Бетаин – второй пищевой продукт свеклосахарной промышленности Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

S3 ^

ф К

3"t

УДК 66.0

doi.org/10.24412/2413-5518-2024-2-17-21

"Г^ о о

Бетаин — второй пищевои продукт

S

свеклосахарной промышленности

А.Д. ШЕРДАНИ, магистр техники и технологии (e-mail: [email protected]) Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Введение

Бетаин — ангидрированная аминокислота триметилглицин. Впервые он получен из сахарной свёклы (Beta vulgaris), в честь которой и назван, немецким химиком Карлом Шейблером в 1863 г. посредством запатентованного им же метода ионообменной хроматографии. В наши дни под бетаинами понимают целый класс органических соединений, но так исторически сложилось, что бетаином называют исключительно триметилглицин.

Сегодня, с одной стороны, бетаин в виде бетаиновой мелассы — комплекса аминокислот и олиго-сахаратов макроэлементов Mg, Ca, K и Na и других компонентов — широко применяется в животноводстве, птицеводстве и аквакуль-туре как аналог хлорида холина и метионина в виде премикса к кормам для обогащения рациона питания. С другой стороны, бетаин в формах гидрохлорида и ангидрида достаточно востребован в качестве биологически активной добавки (БАД) и фармацевтического препарата (ФП). Бетаины включены в государственные фармакопеи Российской Федерации, США, Франции [11] и ряда других стран.

Целью научного исследования, изложенного в данной статье, являлось нахождение эффективной формы бетаина для широкого применения в пищевой промышленности.

В рамках НИОКР были поставлены следующие задачи: разработать технологию бетаина сахарной свёклы, выявить ключевые технологические параметры на

лабораторном стенде, исследовать физико-химические свойства формы бетаина для пищевой промышленности, проработать варианты широкого использования бетаина в целях производства продуктов питания, подготовить и зарегистрировать необходимую документацию для нового ингредиента (технические условия (ТУ), декларация соответствия (ДС) ТР ТС 021/2011 и др.), провести соответствующие лабораторные, полупромышленные и промышленные испытания по производству продуктов питания с бетаином.

Следует отметить, что бетаин сахарной свёклы при производстве сахара технологически переходит в состав свекловичной мелассы. В зависимости от климатических условий, агротехники, технологического режима переработки свёклы состав мелассы колеблется в следующих пределах (в %): сухих веществ 76—84, в том числе сахарозы 46—51; бетаина 4—7; азота общего 1,5—1,8; редуцирующих веществ 1,0—2,5; рафинозы 0,8— 1,2; молочной кислоты 4—6; уксусной кислоты 0,2—0,5; муравьиной кислоты 0,2—0,5; красящих веществ 4—8; золы 6—10 (в её составе примерно 68 % К2О, 12 % №20, 6 % СаО, 10 % С12, 2 % SO3, 0,5 % SiO2, 0,7 % Р205, 0,5 % MgO, 0,3 % Fe2O3) [13], а также меланоидинов

I %, пиразинов 1 %, сапонинов 0,3 %, пектинов 0,1 % и др. [16]. В отходной мелассе современного свеклосахарного производства содержание бетаина может достигать

II % [16]. Присутствие бетаина как целевого компонента в свекловичной мелассе выгодно отличает её

от тростникового, финикового и кленового аналогов, в которых он отсутствует [15].

Принимая во внимание данные Союза сахаропроизводителей России об отечественном объёме выработки свекловичной мелассы около 1,5 млн т в год, можно говорить об отраслевом производственном потенциале бетаина примерно 100 тыс. т в год по СВ.

Биофизиологическая роль бетаина

Наиболее полный и актуальный научно-литературный обзор о благотворном влиянии бетаина на организм человека сделан доктором биологических наук В.И. Полонским в статье «Биологическая роль и польза для здоровья бетаина в зерновых культурах», содержащей ссылки более чем на 40 источников [12]. В этой работе отмечено, что Европейская комиссия в целях сохранения здоровья населения утвердила требования, предъявляемые к бетаину, для его использования в пищевых добавках в ЕС: бетаин должен быть получен из естественных источников, натурального продовольственного сырья. Ниже приведены ключевые цитаты из данного обзора.

