Пищевые ингредиенты на основе ягодного и микробного сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

индустрия и нгредиентов

DOI 10.24411/9999-008A-2019-10001 УДК 664.651

Серба Е. М., доктор биологических наук, профессор РАН Волкова Г. С., доктор технических наук Фурсова Н. А.

Соколова Е. Н., кандидат биологических наук Курбатова Е. И., кандидат технических наук Юраскина Т. В.

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии -филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи

шшш

ПИЩЕВЫЕ ИНГРЕДИЕНТЫ НА ОСНОВЕ ЯГОДНОГО И МИКРОБНОГО СЫРЬЯ

.*i jr.* — * .X

Установлены особенности воздействия ферментов на выход сока из плодов облепихи и брусники, его вязкость, содержание экстрактивных сухих веществ, растворимых редуцирующих углеводов, феноль-ных веществ, содержание свободных аминокислот. Подобран ферментативный комплекс для биомассы пекарных дрожжей и разработан алгоритм получения новых пищевых ингредиентов.

The features of the effect of enzymes on the yield of juice from the fruits of sea buckthorn and cranberries, its viscosity, the content of extractive solids, soluble reducing carbohydrates, phenolic substances, the content of free amino acids. The enzymatic complex for the biomass of baking yeast was selected and an algorithm for obtaining new food ingredients was developed.

Ключевые слова: брусника, облепиха, дрожжевая биомасса, фер-ментолизат.

Keywords:cowberry,seabuckthorn, yeast biomass, fermentolizates

Одним из перспективных методов повышения биологической полноценности пищевых продуктов, направленных на оптимизацию нутриома и микробиома человека, является вовлечение в состав пищевых продуктов функциональных ингредиентов, полученных на основе биокаталитической конверсии растительной и микробной биомассы [1,2].

Микробная биомасса является перспективным источником белка, полиаминосахаридов, витаминов, незаменимых аминокислот, и других эссенциальных нутриентов [3].

Высокая биологическая ценность ягодного сырья определяется широким спектром находящихся в них биологически активных веществ, таких как полифенолы, витамины, каротины, минеральные, пектиновые вещества [4, 5].

Работы большого числа зарубежных и отечественных исследователей посвящены проблеме повышения эффективности переработки сырьевых источников растительного и микробного происхождения [2-5]. При этом рациональный подход к подбору способа воздействия на растительную ткань и субклеточные структуры микробного сырья является важным аспектом для извлечения биологически активных компонентов и сохранения их природной ценности. Очевидно, что ферментативный метод позволяет осуществлять направленную конверсию высокомолекулярных полимеров в биодоступные для пищеварительных ферментов формы с получением пищевых ингредиентов, обладающих ценными биологическими свойствами (ан-тиоксидантными, иммуномодули-рующими и др.) [3,4].

Имеются многочисленные исследования биокаталитической технологии получения соков, морсов, настоев, экстрактов и др. из

плодово-ягодного и растительного сырья, обеспечивающие повышение выхода, качества и сохранности целевой продукции [4,5]. Рядом исследователей подобраны и охарактеризованы ферментные системы различной субстратной специфичностью и механизмом действия для деструкции растительной и микробной биомассы, использование которых приводит к увеличению степени конверсии внутриклеточных биополимеров [4-6]; исследованы биотехнологические методы и подходы для биокатализа полимеров перерабатываемого сырья [6-9]. Однако остаются малоизученными возможности ферментативной модификации отдельных видов растительного сырья и дрожжевой биомассы для создания новых пищевых ингредиентов, обогащенных биологически активными веществами, что определяет актуальность выбранного направления исследований.

Цель исследования - разработка научно-технического задела

№1 февраль 2019

Пищевая Индустрия

¡5 100

кш1|1ш

и 1 2 3 4 5

т

го

[=п 1 - выход сока-самотека;

2 -вязкость; 3- растворимые сухие вещества; 4 - редуцирующие вещества; 5 - фенольные соединения

■ Полигалактуроназа ■ Пектинэстераза Пектат-лиаза Пектин-лиаза ■ Контроль

Рисунок 1. Влияние ферментов, катализирующих конверсию пектиновых веществ облепихи на физико-химические показатели сока

Таблица 1 - Влияние состава пектолитического комплекса и длительности гидролиза на выход сока-самотека (см3) из ягод

облепихи

Время, мин 30 60 90 120 240

контроль 18,1 18,2 18,8 19 18,4

5 ед.эндо-ПгС + 10 ед ПэС 19,0 19,6 23,3 23,8 23,1

10 ед.эндо-ПгС + 20 ед ПэС 19,5 20,8 23,8 24,6 23,8

20 ед.эндо-ПгС + 50 ед ПэС 21,0 22,5 25,5 27,9 24,8

40 ед.эндо-ПгС + 100 ед ПэС 22,0 23,5 26,8 28,9 25,4

Таблица 2 - Влияние состава пектолитического комплекса и длительности гидролиза на содержание редуцирующих веществ (%) в соке облепихи

