CC BY
263
УДК 664.785.86
Получение концентрата в - глюкана из овсяных отрубей
для функциональных, продуктов питания
В. М. Гематдинова, аспирант; З. А. Канарская, канд. техн. наук;
А. В. Канарский, д-р техн. наук, профессор Казанский национальный исследовательский технологический университет
Овес, ячмень и некоторые другие зерновые культуры содержат значительное количество (1 ^ 3), (1 ^ 4) -р-й-глюкана, обычно называемого р-глюканом [1]. Это водорастворимый биополимер относят к пищевым волокнам, он привлекает значительное внимание диетологов, поскольку независимые исследования показали, что продукты питания, содержащие р-глюкан, снижают содержание холестерина в крови [2, 3, 4]. Также отмечено, что употребляя продукты питания, содержащие р-глюкан, можно поддерживать уровень сахара в крови, т. е. рекомендуемый глике-мический индекс [5].
В состав пищевых продуктов перспективно введение р-глюкана, полученного из овса и овсяных отрубей. В зерне овса содержание р-глюкана варьируется от 2 до 8,5 % и от 6 до 12 % в овсяных отрубях [5, 6]. р-глюкан в зерне овса распределен по всему эндосперму, однако в основном он сконцентрирован в клеточных стенках алейронов и субалейронов, которые при размоле переходят в отруби.
Алейроновые и субалейроновые слои и эндоспермную муку можно разделить измельчением и просеиванием. Однако известные обычные процессы непригодны для получения высококонцентрированных фракций р-глюкана. Относительно низкое содержание р-глюкана в обычных овсяных отрубях ограничивает их применение в составе функциональных продуктов питания. Концентраты р-глюкана, содержащие большее количество р-глюкана, чем овсяные отруби, позволяют производить пищевую продукцию, богатую р-глюканом, существенно не влияя на ее рецептуру, пищевые и вкусовые достоинства [7, 8].
Способы получения р-глюкана из овса основаны на применении ферментативного, кислотного и щелочного гидролиза белков и крахмала с последующим разделением твердой и жидкой фаз фильтрованием, ультрафильтрацией и центрифугированием. Эти процессы сопровождаются механическим разрушением твердой фазы, замораживанием
и оттаиванием. р-глюкан, растворенный в жидкой фазе, осаждается и высушивается, его выход из исходного сырья составляет 1,2-1,6%. Содержание р-глюкана молекулярной массой от 50 до 2400 кДа в готовом продукте, полученного этими методами, может достигать 95% [9, 10].
Рассмотренные способы проводят в водной суспензии высокой вязкости, что вызывает необходимость их разбавления для более полного выделения р-глюкана. Материальные потоки увеличиваются в объеме, что приводит к повышению капитальных затрат на оборудование, теплоэнергетических затрат на выделение и сушку из растворов низкой концентрации р-глюкана. Велики затраты на регенерацию растворителей, используемых для его осаждения. В совокупности снижается выход готового продукта, т. е. р-глюкана, из овса как сырья. Использование воды приводит к микробиологическому обрастанию материальных потоков, снижает качество готового продукта и вызывает необходимость очистки сточных вод. Присутствие липидов овса в сточных водах затрудняет эффективную их очистку и использование в водообороте.
Цель настоящей работы - получение концентрата р-глюкана из овсяных отрубей для использования в функциональных пищевых продуктах. Для достижения данной цели решались следующие задачи:
определение влияния измельчения и фракционирования на изменение состава овсяных отрубей, включая содержание р-глюкана;
определение влияния экстракции сырого жира на изменение состава овсяных отрубей, включая содержание р-глюкана;
определение состава мучки, образующейся при фракционировании овсяных отрубей.
Использованные в исследованиях овсяные отруби (недомол) получены при переработке овса голозерного шлифованного (Avena nudum) в муку. Отруби измельчали на лабораторной мельнице ЛМ-202 и просеивали через сито из шелковой ткани № 43.
Состав отрубей и полученного из них концентрата р-глюкана определялся стандартными методами:
массовая доля клетчатки - по ГОСТ 31675-2012-4,9 %;
крахмала - по ГОСТ 26176-9121,2 %;
массовая доля жира - по ГОСТ 13496.15-97-6,2%;
массовая доля сырого протеина -по ГОСТ 13496.4-93-16,1%;
массовая доля белка по Барштейну -по ГОСТ 20083-74-15,2%;
содержание влаги - по ГОСТ 31640-2012-11,1 %;
содержание золы - по ГОСТ Р 51411-99-2,9 %.