Исследования функций бетаина, выполненные в последние годы, свидетельствуют о широком спектре его пользы для здоровья. Бетаин является важным функциональным веществом, он присутствует практически во всех тканях человека. В плазме крови здоровых людей бетаин находится обычно на уровне 20—70 мкмоль/л. Установлено, что долгосрочное добавление бетаина в пищу ока-

№ 2 • 2024 САХАР 17

СПОНСОР НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

ВМА

зывает длительное положительное влияние на снижение концентрации циркулирующего гомоцисте-ина, предупреждая риск развития атеросклеротических заболеваний сосудов и появления тромбов. Бе-таиновая терапия может предотвращать сосудистые события и иметь клинические преимущества в защите от аллергии, уменьшении риска возникновения некоторых форм рака, продлении сроков выживаемости онкологических больных, снижении резистентности к инсулину [12].

В организме человека бетаин повышает стабильность молекул белка за счёт усиления структуры окружающей их воды и эффективного ослабления денатурирующего влияния мочевины. Как совместимый осмолит он защищает клетки от осмотического стресса, достигая миллимоляр-ных концентраций в некоторых типах тканей. Следует отметить, что уникальные свойства бетаина заключаются в его химической структуре. Как известно, осмоли-ты — небольшие органические соединения, которые накапливаются растительными и животными клетками в состоянии стресса под воздействием неблагоприятных внешних факторов. Органические осмолиты являются совместимыми растворёнными веществами, поскольку их взаимодействие с биологическими макромолекулами не мешает выполнению клеточных функций [12].

Опубликованная информация свидетельствует, что бетаин регулирует работу ферментов, участвующих в гомоцистеин-метиони-новом цикле. Одним из основных механизмов, с помощью которого это происходит, является изменение активности ферментов или изменение их статуса фосфори-лирования через специфические киназы. Кроме того, было показано, что бетаин приводит к повышению регуляции митохон-

дриального дыхания и активности цитохром-С-оксидазы в клетках. Отметим, что митохондриальные и антиоксидантные регулирующие свойства бетаина могут играть первостепенную роль в его механизмах гепатопротекции [12].

Учитывая вышесказанное, а также опираясь на дополнительные зарубежные научные источники, можно говорить о следующих благотворных для организма человека свойствах бетаина:

— метилирование ДНК посредством трёх метильных радикалов (восстановление повреждённых внутренних органов; описаны случаи восстановления тканей и функции печени на ранней стадии цирроза);

— регенерация соединительных и мышечных тканей (омоложение, восстановление после тяжёлых физических нагрузок) за счёт про-теиногенной природы;

— онкопротекция (профилактика онкологических заболеваний) желудочно-кишечного тракта, печени, шейки матки, молочных желёз и продление жизни онкологическим больным;

— нейропротекция и восстановление нервной системы, в том числе после сильного стресса и тяжёлой депрессии, модуляция когнитивных функций головного мозга, улучшение памяти;

— антигистаминное действие (снижение симптомов аллергических реакций);

— осмотическое действие (налаживание регуляции обмена жидкости, выравнивание водно-солевого баланса в организме, устранение отёков и отложения солей);

— антигипертензивный эффект (понижение артериального кровяного давления при гипертонии);

— очистка крови от свободных радикалов за счёт повышенной химической активности трёх метильных групп, профилактика тромбоза;

— снижение зависимости от вредных привычек вплоть до пол-

ного избавления от них (алкогольная, никотиновая, шоколадная и другие виды зависимостей);

— снижение инсулинорезистент-ности (профилактика сахарного диабета);

— полный аналог витаминов группы В.

В последние годы в некоторых западных странах начаты исследования по содержанию бетаина в различных культурных и диких видах злаков. В России работы, по-свящённые изучению этих важных химических соединений, практически полностью отсутствуют [12].

Предпосылки появления бетаина как инновации для пищевой промышленности

Фундаментальными причинами появления таких биологически активных ингредиентов для пищевой промышленности, как бетаин, могут быть следующие:

— запрос потребителя на здоровый образ жизни. В результате слияния рынков БАДов и продуктов питания будет расширено производство инновационных биологически активных продуктов питания. Сегодня наблюдается устойчивое, но отдельное друг от друга развитие сегментов рынка БАДов и продуктов питания, в то время как существует стабильный потребительский тренд на полезные продукты и потребность видеть в их составе не только содержание белков, жиров и углеводов, но и витаминов, макро- и микроэлементов, клетчатки и аминокислот;

— успешная апробация бетаина в виде мелассы в животноводстве, птицеводстве и аквакультуре, с одной стороны, и в форме бетаина глубокой очистки для фармацевтики — с другой, а также отсутствие форм, технологий и практик применения бетаина в пищевой промышленности;

— необходимость восстановления организма от последствий пандемии коронавируса, а также

профилактика «болезней XXI века»: сахарный диабет, рак, депрессия, деменция, инсульт, инфаркт и др.;

— обширная сырьевая база, включающая в себя не только свекловичную и бетаиновую мелассы со свеклосахарных заводов, но и свекловичную и зерновую барду, утилизация которых представляет собой настоящую проблему на спиртовых производствах;

— повышение экономической рентабельности свеклосахарных и спиртовых производств.