Время, мин 30 60 90 120 240

контроль 8,7 8,8 8,8 8,8 8,6

5 ед.эндо-ПгС + 10 ед ПэС 9,0 9,1 9,3 9,6 9,2

10 ед.эндо-ПгС + 20 ед ПэС 8,9 9,0 9,2 9,2 9,0

20 ед.эндо-ПгС + 50 ед ПэС 9,2 9,4 9,8 10,1 9,7

40 ед.эндо-ПгС + 100 ед ПэС 9,3 9,5 10,0 10,2 9,8

биотехнологий пищевых ингредиентов на основе микробного и растительного происхождения для создания новых видов пищевых продуктов.

материалы и методы

Объектами исследований являлись ягоды дикорастущей облепихи и брусники, а также биомасса дрожжей Saccharomyces cerevisiae (штаммы YD-53, Y-3439, №581).

При проведении ферментативного гидролиза использовали следующие ферментные препараты: полигалактуроназа (продуцент - Zygofabospora marxiana, активность ПгС 900 ед/г, пр-во Россия), пектинэстераза (продуцент - Asp. niger, активность ПэС 57 ед/г, «Novozymes», Дания), пектат-лиаза и пектин-лиаза (продуцент B. circulans, активности пектат-лС 48400 ед/г, пектин-лС 5950 ед/г, ОАО «Восток»), гемицел-люлаза - продуцент Trichoderma longibrahiatum, активность ß-ГкС 1400 ед/г, препарат «Брюзайм», «DSM»); целловиридин (продуцент Trichoderma viride, активность ЦС 2000 ед/г, ООО «Промфермент», Россия); протеаза (продуцент Asp. oryzae, активность ПС 600 ед/г, ВНИИПБТ, Россия), глюканофоетидин (продуцент Asp. foetidus, активность ß-ГкС 600 ед/г, ВНИИПБТ, Россия).

Уровень активности пектоли-тических ферментов, полигалак-туроназы и пектинэстеразы опре-делялисогласноГОСТР55298-2012; ß-глюканазы (ß-ГкС) - ГОСТ Р 539732010; ксиланазы (КС) - ГОСТ Р55302-2012, целлюлазы (цС) - ГОСТ Р 55293-2012; протеаз (ПС) -ГОСТ Р 53974-2010; пектин-лиазную активность (пектин-лС) - ГОСТ Р 55979-2014.

В сырье и ферментолизатах а на-лизировали содержание пектиновых веществ по ГОСТ 29059-91; полисахаридов и редуцирующих сахаров - по методу Шомоди-нельсона. Концентрацию азота определяли по методу Къельдаля ГОСТ 10846-91, содержание белка рассчитывали, используя коэффициент 6,25. Вязкость ферменто-лизатов плодово-ягодного сырья определяли вискозиметрическим методом на капиллярном вискозиметре Оствальда; растворимых сухих веществ (СВ) - рефрактометрическим методом; общее содержание фенольных - спектрофото-метрическим методом при участии реактива FolinCiocalteu с ко-

эффициентом поглощения 725 нм. Определение витамина С проводили титриметрическим методом (Р 4.1.1672-03 «Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище»).

Культивирование дрожжей БассЬаготусез сегеуЫае проводили на качалочном аппарате в течение 20 часов при температуре 30оС.

Приготовление ферментолизатов биомассы пекарных дрожжей

1 этап. Фермент гемицеллюла-за 50 ед/г. Режим ферментолиза: 40оС в течение 2 часов.

2 этап. Фермент протеаза 30 ед/г. Режим ферментолиза: 30-35оС в течение 12 часов.

После проведения ферментолиза образцы дрожжевой биомассы пастеризованы при температуре 85оС в течение 20 мин на водяной бане. Далее дрожжевая

биомасса отфильтрована на лабораторной центрифуге в течение 15 мин при 6000 об/мин.

Статистическую обработку данных, полученных не менее, чем в 3-х повторностях, осуществляли с помощью программы Microsoft Excel 2011.

результаты и

ОБСУЖДЕНИЕ

В результате воздействия ферментов, катализирующих конверсию пектиновых веществ, получены ферментолизаты ягод облепихи и брусники с различными физико-химическими показателями (рис.1, табл. 1-4).

