К вопросу глубокой переработки зерна тритикале Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК: 664.66:634

К вопросу глубокой переработки зерна тритикале

Н.Р. Андреев, д-р техн. наук, чл.-корр РАН; В.В. Колпакова, д-р техн. наук, профессор; В.Г. Гольдштейн, канд. техн. наук

ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Московская обл., пос. Красково

Основным сырьем для производства продукции глубокой переработки зерна являются кукуруза и пшеница. По сравнению с этими зерновыми культурами воспроизводство зерна тритикале пока еще занимает незначительный объем, но, начиная с 1990 г., он постоянно растет. Так, если в 1989 г. мировой урожай зерна тритикале составлял 250 тыс. т зерна, то в 2005 г. сбор зерна вырос до 14 млн т, в 2009 г. - до 16 млн т, а в 2014 г. - до более чем 17 млн т [1].

Преимущества аминокислотного состава белков тритикале делают возможным развитие направления по выделению белковых продуктов из муки, зерна и отрубей тритикале для пищевых и кормовых целей, чтобы использовать их как функционально-технологические добавки или белковые обогатители. По сравнению с пшеницей и кукурузой, зерно тритикале имеет повышенное количество лизина в белке, а также сопоставимые показатели по массовой доле белка с зерном ржи и пшеницы. однако массовая доля свободных аминокислот в зерне тритикале больше, чем в зерне пшеницы [2], то есть композиция белков этих культур может обеспечить более сбалансированный состав незаменимых ами-

нокислот, таких как изолеицин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин и треонин [3-5]. Перевариваемость белков пшеницы и тритикале практически одинаковая: 90,3 и 89,3 % соответственно. Целью исследовании стала разработка биокаталитических режимов получения пищевых белковых концентратов и кормовых микробно-растительных продуктов методом биоконверсии побочных продуктов переработки зерна тритикале на крахмал.

При проведении исследовании применяли следующие ферментные препараты (ФП): Distizym Protacid GL (компании Erbslöh Geisenheim AG, Германия), Viscoferm (компании Novozymes, Дания). Использовали зерно тритикале сортов Бард, Легион, Консул, полученных от Донского зонального научно-исследовательского института сельского хозяйства. Массовую долю влаги определяли по ГОСТ 13586, массовую долю белка - на приборе К-424 (ГОСТ 10842), массовую долю крахмала (ГОСТ 10845) - с использованием поляриметра Polartronic - N, массовую долю растворимых веществ - методом Шоха [6]. Аминокислотный анализ проводили на жидкостном хроматографе модели L-8800 фирмы «Hitachi» (Япония).

Экстракт

i

Зерно (мука) Замачивание

Растворимые фракции белков

zznz

}-

Диспергирование и разделение измельченной массы

Двухстадийное осаждение и сушка белков

ш

Сыворотка

Клетка (мезга) и крахмал Б

Белковые концентраты

Биоконверсия побочных продуктов

II

Белковый корм

Рис. 1. Блок-схема извлечения и трансформации белков тритикале

е е

Крахмал А

По технологической блок-схеме (рис. 1) зерно тритикале замачивали 16 ч в 0,4% растворе метабисульфита натрия при 50 °С и гидромодуле 1:2, от зерна отделяли экстракт, зерно подвергали дроблению на блендере Braun.

Полученную кашку обрабатывали ферментами Distizym Protacid GL (из расчета 50 г/т товарного зерна) и Viscoferm (из расчета 100 г /т товарного зерна) при 50 °С и величине рН 4,6 в течение 5 ч), вязкость кашки перед центрифугированием снижалась до 3 мПа^с (рис. 2).

По истечении процесса ферментации от зерновой массы центрифугированием отделяли жидкую фракцию и использовали ее для замачивания зерна, а полученную после центрифугирования зерновую массу смешивали с водой в соотношении 1:1,3 к массе перерабатываемого зерна и подвергали повторному дроблению на блендере Braun в течение 3 мин. Полученную зерновую массу промывали на капроновом сите № 70 для отделения мезги от крахмалобел-ковой суспензии. Крахмалобелковую суспензию разделяли на лабораторной центрифуге ОЦМ при 4 тыс. об /мин в течение 5 мин.

Исследование процесса выделения белков выполнено в двух стадиях с экстрактом зерна тритикале, содержащего массовую долю СВ 10,5% при массовой доле белков 18,3%, рН -5,0. Гидромодуль экстракции изменяли на I и II стадии от 1:10 до 1:25 -без использования раствора щелочи. С увеличением гидромодуля от 1:10 до 1:15 растворимость белков увеличивалась почти на 10%, а при 1:25 -еще на 8,7% и достигала почти 98%.