Форма бетаина для пищевой промышленности

Согласно методическим рекомендациям Роспотребнадзора МР 2.3.1.1915-04 «Рациональное питание. Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ» суточная норма потребления бетаина взрослым человеком составляет 6 г в сутки [8]. Тем не менее в литературных источниках указано, что избыток бетаина беспрепятственно выводится из организма и не представляет никакой угрозы здоровью человека. На рисунке представлены химические формулы приведённых выше соединений бетаина, а также инновационная формула, полученная в рамках исследования автора статьи — бета-ингидроксид натрия (БГН).

Известно, что минеральные и органические соединения натрия широко распространены в качестве ингредиентов для пищевой промышленности. Ионы натрия

H3C"

CH3 JO

-N+—C-C

H

CH

V

H3C

CH

CH

ввиду своей лёгкости и химической активности служат хорошим транспортом для функциональной части молекулы. Именно поэтому в исследованиях приоритет был отдан соединениям натрия.

Гидроксидная форма ингредиента обусловлена как технологическими особенностями получения его из бетаинсодержащего сырья, так и необходимостью обеспечить продолжительный срок годности продукта за счёт высокого рН. Кроме того, было установлено, что бетаингидроксид натрия обладает кратно меньшей гигроскопичностью по сравнению, например, с ангидрированным бетаином.

Технология производства бета-ингидроксида натрия предусматривает декальцинацию мелассы разбавленной водой посредством добавления в неё щелочи №ОН, которую можно получить на сахарном заводе из соды №2С03 и гашёной извести Са(ОН)2, применяемой на основном производстве для проведения реакции образования трёхкальциевого са-харата. Твёрдую фазу, а также сапонины и высокомолекулярные сахара устраняют супербарбота-жем [16], являющимся высокопроизводительным мембранным процессом. Более глубокая очистка БГН производится посредством последовательного применения различных видов мембранной фильтрации, и для получения соединения в кристаллической форме используется процесс мембранной конденсации. Анализ содержания бетаина в лабораторных

//

O

C

\ HCl

H3C

CH3 //

-N+—C-C

H

CH

\ NaOH

Ангидрированный бетаин (TMG)

Гидрохлорид бетаина (ацидин)

Бетаингидроксид натрия

Химические формулы промышленных соединений бетаина

условиях проводился методом, описанным доктором фармацевтических наук Н.Ш. Кайшевой с соавторами [11].

В рамках исследования была доказана высокая эффективность бетаина в форме БГН в качестве многофункционального ингредиента для пищевых продуктов как антиоксиданта, стабилизатора, консерванта, модулятора вкуса и фермента.

Разработано несколько марок БГН, ориентированных на различные продукты питания и представленных в ТУ 10.89.19-00155923217-2022 «Бетаин. Технические условия» [9]:

— Бетаин Лайт (Betaine Light) — водный раствор бетаина с концентрацией сухих веществ (СВ) до 50 оВх, применяемый в производстве следующих продуктов питания и напитков:

а) растворимый порошкообразный кофе горячей и сублимационной сушки;

б) листовой чай (байховый, гранулированный, пакетированный и др.);

в) зернобобовые культуры (какао, кофе, лён и др.) при ферментации после обжарки;

г) хлебобулочные изделия;

д) мучные кондитерские изделия;

е) кетчупы и соусы, в том числе соевые;

— Бетаин Экстра (Betaine Extra) —

водный раствор бетаина с СВ более 60 °Bx, применяемый в производстве следующих продуктов питания и напитков:

а) сладкие безалкогольные напитки;

б) слабоалкогольные напитки (пиво, медовуха, глинтвейн, вермут, сидр и др.) — для устранения запаха алкоголя и неприятного привкуса;

в) вино — для устранения запаха алкоголя;

г) сахаристые кондитерские изделия;

+

N

2

— Бетаин Про (Betaine Pro) — очищенный (выше 95 %) порошкообразный бетаин, который применяется в производстве указанных выше продуктов питания и напитков, а также следующих:

а) шоколадные и альтернативные им кондитерские изделия для сглаживания горчинки и устранения кислинки в профиле вкуса какао;

б) кисломолочные, сырные, сычужные и альтернативные им продукты для придания твёрдости и гранулированности конечному изделию;