Установлено, что наибольший выход сока-самотека (145%) и растворимых углеводов (150%) по сравнению с контрольным образцом получен при обработке ягод облепихи ферментами полигалак-туроназного действия (рис.1). Каталитическое действие пектат- и пектинлиаз больше сказалось на

ИНДУСТРИЯ ИНГРЕДИЕНТОВ

вязкости сока, которая снизилась и составила 40% по сравнению с показателями контрольного образца.

В связи с тем, что ферменты по-лигалактуроназа и пектинэстераза могут проявлять синергизм действия, исследована возможность повышения эффективности биокатализа пектиновых веществ обле-пихового сырья путем их совместного применения в различных соотношениях (табл.1, 2).

Установлено, что использование ферментативного комплекса 40 ед. ПгС/г + 100 ПэС/г позволяет достичь максимального выхода сока-самотека и растворимых сухих веществ, но расход фермента при этом весьма существенный, поэтому оптимальным является применение комплекса 20 ед. ПгС/г + 50 ед. ПэС/г, который за 2 часа гидролиза позволяет увеличить выход сока-самотека на 46,8 % и его экстрактивность на 14,7% (табл. 2).

Установлено, что в брусничном соке, полученном с применением ферментных препаратов, увеличение содержания титруемых кислот в 1,1-1,15 раза, РВ (в пересчете на глюкозу) в 1,2-1,55 раза, витамина С в 1,1-1,3 раза, каротиноидов (в пересчете на Р-каротин) в 2,32,7 раза по сравнению с соком, полученным без применения ферментных препаратов.

На следующем этапе проведены сравнительные исследования действия ферментных препаратов глюканофоетидин, полигалактуро-наза и целловиридин, а также комплекса ферментов, состоящего из полигалактуроназы, гемицеллю-лаз и протеаз (табл.3).

На основании полученных экспериментальных данных (табл.3) наиболее эффективным биокатализатором для деструкции полимеров облепихи является комплекс из полигалактуроназы, ге-мицеллюлаз и протеаз, т.к. содержит ферменты пектолитического, протеазного и гемицеллюлазного действия, что позволяет воздействовать на белковые вещества, некрахмальные полисахариды и пектиновые вещества сырья.

С использованием подобранного ферментативного комплекса проведена биокаталитическая деструкция облепихи и брусники (табл.4).

Показано, что комплекс ферментов пектолитического, гемицеллюлазного и протеолитическо-го действия способствует повышению выхода фенольных веществ, каротина и витамина С.

Таблица 3 - Влияние ферментных препаратов различного спектра действия на выход сока-самотека, фенольных веществ и редуцирующих углеводов из облепихи (в % от контроля).

Глюканофоетидин Полигалактуроназа Целловиридин Комплекс

Сок-самотек Фенольные вещества Редуцирующие углеводы

130 150 120

122 140 117

118 138

125 160

110 116

Таблица 4 - Влияние подобранного ферментного комплекса на выход биологически активных веществ из плодово-ягодного сырья

Наименование Фенольные вещества, мг/дм3 Витамин С, мг% Каротин, мг%

Облепиха + комплекс ферментов 2980,5 ± 150,0 235,0± 12,0 14,2±0,7

Облепиха (контроль) 2474,9 ± 150,0 198,0 ± 10,0 12,0±06

Брусника + комплекс ферментов 6678,1 ± 330,0 198 ± 10 1,6±0,1

Брусника (контроль) 5709,5 ± 285,0 149 ± 0,8 1,20±0,1

Таблица 5 - Содержание низкомолекулярных пептидов и свободных аминокислот в ферментолизатах дрожжевой биомассы

Показатели Значение показателя при времени ферментолиза 2 ч в-глюканаза, маннаназа, протеиназы, пептидазы

Состав ферментов

Степень деструкции глубокая деструкция белково-полисахаридного матрикса клеточных стенок и частичная деструкция белковых веществ

Фракционный состав белковых веществ, % Более 1000 Да - 40 300-1000 Да - 35 До 300 Да - 25

На основе разработанных принципов направленной биокаталитической деструкции микробной биомассы подобраны ферментные системы для проведения гидролиза субклеточных структур дрожжевой биомассы БассЬаготусе$ (штаммы Уй-53, У-3439, №581). Результаты представлены в табл.5.

Воздействие ферментативной системы, содержащей пептидазы и протеиназы, способствовало более глубокой деструкции белково-полисахаридного матрикса клеточных стенок и частичному гидролизу белков с образованием уже за 2 ч растворимых белковых

веществ, содержащих аминокислоты в свободной форме.

В полученных ферментолизатах облепихи, брусники и дрожжевой биомассы определяли содержание свободных аминокислот, результаты представлены на рис.2.

Проведен анализ содержания отдельных аминокислот в фер-ментолизатах облепихи и брусники. В ферментолизате облепихи наибольшее увеличение содержания аминокислот отмечено на 32,8% (пролин) и 41,5% (триптофан), в ферментолизате брусники на 2,1% (гистидин), так же увеличилась сумма аминокислот.