Для окончательного определения параметров выделения белков из экстракта выполнено моделирование процесса экстрагирования белков на I и II стадиях с учетом используемого выходного параметра -суммарной растворимости (r) белков и факторов: массовой доли ФП (Cf), продолжительности экстракции (t) и гидромодуля (Gm) (рис. 3).

При математической обработке экспериментальных данных с помощью программы Statistica 10 максимальная растворимость белков экстракта достигнута при дозировке фермента Distizym Protacid 136 ед/г, гидромодуле экстракции 1:19 и продолжительности экстракции 3,7 ч.

Изучение возможности получения максимального выхода белков методом осаждения в изоэлектри-ческой точке проводили из раствора с их массовой долей 94,4-97,0%. При изменении рН в кислой среде белок терял устойчивость и выпадал в осадок. Диапазон значений

П, мПа c

Рис. 2. Зависимость вязкости ц, мПа от продолжительности

t, час, ферментации, концентрации фермента Viscoferm ^100 г/т

и фермента Distizym GL fd=50 г/т

r, %

Рис. 3. Зависимость растворимости белков экстракта г, % от продолжительности ^ час и концентрации ФП Cf, ед/г при гидромодуле экстракции 1:19

изоэлектрическои точки практически одинаков для белков экстракта и составил рН 2,5-4,5. Результаты исследовании свидетельствуют о некоторых отличиях в составе белков тритикале и отсутствии различии в значении изоэлектрической точки при разных значениях рН исходного раствора. Выход белков с осадком при рН 4,2-4,3 составил 55,8-69,4% от их общего количества (рис. 4), при этом, чем меньше гидромодуль экстракции, тем выход белков больше.

Для дополнительного получения белков из сыворотки, полученной при гидромодуле 1:19, исследовали влияние ферментного препарата трансглютаминазы (ФП ТГ), обладающей способностью агрегировать белки.

При исследовании действия ФП ТГ на осаждение белков из исходного белкового экстракта (массовая доля СВ 6,8 %) установлено, что выход белков составил до 71,4% при массовой доле дозировки ТГ «К-1» 14,917,2 ед/г (рис. 5).

ПРИ

1:14

HU

1:2*

Гидромодуль

' Белки в экстракте, % от общего количества Белки, % от общих в экстракте, осадок Белки, % от общих в экстракте, сыворотка Рис. 4. Осаждение белков экстракта при рН 4,2-4,3

В полученных белковых препаратах (БК) средняя массовая доля белков составляла 61,2%, что соответствовало требованиям ^dex stand для концентрированных раствори-

мых белков пшеницы, определены показатели биологической ценности, функциональных свойств и безопасности для использования в пищевых продуктах. Для оценки химическо-

$11 1<М? 11Г1 14. SS 1"Л< 21,72

Концентрация ФП, ед/г СВ

—Сыворотка .. Осадок белков

Рис. 5. Влияние концентрации ТГ «К-1» на выход белков

Химический состав БК тритикале, %

Таблица 1

Массовая доля, % Массовая доля, % на СВ

Влага Белок N x 6,5 Углеводы Клетчатка Жир Зола

5,61±1,50 82.4 ±0,7 13,51±1,3 1,20±0,15 0,89±0,01 2,0±0,3

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Рис. 6. Аминокислотный состав БК тритикале

Образование биомассы дрожжами Trich. pullulans Y- 955 и P. kudriavzevii 4295, рН среды 5.5

Таблица 2

Биомасса, г/100 мл

Культуры Сутки

1 2 3 4 5 6 7

Trichosporon pullulans Y-955 0,6 0,85 1,1 1,2 1,21 1,22 1,24

Pichia kudriavzevii 4295 0,2 0,26 0,29 0,32 0,35 0,30 0,30

го состава определяли массовую долю влаги, белка, жира, клетчатки, зольности, минеральных веществ, результаты анализов представлены в табл. 1.

Результаты анализа аминокислотного состава белков (рис. 6) показали, что БК содержал высокую массовую долю аспарагиновой, глютами-новой кислот, аргинина, что в целом

свойственно белкам зерновых культур [7].

Достоинством БК явилось высокое содержание незаменимых аминокислот: валина, изолейцина, лейцина, тирозина, фенилаланина, треонина и лизина.