Определение содержания амилозы в крахмале проводили по методике, приведенной в работе [11].
Содержание р-глюкана в отрубях и концентрате определяли с предварительной щелочной и гидроба-ротермической обработкой и последующим ферментативным гидролизом крахмала а-амилаза AG XXL фирмы Novozymes (Швеция) и белков Proteks 6 L фирмы Genencor (Финляндия). Зерновая клетчатка и олигомеры белка и крахмала осаждались сульфатом аммония и отделялись центрифугированием при 15000 об /мин. Надосадочную жидкость обрабатывали 2-молярной серной кислотой в течение 60 мин. В гидро-лизате определяли содержание редуцирующих веществ [12]. Увеличение содержания в гидролизате редуцирующих веществ соответствовало содержанию р-глюкана в продукте.
Приведенные в табл. 1 результаты исследований показывают, что измельчение и фракционирование позволяют повысить содержание р-глюкана практически в 5 раз в овсяных отрубях. Следует отметить, что значение показателя, отражающего содержание р-глюкана в овсяных отрубях, зависит от способа предварительной обработки. В частности, предварительная щелочная обработка и последующая ферментативная обработка отрубей показывают несколько заниженные значения по сравнению с предварительной гидробаротермической обработкой и последующей ферментативной
КАЧЕСТВЕННОЕ СЫРЬЕ - ОСНОВА ДЛЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКЦИИ
ТЕМА НОМЕРА
Таблица 1
Изменение состава концентрата р-глюкана в зависимости от способа обработки овсяных отрубей, %
Отруби
Показатель исходные измельченные и фракционированные обезжиренные с последующим измельчением и фракционированием измельченные и фракционированные с последующим обезжириванием
Сырая клетчатка 11,4 12,1 14,3 14,2
Крахмал 39,3 16,4 17,8 17,9
Амилоза в крахмале 21,0 25,0 29,0 28,7
Сырой протеин 16,1 22,2 24,3 24,4
Белок по Барштейну 15,2 21,1 22,5 22,3
Сырой жир 8,2 9,1 - -
Влага 11,1 10,5 10,2 10,6
Зола 7,9 4,8 4,9 4,7
Содержание р-глюкана* 5,2/ 5,8 24,5 / 27,2 32,3 / 33,5 32,4/33,4
Выход р-глюкана - 23 23 23
* Числитель - определение с предварительной щелочной обработкой и последующей ферментативной обработкой; знаменатель - определение с предварительной гидробаротермической обработкой и последующей ферментативной обработкой.
Таблица 2
Состав мучки, полученной при фракционировании овсяных отрубей, %
Мучка из отрубей, обработанных
Показатель измельчением и фракционированием без обезжиривания и с последующим обезжириванием обезжириванием с последующим измельчением и фракционированием
Сырая клетчатка 2,1 2,2
Крахмал 81,3 81,4
Содержание амилозы в крахмале 22,3 21,9
Сырой протеин 1,5 1,6
Белок по Барштейну 1,3 1,4
Сырой жир 0,5 -
Влага 11,5 11,6
Зола 1,9,3 2,0
Содержание р-глюкана* 0,5 / 0,6 0,5 /0,6
Выход мучки 72 72
*Числитель - определение с предварительной щелочной обработкой и последующей ферментативной обработкой; знаменатель - определение с предварительной гидробаротермической обработкой и последующей ферментативной обработкой.
обработкой отрубей. С увеличением содержания в овсяных отрубях р-глюкана увеличивается и содержание сырого протеина, белка по Бар-штейну, незначительно клетчатки и сырого жира.
Измельчение и фракционирование овсяных отрубей приводит к снижению содержания зольных веществ. Наблюдается наиболее существенное снижение крахмала в овсяных отрубях. При фракционировании отделяется значительное количество крахмала с низким содержанием амилозы. Оставшийся в овсяных отрубях крахмал имеет повышенное содержание амилозы и увеличивает энзимрезистентность крахмала.