к о

р- 160 -

! ! Л и || Н

ГО

^ Облепиха Брусника Штамм У-53 Штамм У-3439

Виды сырья

■ контроль ■ ферментолизат

Рисунок 2. Содержание аминокислот в ферментолизатах исследуемых видов сырья

№1 февраль 2019

Пищевая Индустрия

Таким образом, использование биокатализаторов разной специфичности действия позволяет повысить эффективность переработки растительного и микробного сырья, регулировать процессы деструкции высокомолекулярных полимеров с целью повышения выхода ценных компонентов различного качественного и количественного состава.

ВЫВОДЫ:

1. Установлены особенности воздействия ферментов, катализирующих конверсию пектиновых веществ, на выход сока, его вязкость, содержание в нем экстрактивных сухих веществ (РСВ), растворимых редуцирующих углеводов (РВ), фенольных веществ при обработке ягод.

2. Установлено, что дозировка ферментов пектиназ-ного действия 20 ед. ПгС/г + 50 ед. ПэС/г и длительность воздействия 2 часа при 500С являются оптимальными условиями биоконверсии ягод облепихи и ягод брусники.

3. Показано, что для эффективной биокаталитической конверсии дрожжевой биомассы необходимо использовать ферментативный комплекс, включающий протеазы, в-глюканазы и маннаназы.

4. Установлено, что применение ферментативной обработки позволяет увеличить содержание свободных аминокислот в ферментолизатах облепихи, брусники и биомассы пекарных дрожжей.

Исследования проведены в рамках поддержки фундаментальных научных исследований президиума Российской Академии Наук № 529-2018-0111.

Литература:

1. Тутельян В.А. Пищевые ингредиенты в создании современных продуктов питания / под ред. В.А. Тутельяна, А.П. Нечаева. М. ДеЛи плюс, 2014. 520 с.

2. Причко Т. Г. Моделирование рецептурных композиций функциональных продуктов питания из плодово-ягодного сырья / Т. Г. Причко, Н. В. Дрофичева // Пищевая промышленность. - 2015. - № 7. - С. 18-20.

3. Поляков В.А., Римарева Л.В., Серба Е.М., Погоржельская Н.С., Рачков К.В.Биологически активные добавки микробного происхождения как фактор, формирующий функциональные свойства пищевых продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 12. С. 43-47.

4. Воробьева Е.В., Абрамова И.М., Головачева Н.Е., Морозова С.С., Галлямова Л.П., Шубина Н.А. Влияние ферментативной обработки на процесс производства спиртованных морсов из сушеного сырья //Хранение и переработка сельхозсырья. 2018. № 2. С. 28-33.

5. Фоменко О.С. Физиологический эффект и безопасность применения растительных добавок в технологии продуктов питания / О. С. Фоменко // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2015. - № 3. - С. 24-28.

6. Алексеенко Е.В., Дикарева Ю.М., Траубенберг С.Е., Оста-шенкова Н.В., Белявская И.Г. Влияние условий биокатализа ягод облепихи на выход сока и физиологически функциональных ингредиентов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 9. - с. 38-40.

7. Алексеенко Е. В. Исследование влияния предварительной обработки ягод брусники c применением композиции ферментных препаратов на химический состав сока/ Е. В. Алексеенко, Е. А. Быстрова, Ю. М. Дикарева // Вестник ВГУИТ / Proceedings of VSUET. - 2017. - Т. 79. - №. 1. - С. 282-289.

8. Nogala-Kalucka M. Phytochemical Content and Antioxidant Properties of Seeds of Unconventional Oil Plants // Journal of the American Oil Chemists' Society, 2010, Vol. 87. - №12. - Р. 1481-1487.

9. Быстрова Е. А. Исследование компонентного состава фенольных соединений и антиоксидантной активности брусничного сока / Е. А. Быстрова, Е. В. Алексеенко // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2017. -Т. 7. - №. 3 (22). - С. 19-26.

I

ПРОИЗВОДИТЕЛЬ И ПОСТАВЩИК ИНГРЕДИЕНТОВ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

(мясная, рыбная, кондитерская, молочная)

Натуральные и водорастворимые смеси специй, эмульгаторы, фосфаты, смеси для инъекций, ЗАМЕНИТЕЛИ ЯИЧНОГО ПОРОШКА, белковые функциональные смеси, колбасный краситель, ускорители

созревания, маринады, обсыпки, лактаты. Любые вкусовые букеты, в том числе зарубежные, по вашему заказу.

ПРИГЛАШАЕМ ДИЛЕРОВ К СОТРУДНИЧЕСТВУ