CC BY
143ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИ УДК 664.785.86
Ферментативное выделение р-глюкана из овсяных отрубей
В. М. ГЕЫАТДИНОВА, аспирант; З. А. КАНАРСКАЯ, канд. техн. наук; А. В. КАНАРСКИЙ, д-р тех. наук, профессор
Казанский национальный исследовательский технологический университет
Современная диетология обращает внимание на необходимость потребления человеком нерастворимых и растворимых пищевых волокон, в частности, р-глюкана. Это вещество обладает широким спектром биологической активности [1, 2]. Перспективным источником р-глюкана для пищевых целей являются зерновые культуры — ячмень, пшеница и овес. Повышенный интерес к зерновым культурам связан с высоким содержанием растворимых разветвленных не крахмалистых полисахаридов, из которых возможно получение р-глюкана.
Следует отметить роль овса в питании человека и кормлении животных, что является предметом исследования ученых многих поколений. В настоящее время установлено положительное влияние овса на организм человека и животных [3—5], что обусловлено энергетической ценностью и содержанием в нем биогенных веществ.
Овес признан хорошим источником белка и клетчатки. Концентрация белка относительно высока, аминокислоты хорошо сбалансированы в зерне. Растворимые пищевые волокна (р-глюканы), как известно, снижают уровень холестерина и риск сердечных заболеваний. Диетическое волокна, состоящие из целлюлозы, полисахаридов и лигнина без крахмала и клетчатки, как было доказано, защищают от колорек-тального рака. Овес оказывает благотворное воздействие на уровень глюкозы и реакцию на инсулин, которая особенно важна для контроля сахарного диабета. Овес также содержит тонолы и амидбензольные кислоты, которые относят к антиоксидантам и полезны для здоровья человека. Лигнаны и фитостеролы обладают противоопухолевым свойством. Человек употребляет овес в виде различных продуктов питания: каши, хлеба, хлопьев и т. п.
Влияние овса и р-глюкана на организм животных имеет многофункциональный характер. Овес содержит шелуху в количестве 25% от массы зерна, которая достаточно эффективно усваивается животными на фоне снижения энергетической ценности корма. Шелуха овса способствует усвоению кормов, поэтому овсом предпочтительно кормят лошадей. Овсяная крупа и овес без шелухи доминируют в рационе птиц и свиней. При этом овес неэффективен при кормлении молодых птенцов из-за высокой концентрации р-глюкана. В настоящее время проводятся исследования, которые позволят определить целесообразность использования овса как основу для кормов рыб.
Р-Глюкан находится преимущественно в алейроновом слое зерновки. При переработке зерновых культур в муку и крупу р-глюкан концентрируется в отрубях. Поэтому сырьем для промышленного получения Р-глюкана как пищевого продукта являются, в частности, отруби овса, из которых возможно получить сухим способом и экстракцией концентраты и изоля-ты р-глюкана. Экстракционные способы получения Р-глюкана из зерновых культур и отходов их переработки предусматривают использование растворов щелочей и кислот [6, 7]. Однако эти вещества агрессивны, вызывают коррозию оборудования, опасны в производстве для человека, кроме того, на стадиях выделения р-глюкана технологические среды необходимо нейтрализовать кислотами. Так как в исходном сырье р-глюкан физически связан с крахмалом и белком актуальна разработка биокаталических способов получения изолята этого продукта [8].
Цель настоящей работы — определение влияния ферментативной обработки овсяных отрубей на выход Р-глюкана. Использованные в исследованиях овсяные отруби получены при переработке овса голозерного шлифованного (Avena nudum) в муку. Состав отрубей определяли стандартными методами: массовую долю клетчатки — по ГОСТ 31675—2012 — 4,9%; крахмал — по ГОСТ 26176—91 — 21,2%; массовую долю жира — по ГОСТ 13496.15—97 — 6,2%; массовую долю сырого протеина — по ГОСТ 13496.4—93 — 16,1%; массовую долю белка — по Барштейну ГОСТ 20083—74 — 15,2%; содержание влаги — по ОСТ 31640—2012 — 11,1%; содержание золы — по ГОСТ Р 51411-99 — 2,9%.
Использовали ферментные препараты:
♦ а-аимилаза AG XXL фирмы Novozymes (Швеция).
Степень активности а-амилазы AG XXL 460 AGU/ml;
рН 7;
♦ фермент Proteks 6 L фирмы Genencor (Финляндия).
Степень активности 580 DU/g.; рН 7-10.
Технологическая схема выделения р-глюкана из
овсяных отрубей представлена на рисунке.