Наличие в овсяных отрубях сырого жира является отрицательным фактором. Для жиров характерно прогорка-ние, и продукты, содержащие жиры, не сохраняются продолжительное время. Экстрагирование сырого жира из измельченных и фракционированных овсяных отрубей позволяет решить проблему с прогорканием продукта, а также повысить в нем содержание р-глюкана.
Следует отметить, что экстракция жиров после измельчения и фракционирования овсяных отрубей по сравнению с экстракцией жиров из исходных овсяных отрубей позволяет увеличить производительность экстракционного оборудования, что связано с более полным заполнением рабочих объемов экстракционных аппаратов овсяными отрубями с меньшим содержанием (около 26%) крахмала и золы. При этом содержание р-глюкана в готовом продукте при обоих способах его получения сопоставимо по значению (см. табл. 1). Экстракция жиров приводит и к увеличению амилозы в крахмале, что связано, видимо, с высвобождением амилозы из липидноа-милозных комплексов.
Определение состава отсеянной от овсяных отрубей мучки показало, что в ней содержится незначительное количество р-глюкана, сырой клетчатки, сырого протеина, белка по Бар-штейну и зольные вещества (табл. 2). Преимущественно в мучке содержится крахмал и при этом на содержание амилозы в крахмале экстрагирование жиров практически не влияет. Малое содержание сырого жира содержится в мучке, полученной при обогащении овсяных отрубей сухим способом и сухим способом с последующим обезжириванием. Следует отметить, что мучка, отделенная от овсяных отрубей, обогащенных обезжириванием с последующим измельчением и фракционированием, практически не содержит сырого жира. Исходя из этого, данный вторичный ресурс, полученный при обогащении овсяных отрубей р-глюканом, может использо-
ваться для внесения в овсяную муку.
Полученные результаты подтверждают экономическую целесообразность и перспективность способа получения концентрата р-глюкана из овсяных отрубей, основанного на измельчении и фракционировании. Способ может быть реализован с использованием размалывающих мельниц и фракционаторов. Для повышения содержания в готовом продукте р-глюкана и энзимрезистентно-го крахмала, а также для исключения прогоркания продукта целесообразно сырой жир экстрагировать.
Таким образом показано, что сухим измельчением и фракционированием овсяных отрубей возможно достаточно полное извлечение р-глюкана из алейронового слоя с получением функционального пищевого продукта. Пищевой продукт, полученный по рас-
сматриваемой технологии, содержит до 33% р-глюкана. Кроме того продукт, полученный рассматриваемым способом, обогащается овсяным крахмалом, содержащим до 29% амилозы, которая придает крахмалу энзимре-зистентность и, также как и р-глюкан, выполняет роль пищевых волокон в питании человека.
Предлагаемая технология получения концентрата р-глюкана для функциональных продуктов питания исключает применение воды и, соответственно, энергетически выгодна, а также обеспечивает высокий выход продукта из овсяных отрубей, в частности, р-глюкана - 23%, мучки - 72%. Это говорит о незначительной потере сырья (5%) при использовании данной технологии получения продукта.
Работа выполнена в рамках госзадания Минобрнауки РФ (задание
№ 15.9949.2017 / ДААД) при финансовой поддержке Российского Фонда «Михаил Ломоносов» и «Иммануил Кант» DAAD (грант 91647680).
ЛИТЕРАТУРА
1. Wood, P. J. «Cereal p-glucan in diet and health», J. Cereal Sci., 2007. - 46. -рр. 230-238.
2. Brown, L. Cholesterol-lowering effects of dietary fiber: a meta-analysis/ L. Brown // Am. J. Clin. Nutr. - 1999. - 69. -рр. 30-42.
3. Ripsin, C. M. Oat products and lipid lowering: A meta-analysis/C. M. Ripsin [et al] // J Am Med Assoc. - 1992. - 267. -рр. 3317-3325.
4. Truswell, A. S. Cereal grains and coronary heart disease/A. S. Truswell // Eur J Clin Nutr, 2002. - 56. - рр. 1-14.
5. FDA. Food labeling: Health claims; Soluble dietary fiber from certain foods and coronary heart disease, Federal Register, 2003, 68. - рр. 44207-44209.