в) крепкие алкогольные напитки (бренди, виски, коньяк, кальвадос и др.) — для устранения запаха алкоголя и придания мягкой округлости базовым вкусовым нотам;

— Бетаин БЦА (Betaine BCAA) — высокоочищенный (выше 99 %) высокодисперсный кристаллический бетаин для применения в функциональных продуктах питания и в производстве указанных выше продуктов питания и напитков. Бетаин можно отнести к BCAA (branched chain amino acids): к протеиногенным аминокислотам с ответвленными углеводородными радикалами (—CH3). В отличие от BCAA лейцина, изолейцина и валина, имеющих в своём строении до двух алифатических групп —CH3, бетаин содержит три ме-тильных радикала, что определяет его большую функциональную эффективность при метилировании молекулы ДНК и строительстве белка в организме человека. Эта опция бетаина высоко востребована спортсменами, людьми, ведущими активный образ жизни, сопровождающийся высокими физическими нагрузками. Важным преимуществом бетаина и отличием от указанных BCAA, в большинстве своём имеющих животное происхождение, является его растительное начало.

Перечисленные марки бетаина, а также продукты питания, произ-

ведённые с их применением, были представлены на стенде Sherdani Corporation в рамках главной российской выставки пищевой промышленности «Продэкспо» в 2023 г. Презентация бетаина профессиональному сообществу пищевой промышленности способствовала последующему успешному внедрению инновационного ингредиента в производство различных продуктов питания. Данным кейсам будут посвящены отдельные статьи автора. Здесь лишь отметим, что в рамках своего исследования автор сотрудничает с крупнейшими сахаропроизводящими российскими холдингами — ГК «Продимекс» и ГК «Русарго». В 2021 г. мембранная технология бетаина сахарной свёклы вошла в финал Rusagro Tech Challenge, проводимый Фондом инноваций «Сколково», опередив более 400 конкурентов.

Бетаиновая диета

Особого внимания и глубоких научных исследований заслуживает функциональная бетаиновая диета, предусматривающая составление специализированного рациона питания из бетаинсо-держащих продуктов с целью решения тех или иных проблем со здоровьем человека либо для профилактики указанных выше «болезней XXI века».

Следует отметить, что бетаи-новая диета показала свою эффективность при восстановлении постковидных больных (было проведено клиническое исследование с привлечением узкой выборки пациентов, участвующих в программе восстановления после ковида, созданной специалистами Санкт-Петербургского государственного университета) и травмированных спортсменов с мышечными растяжениями (клиническое исследование было проведено с участием профессиональных бойцов Федерации джиу-джитсу России).

Указанным примерам, деталям клинической практики и особенностям бетаиновой диеты будет также посвящена отдельная статья.

Список литературы

1. ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции».

2. ТР ТС 022/2011 «Пищевая продукция в части её маркировки».

3. ТР ТС 029/2012 «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств».

4. Регламент ЕС 1829/2003 «О генетически модифицированных продуктах питания и кормов».

5. Регламент ЕС 1830/2003 «Касательно отслеживания и маркировки генетически модифицированных организмов, а также про-слеживаемости продуктов питания и кормов, произведённых из генетически модифицированных организмов, и поправки к Регламенту ЕС 2001/18».

6. Регламент ЕС 951/2006 «Подробные правила выполнения Регламента Совета (ЕС) № 318/2006 в отношении торговли с третьими странами в сахарном секторе».

7. ГОСТ 30561-2017 «Меласса свекловичная. Технические условия».

8. МР 2.3.1.1915-04 Роспотреб-надзора «Рациональное питание. Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ». — М., 2004.

9. ТУ 10.89.19-001-55923217-2022 «Бетаин. Технические условия».

10. Патент RU 2 736 186, С1. Способ получения лекарственных средств — азотсодержащих бетаинов гидрохлоридов — на основе послеспиртовой кукурузной барды / Кайшева Н.Ш., Кайшев А.Ш., Микелов В.А., Сергеева Е.О., Калашникова С.А. — ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет». — 12.11.2020.

11. Разработка бетаина гидрохлорида как фармацевтической субстанции для производства лекарственного препарата — аналога ацидина / Н.Ш. Кайшева, А.Ш. Кайшев, В.А. Микелов [и др.] // Фармацевтическая химия. - 2019. - Т. 22. - № 12.

12. Полонский, В.И. Биологическая роль и польза для здоровья бетаина в зерновых культурах (обзор) // Вестник КрасГАУ. - 2020. - № 1.