Отруби предварительно измельчаются до частиц размером 0,5 мм. Далее из измельченных отрубей овса этанолом экстрагируют жиры. Экстракт отделяют от обезжиренных отрубей центрифугированием и регенерируют этанол. Обезжиренные отруби диспергируют в воде при гидромодуле 1:5 и проводят гидробаро-термическую обработку при температуре 115 °С в течение 60 мин. При данных условиях обработки овсяных отрубей происходит клейстеризация крахмала, обра-
Измельченные овсяные отруби
Влияние ферментативной обработки овсяных отрубей на выход и содержание р-глюкан в готовом продукте*
Экстракция 50% этанолом, гидромодуль 1:10 при Т = 60 °С, т = 30 мин
Ферментативный гидролиз белка гидромодуль 1:5, расход фермента Proteks 6 L на 1 г белка 10 DU, T = 50...55 °С., т = 6 ч, рН 6,5-7,0.
Показатель Способ предварительной обработки
Щелочной Гидробаротермический
Выход р-глюкана, % 9,6 12,9
Содержание р-глюкана в продукте, % 81,9 87,9
Содержание простых сахаров в продукте, % 5,1 2,3
Технологическая схема выделения р-глюкана из овсяных отрубей
зование декстринов и растворение водорастворимых белков алейронового слоя, а также их стерилизация, которая необходима для исключения микробиологического обрастания субстрата при ферментатирова-нии. Затем проводится обработка крахмала отрубей а-амилазой при непрерывном перемешивании и тер-мостатировании, которая заканчивается максимальным насыщением ферментализата редуцирующими веществами и образованием олигомеров крахмала.
После охлаждения в суспензию вносят фермент Рroteks 6 L для гидролиза белков. Ферментативная обработка белков также происходит при непрерывном перемешивании и термостатировании до максимального насыщения ферментализата амиокислотами. Фер-ментализат и олигомеры белка, крахмала и клетчатку разделяют центрифугированием. Из надосадочной жидкости этанолом высаживают р-глюкан, который затем отделяют центрифугированием и высушивают.
В качестве альтернативой гидробаротермической обработки овсяных отрубей принята их щелочная
* Прочие компоненты или вещества: белки, аминокислоты, олигосахара, минеральные вещества.
обработка после обезжиривания. После щелочной обработки нейтрализуют суспензию овсяных отрубей соляной кислотой. Далее р-глюкан выделяют ферментативным методом по описанной выше схеме.
Гидролиз крахмала ферментом и количество сахаров в конечном продукте контролировали по содержанию РВ, которые определяли методом, приведенным в работах [9, 10]. При определении содержания в продукте р-глюкана проводили его гидролиз 2М серной кислотой в течение 30 мин. В гидролизате также определяли содержание редуцирующих веществ, которое соответствовало содержанию р-глюкана в продукте.
Из результатов, представленных в таблице, видно, что на выход р-глюкана из овсяных отрубей при использовании ферментов влияет способ предварительной их обработки. Сочетание предварительной гидробаротермической обработки и последующей ферментативной обработки овсяных отрубей является более эффективным, так как выход р-глюкана выше по сравнению с щелочным способом предварительной обработки сырья.
Способ предварительной обработки овсяных отрубей также влияет на содержание р-глюкана в конечном продукте после сушки. Предварительная гидро-баротермическая обработка и последующая ферментативная обработка овсяных отрубей позволяют получить конечный продукт с более высоким содержанием р-глюкана по сравнению со щелочной обработкой. В продукте, полученном сочетаем двух видов обработки овсяных отрубей, содержится меньше сопутствующих веществ, в частности, простых сахаров.
Интерпретируя полученные результаты можно полагать, что предварительная гидробаротермическая обработка овсяных отрубей способствует клейстери-зации и декстринизации крахмала и растворению белков алейронового слоя в большей степени по сравнению со щелочной обработкой. Образующиеся при гидробаротермической обработке низкомолекулярные вещества из крахмала и белков алейронового слоя более доступны для ферментативного гидролиза по сравнению с веществами, образующимися при щелочной обработке. В совокупности, предварительная гид-робаротермическая обработка и последующая ферментативная обработка овсяных отрубей позволяют полнее извлекать р-глюкан при его высоком содержании в конечном продукте по сравнению с предварительной щелочной и последующей ферментативной обработками.
Литература
1. Francelino, E. A. Effect of beta-glucans in the control of blood glucose levels of diabetic patients: a systematic review / E.A. Francelino, R. L. Vieira, T. A. Vasques, M. Z. Gilberto, R. S. Vicente, L. P. José. — Nutricion Hospitalaria. — 2015, 31 (1). — 170 p.