6. Peterson, D. M. «Oat Lipids: Composition, Separation and Applications» /D. M. Peterson // Lipid Technology. - 2002. - Vol. 14. - № 3. -рр. 56-59.
7. Lehtinen, P. Functional oat ingredients - Opportunities and challenges for food technology/P. Lehtinen [et al] // Cereal Foods World. - 2009. - № 54 (6). -рр. 267-271.
8. Vasanthan, T. Grain fractionation technologies for cereal beta-glucan concentration/T. Vasanthan & F. Temelli // Food Research International. - 2008. -№ 41 (9). - РР. 876-881.
9. Inglett, G. E. Oat soluble dietary fiber compositions, U. S. Pat. 373978. Application Date: 1989-06-30. 14./G. E. Inglett // Dietary fiber gels for preparing calorie reduced foods, U. S. Pat. 9719603. Application Date: 1995-11-28.
10. Vasanthan, T. Grain fractionation methods and products/ T. Vasanthan, F. Temelli // WO Pat. 02/ 27011 A2. Application Date: 2002-04-04.
11. Закирова, А. Ш. Применение фотоколориметрического метода для количественного определения амилозы в крахмале/А. Ш. Закирова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 10. - С. 195-198.
12. Morozova, Yu. A. Biosintez ksilanaz i celljulaz gribami roda trichoderma na poslespirtovoj barde [Biosynthesis of xylanases and cellulases with fungi of the genus trichoderma on the post-alcohol bard]/Yu. A. Morozova [et al] // Bulletin of Kazan Technological University. -2012. - V. 15. - № 19. - P. 120-122.
REFERENCES
1. Wood, P. J. «Cereal p-glucan in diet and health», J. Cereal Sci., 2007. - 46. - рр. 230-238.
2. Brown, L. Cholesterol-lowering effects of dietary fiber: a meta-analysis/L. Brown // Am. J. Clin. Nutr. - 1999. - 69. - рр. 30-42.
3. Ripsin, C. M. Oat products and lipid lowering: A meta-analysis/C. M. Ripsin [et al] // J Am Med Assoc. - 1992. - 267. -рр. 3317-3325.
4. Truswell, A. S. Cereal grains and coronary heart disease/A. S. Truswell // Eur J Clin Nutr, 2002. - 56. - рр. 1-14.
5. FDA. Food labeling: Health claims; Soluble dietary fiber from certain foods
and coronary heart disease, Federal Register, 2003, 68. - pp. 44207-44209.
6. Peterson, D. M. «Oat Lipids: Composition, Separation and Applications»/D. M. Peterson // Lipid Technology. - 2002. -Vol. 14. - № 3. - pp. 56-59.
7. Lehtinen, P. Functional oat ingredients - Opportunities and challenges for food technology/P. Lehtinen [et al] // Cereal Foods World. - 2009. - № 54 (6). - pp. 267271.
8. Vasanthan, T. Grain fractionation technologies for cereal beta-glucan concentration/T. Vasanthan & F. Temelli // Food Research International. - 2008. -№ 41 (9). - pp. 876-881.
9. Inglett, G. E. Oat soluble dietary fiber compositions, U. S. Pat. 373978. Application Date: 1989-06-30. 14./G. E. Inglett // Dietary fiber gels for preparing calorie reduced foods, U. S. Pat. 9719603. Application Date: 1995-11-28.
10. Vasanthan, T. Grain fractionation methods and products/T. Vasanthan, F. Temelli // WO Pat. 02/27011 A2. Application Date: 2002-04-04.
11. Zakirova, A. Sh. Primenenie fo-tokolorimetricheskogo metoda dlya koli-chestvennogo opredeleniya amilozy v krakhmale/ A. Sh. Zakirova // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo univer-siteta. - 2011. - № 10. - S. 195-198.
12. Morozova, Yu. A. Biosintez ksilanaz i celljulaz gribami roda trichoderma na poslespirtovoj barde [Biosynthesis of xylanases and cellulases with fungi of the genus trichoderma on the post-alcohol bard]/Yu. A. Morozova [et al] // Bulletin of Kazan Technological University. -2012. - V. 15. - № 19. - P. 120-122.
