкл дистиллированной воды, добавляли раствор карбоната натрия, вводили изопропанольный раствор фенилизотиоцианата и перемешивали до растворения осадка. Из бюксов дозатором отбирали 450 мкл раствора в пробирки Эппендорфа.

Для определения аминокислот (кроме триптофана, цистеиновой, аспарагиновой и глутаминовой кислот) первые две пробы анализировали при 30 °С в течение 15 мин (X = 254 нм). Вторые две пробы анализировали 9 мин в тех же условиях (определение цистеиновой, аспарагиновой и глутаминовой кислот).

В виалы для щелочного гидролиза помещали 5 мл экстракта якона и добавляли 8-водный кристаллогидрат гидроксида бария. Виалы герметично закрывали и устанавливали в термоблок при 110 °С на 16 ч. Пробы после щелочного гидролиза переносили в мерные колбы вместимостью 1 л, добавляли каплю спиртового раствора метилового красного и нейтрализовали раствором Н2804 с массовой долей 10% до перехода желтой окраски в розовую. Отбирали 500 мл нейтрализованного раствора в пробирку Эппендорфа и определяли содержание триптофана при 40 °С в течение 9-10 мин (X = 219 нм).

Для определения инулина в клубнях якона и в молочно-растительном экстракте нами адаптирован известный метод Бертрана [6]; предварительно находили общее содержание сахаров. Редуцирующие сахара (оптически активные соединения) в результате кислотного гидролиза (действие НС1 с массовой долей 10% в течение 40 мин при нагревании на кипящей водяной бане) расщепляются на моносоставляющие. В гидролизате повторно определяли содержание сахаров. Инулин в экстракте в течение 40 мин гидролизу практически не подвергается (время кислотного и ферментативного гидролиза инулина 6-8 ч) [7], его количество рассчитывали по разности между содержанием редуцирующих сахаров до и после гидролиза.

Обсуждение результатов

В качестве основных факторов, влияющих на экстрагирование аминокислот и углеводов из клубней якона, нами изучены: Хі - температура в интервале 30-70 °С; Х2 - продолжительность экстрагирования (30-70 мин); Х3 - соотношение объемов твердой и жидкой фаз (1 : 2 - 1 : 10); Х4 - рН экстрагента (3,4-7,4), Х5 -степень измельчения клубней якона (1,5-3,5 мм).

Оптимизацию влияющих факторов проводили методом математического планирования эксперимента. Для построения статистических моделей применяли центральное композиционное ротатабельное униформ-планирование, при этом выбран полный факторный эксперимент 25 (ПФЭ25) [8] . Критерий оценки оптимизации процесса экстрагирования - общее содержание сухих веществ в экстракте (У).

В результате статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии, адекватно описывающее процесс экстрагирования физиологически ценных компонентов из клубней якона под влиянием учитываемых факторов:

У = 13,194 + 2,460 Х] - 1,043 Х2 - 0,626 Х3 + 1,209 Х4 - 0,438 Х^2 - 0,438 Х^3 + 0,563Х2Х3 - 0,313Х!Х2 +

0,313Х2Х5 + 0,688 Х3Х4 + 0,716Х^ - 1,159 Х32 - 0,284 Х42 - 0,409 Х52.

При анализе полученного нелинейного уравнения выделяли факторы, оказывающие наибольшее влияние на эффективность экстрагирования. Так, коэффициенты Ъ1 = 2,460, Ь2 = -1,043 и Ь4 = 1,209 свидетельствуют

о том, что на экстрагирование в большей степени влияют температура (Х1), рН экстрагента (Х4) и продолжительность процесса (Х2), в меньшей - соотношение объемов твердой и жидкой фаз, а также степень измельчения клубней якона. Знаки «-» и «+» перед соответствующими коэффициентами означают, что снижение продолжительности экстрагирования, а также повышение температуры и рН экстрагента увеличивают содержание сухих веществ в экстракте. Методом высушивания навески установлено, что содержание сухих веществ в экстракте возрастает до 20%.

Оптимизация параметров экстрагирования состоит в установлении условий, которые в широком диапазоне изменения входных параметров обеспечивают максимальное содержание сухих веществ в экстракте.

Для установления оптимальных условий экстрагирования аминокислот и углеводов из клубней якона применяли ридж-анализ, основанный на методе неопределенных множителей Лагранжа [8].