2. Gangopadhyay, N. A Review of Extraction and Analysis of Bio-actives in Oat and Barley and Scope for Use of Novel Food Processing Technologies / N. Gangopadhyay, M. B. Hossain, D. K. Rai, N. P. Brunton. — Molecules. — 2015, 20. -10884 p.
3. Hozlar, P. Influence of complete feed mixture containing naked oat of the Tatran variety on parameters of utility and quality of eggs of laying hens / P. Hozlar, D. Valcuhova, D. Jancik: — Slovak J. Anim. Sci. — 2014, 47 (2). — 83 p.
4. Varma, P. Oats: A multi-functional grain / P. Varma, H. Bhankharia, S. Bhatia: — J Clin Prev Cardiol. — 2016, 5. — 9 p.
5. Ahmad, W. S. Oats as a functional food / W. S. Ahmad, T S. Rouf, B. Bindu, N. G. Ahmad, G. Amir, M. Khalid: — A review. Universal Journal of Pharmacy. — 2014, 3. — 14 p.
6. Daou, C. Oat Beta-Glucan: It's Role in Health Promotion and Prevention of Diseases / C. Daou, H. Zhang: — Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. — 2012, 11. — 355 p.
7. Ahmada, A. Extraction and characterization of P-d-glucan from oat for industrial utilization / A. Ahmada, F. A. Muhammad, T Zahoorb, H. Nawazc, Z. Ahmedd, B. V. Elsevier: — All rights reserved. — 2016, 46. — 304 p.
8. Саломатов, А. С. Применение амилолитических и проте-олитических ферментов для получения Р-глюкана из ячменя / А. С. Саломатов // Прикладная биохимия и биотехнологии. — 2016. — № 4 (2). — С. 13-19.
9. Морозова, Ю. А. Биосинтез ксиланаз и целлюлаз грибами рода trichoderma на послеспиртовой барде / Ю. А. Морозова [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. — 2012. — T 15. — № 19. — C. 120-122.
10. Мамадюсуфова, М. Г. Содержание крахмала и белка пшеницы и eе диких сородичей, произрастающих в разных условиях / М. Г. Мамадюсуфова [и др.]. — М.: Биохимия Растений, 2013. — T. 56. — № 10. — С. 832-836.
References
1. Francelino E.A., Vieira R. L., Vasques T A., Gilberto M. Z., Vicente R. S., José L. P. Effect of beta-glucans in the control of blood glucose levels of diabetic patients: a systematic review Nutricion Hospitalaria, 2015, 31 (1). 170 p.
2. Gangopadhyay N., Hossain M. B., Rai D. K., Brunton N. P. A Review of Extraction and Analysis of Bioactives in Oat and Barley and Scope for Use of Novel Food Processing Technologies. Molecules, 2015, 20. 10884 p.
3. Hozlar P., Valcuhova D., Jancik D. Influence of complete feed mixture containing naked oat of the Tatran variety on parameters of utility and quality of eggs of laying hens. Slovak J. Anim. Sci., 2014, 47 (2). 83 p.
4. Varma P., Bhankharia H., Bhatia S. Oats: A multi-functional grain. J Clin Prev Cardiol., 2016, 5. 9 p.
5. Ahmad W S., Rouf T. S., Bindu B., Ahmad N. G., Amir G., Khalid M. Oats as a functional food. A review. Universal Journal of Pharmacy, 2014, 3.
6. Daou C., Zhang H. Oat Beta-Glucan: It's Role in Health Promotion and Prevention of Diseases. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2012, 11. 355 p.
7. Ahmada A., Muhammad F. A., Zahoorb T., Nawazc H., Ahmedd Z., Elsevier B. V. Extraction and characterization of P-d-glucan from oat for industrial utilization. All rights reserved, 2016, 46. 304 p.
8. Salomatov A. S. [The use of amylolytic and proteolytic enzymes to obtain P-glucan from barley]. Prikladnaya biokh-imiya i biotekhnologii, 2016, no. 4 (2), pp. 13—19. (In Russ.)
9. Morozova Yu. A. et al. [Biosynthesis of xylanases and cellu-lases with fungi of the genus trichoderma on the post-alcohol bard]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2012, vol. 15, no. 19, pp. 120-122. (In Russ.)
10. Mamadyusufova M. G. et al. [The content of wheat starch and protein and its wild relatives growing in different conditions]. Moscow, Biokhimiya Rastenii, 2013, vol. 56, no. 10, pp. 832836. (In Russ.)