Получение концентрата ß-глюкана из овсяных отрубей для функциональных продуктов питания
Ключевые слова
измельчение; концентрат ß-глюкана; отруби овса; фракционирование Реферат
Способы получения ß-глюкана из овса основаны на применении ферментативного, кислотного и щелочного гидролиза белков и крахмала с последующим разделением твердой и жидкой фаз фильтрованием, ультрафильтрацией и центрифугированием. Эти способы приводят к увеличению материальных и теплоэнергетических затрат на выделение и сушку из растворов низкой концентрации продукта. Проведенными исследованиями показано, что сухим измельчением и фракционированием овсяных отрубей можно достаточно полно извлечь ß-глюкан из алейронового слоя с получением функционального пищевого продукта. Полученный по рассматриваемой технологии пищевой продукт содержит до 33% ß-глюкана и овсяный крахмал, содержащий до 29% амилозы, которая придает крахмалу энзимре-зистентность и, также как и ß-глюкан, выполняет роль пищевых волокон в питании человека. Установлено, что экстракция сырого жира из измельченных и фракционированных овсяных отрубей позволяет решить проблему с прогорканием продукта и повысить в нем содержание ß-глюкана. Отмечено, что экстракция жиров после измельчения и фракционирования овсяных отрубей по сравнению с экстракцией жиров из исходных овсяных отрубей позволяет увеличить производительность экстракционного оборудования, что связано с более высоким заполнением рабочих объемов экстракционных аппаратов овсяными отрубями с меньшим содержанием (около 26%) крахмала и золы. Определение состава отсеянной от овсяных отрубей мучки показало, что в ней содержится незначительное количество ß-глюкана, сырой клетчатки, сырого протеина, белка по Барштейну и зольные вещества. Предлагаемая технология получения концентрата ß-глюкана для функциональных продуктов питания исключает применение воды и, соответственно, энергетически выгодна, а также обеспечивает высокий выход продукта из овсяных отрубей: выход ß-глюкана - 23%, выход мучки - 72%. При этом потери сырья незначительны (5%).
Авторы
Гематдинова Венера Маратовна, аспирант, Канарская Зося Альбертовна, канд. техн. наук, Канарский Альберт Владимирович, д-р техн. наук, профессор Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д 68, venera. nas14@ yandex.ru; [email protected]; [email protected]
Obtaining of p-glucanum concentrate from oat cuts for functional foodstuffs
Key words
grinding; p-glucan concentrate; oat bran; fractionation Abstracts
Methods for the production of p-glucan from oats are based on the use of enzymatic, acidic and alkaline hydrolysis of proteins and starch, followed by separation of the solid and liquid phases by filtration, ultrafiltration and centrifugation. These methods of producing p-glucan result in an increase in the material and heat energy costs of separation and drying from solutions of low product concentration. Studies have shown that by dry grinding and fractionating oat bran, a complete extraction of p-glucan from the aleurone layer is possible to obtain a functional food product. Obtained by the technology under consideration, the food product contains up to 33% p-glucan and oat starch, containing up to 29% amylose, which gives the starch an enzyme resistance and, like p-glucan, acts as a dietary fiber in human nutrition. It is established that extraction of raw fat from crushed and fractionated oat bran allows to solve the problem with rancidation of the product and increase the content of p-glucan in it. It is noted that the extraction of fats after grinding and fractionating oat bran as compared to the extraction of fats from the initial oat bran allows to increase the productivity of the extraction equipment, which is associated with a more complete filling of the working volumes of the extracting apparatus with oat bran with a lower content (about 26%) of starch and ash. Determination of the composition of the meal screened from oat bran showed that it contains a small amount of p-glucan, crude fiber, crude protein, protein according to Barstein and ash substances. The proposed technology for producing -glucan concentrate for functional food products eliminates the use of water and, accordingly, is energetically beneficial and ensures a high yield of this product from oat bran. In particular, the yield of -glucan from oat bran reaches 23%, the yield of the flour is 72%. This indicates a slight loss of raw materials (5%) for this technology product.
Authors
Gematdinova Venera Maratovna, graduate student, Kanarskaya Zosia Albertovna, Candidate of Technical Sciences, Kanarskiy Albert Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor Kazan National Research Technological University, 68, K.Marx str., Razan, 420015, venera. [email protected]; [email protected]; alb46@ mail.ru