Анализ показал, что в экстракте якона по сравнению с ультрафильтратом творожной сыворотки увеличивается содержание незаменимых аминокислот (лизин, метионин, цистин, треонин, фенилаланин, изолейцин, тирозин, гистидин, аспарагин, глутамин, пролин, аргинин, глицин, лейцин, валин, серин, аланин, триптофан) [5] (табл. 2).

Углеводный состав клубней якона и молочно-растительного экстракта после очистки приведен в таблице 3.

Таблица 2. Аминокислотный состав ультрафильтрата творожной сыворотки и экстракта якона

Аминокислота Содержание, г/100 г

ультрафильтрат творожной сыворотки экстракт якона

Аргинин 0,0087 0,0092

Лизин 0,0044 0,0065

Тирозин 0,0012 0,0046

Фенилаланин 0,0027 0,0036

Гистидин 0,0028 0,0051

Лейцин 0,0043 0,0068

Изолейцин 0,0043 0,0068

Метионин 0,0018 0,0032

Валин 0,0034 0,0042

Пролин 0,0088 0,0094

Треонин 0,0042 0,0060

Серин 0,0037 0,0051

Аланин 0,0033 0,0041

Глицин 0,0018 0,0031

Цистин не обн. 0,0016

Глутаминовая кислота 0,0034 0,0039

Аспарагиновая кислота 0,0032 0,0041

Триптофан не обн. 0,0012

Таблица 3. Углеводный состав якона и экстракта на его основе

Экстрагируемые компоненты Клубни якона Высушенные клубни якона Экстракт после очистки

Редуцирующие сахара, мас. % 0,0015 0,0293 0,0218

Инулин, мас. % 12, 5 47,1 11,0

Анализ полученных данных показывает, что степень извлечения редуцирующих сахаров в экстракт из высушенных клубней якона составляет 74,4 мас.%, инулина -23,4 мас.%.

Выводы

Установлены оптимальные условия экстрагирования аминокислот и углеводов из клубней якона: температура 60 °С, продолжительность экстрагирования 60 мин, соотношение объемов твердой и жидкой фаз

1 : 6, рН экстрагента 4,4, степень измельчение клубней 2 мм. В молочно-растительном экстракте увеличива-

ется содержание незаменимых аминокислот по сравнению с ультрафильтратом творожной сыворотки. При однократном экстрагировании степень извлечения редуцирующих сахаров из клубней якона достигает 74,4 мас.% , инулина - 23,4 мас. %.

Применение ультрафильтрата творожной сыворотки как экстрагента позволяет объединить ценные свойства творожной сыворотки, зарекомендовавшей себя как основа лечебно-профилактических продуктов питания, и дефицитные нутриенты (аминокислоты и углеводы), входящие в состав клубней якона. Это создает определенные перспективы для разработки новых видов молокосодержащих продуктов с направленными функциональными свойствами.

Список литературы

1. Тюкавин Г.Б. Якон - овощная, лекарственная, кормовая и техническая культура // Вестник РАСХН. 2001. №3. С. 44-47.

2. Bostid N.R.C. Yacon // Lost crops of the Incas: Little-known plants of the An des with promise for worldwide cultivation. Washington. 1989. P. 115-123.

3. Корнеева О.С., Омельченко О.М., Кононков П.Ф. Исследование процесса сушки нетрадиционного инулинсодержащего сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. 2001. №1. С. 42-43.

4. Коренман Я.И., Мельникова Е.И., Нифталиев С.И., Светолунова С.Е. Применение ультрафильтрата творожной сыворотки для экстрагирования пищевых компонентов из листьев стевии // Изв. вузов. Пищевая технология. 2005. №5-6. С. 70-72.

5. Храмцов А.Г. Безотходная технология в молочной промышленности. М., 1989. 240 с.

6. Сборник государственных стандартов РФ: справочник. М., 1981. 300 с.

7. Тертычная Т.Н., Корнеева О.С., Брындина Л.В. Получение гидролизатов из топинамбура // Тез. докл. Рос. научн.-

практ. конф. с междунар. участ. «Проблемы ресурсосберегающих и природоохранных технологий и оборудования

для переработки и хранения с.-х. сырья». Краснодар, 1993. С. 15-16.

8. Грачев Ю.П., Плаксин Ю.М. Математические методы планирования экспериментов. М., 2005. 296 с.

Поступило в редакцию 2 апреля 2008 г.

После переработки 1 октября 2008 г.