Отбор наиболее продуктивных и технологичных дрожжей для воспроизводства белковых компонен-

тов проходил на питательной среде из сыворотки, полученной при извлечении белка. Исследования проводили на культурах Rh. glutinis Y-994, Trich. pullulans Y-955, C. utilis Y-817, P. kudriavzevii Y-4295, Sacch. vini и Sacch. uvarum. Установлено, что культуры Trich. pullulans Y-955, P. kudriavzevii Y-4295, Sacch. vini и Sacch. uvarum активно усваивали субстрат, наибольшей урожайностью отличались дрожжи Trich. pullulans Y-955 и P. kudriavzevii 4295, представленные в табл. 2.

При рН 5.0 рост дрожжей приостанавливался и, по мере повышения щелочности среды, образование биомассы увеличивалось. максимальное образование биомассы дрожжами наблюдалось при рН 7.5-8.5. Количество белка в составе препаратов составляло 34-47%.

Изучение морфологических характеристик дрожжей показало, что три-тикалевый экстракт является высококачественной основой для получения питательных сред при микробиологическом синтезе дрожжей Trich. pullulans Y-955.

массовая доля свободных аминокислот в зерне тритикале больше, чем в зерне пшеницы, поэтому белковые препараты из зерна тритикале обладают повышенной биологической ценностью; для выделения белка до 86,7% от общего его содержания в исходном сырье определены рациональные параметры обработки экстракта: время ферментации - 3,7 часа, гидромодуль - 1:19, концентрация ферментов Distizym Protacid -136 ед./ г; применение на стадии осаждения белков фермента транс-глютаминазы обеспечивает их выход до 71,4-81,2% от общего количества в растворе; тритикалевый экстракт является высококачественной основой для получения питательных сред для микробиологического синтеза; установлена возможность использования сыворотки в качестве питательной среды для дрожжей рода Trichosporon pullulans Y-955, которые обладают способностью развиваться при высокощелочных значениях питательной среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тритикале // Материалы международной научно-практической конференции «Роль тритикале в стабилизации производства зерна, кормов и техноло-гии их использования». 4-5 июня 2014 г. -Ростов-на-Дону, 2014. - 202 с.

2. Витол, И.С. Белково-протеиназный комплекс зерна тритикале / И.С. Витол [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2015. - № 8. -С. 36-39.

3. Чумикина, Л.В. Активность ферментов обмена глутамина в прорастающем зерне тритикале / Л.В. Чумикина [и др.] // Физиология растений и генетика.- 2013. - Т 45. - № 5. -С. 390-398.

4. Карчевская, О.Е. Научные и технологические аспекты применения зерна тритикале в производстве хлебобулочных изделий / О.Е. Карчевская // Хлебопечение России. - 2013. - № 5. -С. 28-29.

5. Мелешкина, Е.П. Оценка качества зерна тритикале / Е.П. Мелешкина [и др.] // Хлебопродукты. - 2015. -№ 2. - С. 48-49.

6. Нечаев, А.П. Пищевая химия / А.П. Нечаев [и др.]. - 6-е изд. - СПб.: Гиорд, 2015. - 672 с.

7. Колпакова, В.В. Белок из пшеничных отрубей. Функциональные свойства белковой муки: эмульгирующие и пено-образующие свойства / В.В. Колпакова, А.Е. Волкова, А.П. Нечаев // Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 1995. -№ 1-2. - С. 34-37.

REFERENCES

1. Tritikale // Materialy mezhdun-arodnoj nauchno-prakticheskoj konfer-encii «Rol' tritikale v stabilizacii proiz-vodstva zerna, kormov i tekhnologii ih ispol'zovaniya». 4-5 iyunya 2014 g. -Rostov-na-Donu, 2014. - 202 p.

2. Vitol, I.S. Belkovo-proteinaznyj kom-pleks zerna tritikale / I.S. Vitol [i dr.] // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. -2015. - № 8. - P. 36-39.

3. Chumikina, L.V. Aktivnost' fermentov obmena glutamina v prorastayushchem zerne tritikale / L.V. CHumikina [i dr.] // Fiziologiya rastenij i genetika.- 2013. -T. 45. - № 5. - P. 390-398.

4. Karchevskaya, O.E. Nauchnye i tekh-nologicheskie aspekty primeneniya zerna tritikale v proizvodstve hlebobulochnyh izdelij / O.E. Karchevskaya // Hlebopech-enie Rossii. - 2013. - № 5. - P. 28-29.

5. Meleshkina, E.P. Ocenka kachest-va zerna tritikale / E.P. Meleshkina [i dr.] // Hleboprodukty. - 2015. -№ 2. - P. 48-49.