Ферментативное выделение р-глюкана из овсяных отрубей
Ключевые слова
р-глюкан; гидробаротермическая;
щелочная ферментативная обработка; отруби овсяные.
Реферат
В настоящие время доказано необходимость потребления человеком нерастворимых и растворимых пищевых волокон, в частности, р-глюкана. Это вещество обладает широким спектром биологической активности. Перспективные источники р-глюкана для пищевых целей — зерновые культуры (ячмень, пшеница и овес). Повышенный интерес к зерновым культурам связан с высоким содержанием растворимых разветвленных не крахмалистых полисахаридов, из которых возможно получение р-глюкана. Особенно следует отметить положительное влияние овса на организм человека в процессе питания. Применение овса в питании человека обусловлено энергетической ценностью и содержанием биогенных веществ. Экстракционные способы получения р-глюкана из зерновых культур и отходов их переработки предусматривают использование растворов щелочей и кислот. Эти вещества агрессивны, вызывают коррозию оборудования, опасны в производстве для человека, кроме того на стадиях выделения р-глюкана технологические среды необходимо нейтрализовать кислотами. Представленные в статье результаты исследований получены в Казанском национальном исследовательском технологическом университете. Цель настоящей работы — определение влияния ферментативной обработки овсяных отрубей на выход р-глюкана. Установлено, что сочетание предварительной гидробаротермической обработки и последующей ферментативной обработки овсяных отрубей — более эффективный способ, так как выход р-глюкана выше по сравнению с щелочным способом предварительной обработки сырья соответственно 12,9 и 9,6%. Способ предварительной обработки овсяных отрубей также влияет на содержание р-глюкана в конечном продукте после сушки. Предварительная гидробаротермическая обработка и последующая ферментативная обработка овсяных отрубей позволяет получить конечный продукт с более высоким содержанием р-глюкана по сравнению с предварительной щелочной обработкой. При содержании р-глюкана в продукте 87,9%, полученном сочетаем предварительной гидробаротермической обработки и ферментативной обработки овсяных отрубей, содержится меньшее количество сопутствующих веществ, в частности, простых сахаров.
Авторы
Гематдинова Венера Маратовна, аспирант; Канарская Зося Альбертовна, канд. техн. наук; Канарский Альберт Владимирович, д-р тех. наук, профессор Казанский национальный исследовательский технологический университет,
420015, Республика Татарстан, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68, [email protected], [email protected], [email protected]
Enzymatic isolation of p-glucan from oat cucumbers
Key words
p-glucan; hydrobarothermic, alkaline enzymatic treatment; oat bran.
Abstract
At the present time, the necessity of human consumption of insoluble and soluble dietary fiber, in particular, p-glucan, has been proved. This substance has a wide spectrum of biological activity. Prospective sources of p-glucan for food purposes are crops (barley, wheat and oats). The increased interest in cereals is associated with a high content of soluble branched non-starchy polysaccharides, from which p-glucan production is possible. Especially it should be noted the positive effect of oats on the human body in the process of nutrition. The use of oats in human nutrition is determined by the energy value and the content of nutrients. Extraction methods for the production of p-glucan from cereal crops and waste from their processing involve the use of solutions of alkalis and acids. These substances are aggressive, cause corrosion of equipment, are dangerous in human production, in addition, at the stages of p-glucan release, technological media must be neutralized with acids. The results of the research presented in the article were obtained at the Kazan National Research Technological University. The purpose of this work is to determine the effect of enzymatic treatment of oat bran on the yield of p-glucan. It has been established that the combination of the preliminary hydrobarothermal treatment and the subsequent enzymatic treatment of oat bran is a more effective method, since the yield of p-glucan is higher compared to the alkaline pretreatment of raw materials, respectively, 12.9 and 9.6%. The method for pretreating oat bran also affects the content of p-glucan in the final product after drying. Preliminary hydrobarothermal treatment and subsequent enzymatic treatment of oat bran allows to obtain the final product with a higher content of p-glucan in comparison with the preliminary alkaline treatment. When the content of p-glucan in the product is 87.9%, obtained by combining the preliminary hydrobarmical treatment and the enzymatic treatment of oat bran, there are fewer concomitant substances, in particular, simple sugars.
Authors
Gematdinova Venera Maratovna, Post-graduate Student;
Kanarskaya Zosya Albertovna, Candidate of Technical Science;
Kanarskiy Albert Vladimirovich,
Doctor of Technical Science, Professor
Kazan National Research Technological University,
68 Karl Marx str., Kazan, 420015, Republic of Tatarstan, Russia,