13. Сапронов, А.Р. Сахар / А.Р. Сапронов, Л.Д. Бобровник. -М. : Лёгкая и пищевая промышленность, 1981.

14. Сапронов, А.Р. Технология сахара / А.Р. Сапронов, Л.А. Сапронова, С.В. Ермолаев. - М. : Профессия, 2012. - 296 с.

15. Шердани, А.Д. Инновационная свекловичная меласса. Новый горизонт рентабельности и эко-логичности сахарного производ-

ства / А.Д. Шердани // Сахар. — 2021. - № 2.

16. Шердани, А.Д. Супербарбо-таж - инновационная технология очистки свекловичной мелассы. Сравнение с современными ана-

логами / А.Д. Шердани // Сахар. — 2021. - № 5.

17. Шердани, А.Д. Электромеханическое пеногашение мелассы / А.Д. Шердани // Сахар. - 2022. -№ 4.

Аннотация. В статье представлен функциональный ингредиент на основе бетаина сахарной свёклы - бетаингидроксид натрия (БГН) для производства биологически активных продуктов питания посредством бетаиновой ферментации. Приведены принципы мембранной технологии бетаина, а также сравнение с существующими промышленными аналогами: гидрохлоридом бетаина и ангидрированным бетаином. Описано благотворное влияние бетаина на организм человека, а также сформулированы тезисы бетаиновой терапии и бетаиновой диеты. Ключевые слова: бетаин, сахарная свёкла, свекловичная меласса, барда, ингредиент, фермент, бетаиновая ферментация, чай, кофе, какао, сыр, соевый соус, шоколад, бетаиновая терапия, ковид, коронавирус, бетаиновая диета. Summary. Functional ingredient based on sugar beetroot betaine - sodium betaine hydroxide (SBH) - is an innovative one for biologically active food products production by means of betaine fermentation. The betaine membrane technology principles and a comparison with actual industrial analogues: betaine hydrochloride and anhydrous betaine are presented in the article. The healthy beneficial effects of betaine are described here. Betaine therapy and betaine diet are formulated in the article. Keywords: betaine, sugar, beetroot, molasses, stillage, ingredient, enzyme, betaine fermentation, tea, coffee, cocoa, cheese, soy sauce, chocolate, betaine therapy, covid, coronavirus, betaine diet.

Справочно

Содержание бетаина и его производных в свекловичной мелассе может достигать более 11 %. Бетаин улучшает метаболизм у коров и других сельскохозяйственных животных, заменяет холин хлорида и метионина и используется для обогащения и балансирования рационов сельскохозяйственных животных, птиц и аквакультуры.

В настоящее время жидкий бетаин производится на трёх российских сахарных заводах: ГК «Прод-имекс» — Ольховатский сахарный комбинат (Воронежская область) и ГК «Русагро» — Чернянский сахарный завод (Белгородская область), Знаменский сахарный завод (Тамбовская область).

Преимущества использования бетаина:

— является эффективным донором метиловой группы, его можно использовать для частичной замены метионина и холина в корме для уменьшения затрат;

— кормление с добавлением бетаина уменьшает влияние теплового стресса, сохраняет здоровье и высокую продуктивность животных;

— увеличивает рост постного мяса и улучшает качество мяса;

— повышает производство коровьего молока на 2—3 кг/день в транзитивный период (56 дней до и после отёла);

— обеспечивает увеличенную стабильность для других микронутриентов;

— является осмопротектором, предохраняет кишечный эпителий поросёнка от послеотъёмного стресса;

— улучшает усвоение энергии рациона на откорме;

— повышает жизнеспособность потомства и плодовитость свиноматок;

— повышает жизнеспособность, аппетит и скорость роста поросят и телят.

Бетаин жидкий применяют для производства премиксов и комбикормов для сельскохозяйственных животных, птиц, а также рыб и креветок.

В соответствии с рекомендациями кафедры кормления животных РГАУ им. Тимирязева нормы ввода жидкого бетаина в рационы определены на следующих уровнях:

— птицам — 0,5—5 кг/т корма;

— свиньям — 0,5—5 кг/т корма;

— молочным коровам — 30—100 г/гол. в сутки в зависимости от уровня производства молока;

— телятам — 30—100 г/гол. в сутки в зависимости от потребления корма;

— овцам — 8—12 г/гол. в сутки;

— козам — 4—8 г/гол. в сутки;

— рыбам — 6—20 кг/т корма;

— креветкам — 6—30 кг/т корма.

Источник: кафедра кормления животных РГАУ - МСХА им. Тимирязева