6. Nechaev, A.P. Pishchevaya himiya / A.P. Nechaev [i dr.]. - 6-e izd. - SPb.: Giord, 2015. - 672 p.

7. Kolpakova, V.V. Belok iz pshenichnyh otrubej. Funkcional'nye svojstva belkovoj muki: ehmul'giruyushchie i penoobra-zuyushchie svojstva / V.V. Kolpakova, A.E. Volkova, A.P. Nechaev // Izvestiya VUZov. Pishchevaya tekhnologiya. -1995. - № 1-2. - P. 34-37.

К вопросу глубокой переработки зерна тритикале Ключевые слова

белковый концентрат; зерно тритикале; крахмал; ферменты Реферат

Зерно тритикале имеет преимущества перед пшеницей и кукурузой по массовой доле свободных аминокислот и, в частности, по лизину, поэтому задача исследований состояла в максимальном извлечении белковых препаратов из зерна тритикале и определении их функциональных свойств. Ценность аминокислотного состава белков тритикале делает возможным развитие направления по выделению белковых продуктов из муки, зерна и отрубей тритикале для пищевых и кормовых целей, чтобы использовать их как функционально-технологические добавки или белковые обогатители. Установлены рациональные параметры (время, температура, гидромодуль, концентрация ферментов) для выделения 84,7-86,7% белка от общего его содержания в зерне тритикале. В полученных белковых препаратах средняя массовая доля белков составляла 61,2%, что соответствовало требованиям ^dex stand для концентрированных растворимых белков пшеницы. Результаты анализа аминокислотного состава белков показали, что белковые препараты содержал высокую массовую долю аспарагиновой, глютаминовой кислот, аргинина, что в целом свойственно белкам зерновых культур. Достоинством белковых препаратов явилось высокое содержание незаменимых аминокислот: валина, изолей-цина, лейцина, тирозина, фенилаланина, треонина и лизина. Применение на стадии осаждения белков фермента трансглютамина-зы обеспечивает выход до 71,4-81,2% от их общего количества в растворе. Определены пищевая и биологическая ценность белкового концентрата и его функциональные свойства. Установлена возможность использования сыворотки в качестве питательной среды для дрожжей Trich. pullulans Y-955 при получении кормовой биомассы. Максимальное образование биомассы дрожжами наблюдалось при рН 7.5-8.5. Количество белка в составе препаратов составляло 34- 47%.

Авторы

Андреев Николай Руфеевич, д-р техн. наук, чл.-корр. РАН, Колпакова Валентина Васильевна, д-р техн. наук, профессор, Гольдштейн Владимир Георгиевич, канд. техн. наук, ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 140051, Московская обл., пос. Красково, ул. Некрасова, д. 11, E-mail vniik@arrisp.ru

To the question of profound triticale grain processing Key words

enzymes; protein concentrate; starch; triticale grain Abstracts

Grain triticale has an advantage over wheat and corn at a free aminoacids partially by lysine, therefore the research task was to maximize the extraction of protein preparations from triticale grain and to determine their functional properties. The value of the amino acid composition of triticale proteins makes it possible to develop a direction for the allocation of protein products from flour, grain and bran triticale for food and feed purposes, to use them as functional and technological additives or protein dressers. In the obtained protein preparations, the average mass fraction of proteins was 61.2%, which corresponded to the requirements of the Cdex stand for concentrated soluble wheat proteins. The results of the analysis of the amino acid composition of proteins showed that the protein preparations contained a high mass fraction of aspartic, glutamic acids, arginine, which is generally characteristic of grain proteins. The advantage of protein preparations was the high content of essential amino acids: valine, isoleucine, leucine, tyrosine, phenylalanine, threonine and lysine. Rational parameters (time, temperature, hydromodule, enzyme concentration) for protein separation 84,7-86,7% of its total content in triticale grain were determined. Application of transglutaminase enzyme provides protein yield up to 71.4-81.2% of the total amount in the solution while sedimentation. The nutritional and biological value of protein concentrate, functional properties and directions of use in food production are determined. The possibility of using the whey as a nutrient medium for yeast Trich. pullulans Y-955 was studied for feed biomass production. The maximum formation of biomass by yeast was observed at pH 7.5-8.5. The amount of protein in the preparations was 34-47%.

Authors

Andreev Nikolay Rufeevich, Doctor of Technical Sciences, member-correspondent of the RSA,

Kolpakova Valentina Vasilyevna, Doctor of Technical Sciences, professor,

Goldstein Vladimir Georgievich, Candidate of Technical Sciences All-Russian Research Institute of starch products - branch Federal Science Center of food systems by V.M. Gorbatov of RSA, Nekrasov str., 11, the settlement of Kraskovo, Moscow region, 140051, Russia, vniik@arrisp.ru