Режимы экструзии шрота подсолнечника как фактор его предобработки для ферментативного гидролиза

Шариков А.Ю.; Середа А.С.; Великорецкая И.А.; Костылева Е.В.; Степанов В.И.; Иванов В.В.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ И ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ / PHYSICO-CHEMICAL AND GENERAL BIOLOGY

Оригинальная статья / Original article

УДК 678.027.3+577.15 / 66-963

DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-61 -67

РЕЖИМЫ ЭКСТРУЗИИ ШРОТА ПОДСОЛНЕЧНИКА

КАК ФАКТОР ЕГО ПРЕДОБРАБОТКИ ДЛЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии -филиал «ФИЦ питания и биотехнологии»

Процесс экструзии подсолнечного шрота был исследован в качестве способа подготовки сырья к водно-ферментативной обработке. Методом ортогонального композиционного планирования эксперимента исследовано влияние влагосодержания сырья в диапазоне 15-25% и скорости вращения шнеков в диапазоне 170-370 об/мин на изменение удельного расхода электроэнергии на экструзию и качество последующего гидролиза экструдата подсолнечного шрота ферментным комплексом протеазы и целлюлазы. Результаты эксперимента показали отсутствие значимого влияния режима экструзии на динамическую вязкость гидролизатов и степень гидролиза белка, которая была, в среднем, на 18,6% выше результатов гидролиза неэкструдированного шрота. Показано, что экструдирование при максимально благоприятных режимах обеспечивает повышение содержания восстанавливающих сахаров на 73% относительно неэкструдированного шрота и на 280% относительно исходного сырья. Установлено, что экструзия шрота подсолнечника повышает степень гидролиза белка, некрахмальных полисахаридов и снижает вязкость получаемых сред.

Ключевые слова: шрот подсолнечника, экструзия, ферментативный гидролиз, протеаза, целлюлаза, вязкость.

Формат цитирования: Шариков А.Ю., Середа А.С., Великорецкая И.А., Костылева Е.В., Степанов В.И., Иванов В.В. Режимы экструзии шрота подсолнечника как фактор его предобработки для ферментативного гидролиза // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6, N 4. С. 61-67. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-61 -67

EXTRUSION CONDITIONS AS PRETREATMENT FACTOR FOR SUNFLOWER MEAL ENZYMATIC HYDROLYSIS

A.Yu. Sharikov, A.S. Sereda, I.A. Velikoretskaya, E.V. Kostyleva, V.I. Stepanov, V.V. Ivanov

Russian Research Institute of Food Biotechnology -

branch of Federal Research Center of Nutrition, Biotechnology and Food Safety

Sunflower meal extrusion cooking process was investigated as pretreatment method for enzymatic hydrolysis. Effect of moisture content and screw speed on changes of specific mechanic energy and quality of subsequent hydrolysis of extruded sunflower meal with protease and cellulase was studied using central composite orthogonal design. The results obtained showed absence of significant influence of extrusion cooking conditions on the hydrolysates dynamic viscosity and protein hydrolysis degree. Average value of the extrudates protein hydrolysis degree increased by 18.6% compared with hydrolyzed non-extruded samples. Extrusion cooking at favorable processing conditions provided the increase of reducing sugars concentration by 73% and 280% compared with hydrolyzed non-extruded meal and unprocessed raw material, respectively. Extrusion cooking of sunflower meal was found to increase hydrolysis degree of protein and non-starch polysaccharides and reduce the hydrolysates viscosity. Keywords: sunflower meal, extrusion cooking, enzyme hydrolysis, protease, cellulase, dynamic viscosity

For citation: Sharikov A.Yu., Sereda A.S., Velikoretskaya I.A., Kostyleva E.V., Stepanov V.I., Ivanov V.V. Extrusion cooking conditions as pretreatment factor for sunflower meal enzymatic hydrolysis. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2016, vol. 6, no 4, pp. 61-67. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-61-67 (in Russian)

ВВЕДЕНИЕ

Шрот подсолнечника как сопутствующий продукт процесса маслоэкстракции является перспективным вторичным сырьевым ресурсом, прежде всего, дешевым источником белка. Невысокая стоимость позволяет использовать шрот подсолнечника в качестве компонента кормовых смесей, субстрата для культивирования микроорганизмов и сырья для получения пищевых белковых ингредиентов [1]. За исключением дефицита лизина, по питательной ценности и функциональным свойствам белки подсолнечника не уступают соевым и при этом не обладают антипитательными свойствами [2].

Наиболее широко шрот подсолнечника используется в кормопроизводстве, в составе рационов различных групп животных, главным образом, жвачных, но также и моногастричных [3]. Значительным алиментарным недостатком шрота подсолнечника является высокое содержание некрахмальных полисахаридов (НКП), состав и количество которых варьируется в зависимости от технологии переработки семечки, в первую очередь, от степени шелушения. Основными НКП подсолнечного шрота являются целлюлоза и арабиноксиланы. В среднем, в семенах подсолнечника общее содержание НКП составляет до 31,2% [4]. При потреблении в пищу компоненты клетчатки повышают вязкость перевариваемой массы, снижают утилизацию нутриен-тов, приводят к замедлению роста животных и птицы [5], в связи с этим нормы включения шрота подсолнечника в их рацион ограничены.

С целью рационального использования кормовых ресурсов при выращивании сельскохозяйственных животных и птицы в кормопроизводстве широко применяют ферментные препараты (ФП) целлюлолитического и гемицеллюло-литического действия. ФП целлюлаз и гемицел-люлаз способствуют устранению антипитательных свойств НКП, разрушают матрикс клеточных стенок и повышают доступность питательных компонентов для действия пищеварительных ферментов, что особенно актуально для моногастричных животных из-за отсутствия в их организме ферментов, расщепляющих клетчатку. Особую роль играют ФП в рационах для молодых животных, у которых недостаточно развита

пищеварительная система и еще не сформировалась микрофлора кишечника [6]. Помимо применения карбогидраз возможно использование протеолитических ферментных препаратов для гидролиза белков шрота с получением гидроли-затов с улучшенными функциональными и питательными свойствами. Также гидролизаты подсолнечника могут быть источником биоактивных пептидов [7].

Повысить качество процесса биоконверсии возможно за счет использования различных способов подготовки сырья к гидролизу, одним из которых является экструзия, обеспечивающая глубокую трансформацию основных биополимеров и повышение их атакуемости биокатализаторами [8]. Целью настоящей работы являлось исследование влияния режимов экструзии на качество гидролиза подсолнечного шрота про-теолитическими и целлюлолитическими ферментными препаратами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве объекта исследования использовали шрот подсолнечный тостированный влажностью 7,8% и содержанием белка 39% на абсолютно сухое вещество.

Экструдирование сырья проводили на лабораторном экструдере Werner&Phleiderer Continua 37 (Штутгарт, Германия). Диаметр шнеков и соотношение диаметра к длине шнеков составляли 37 мм и 1:27 соответственно. Конфигурация шнековых органов представляла собой комбинацию транспортирующих элементов (ТЭ) с шагом 40 мм, реверсивных элементов (РЭ) с шагом 10 мм, месильных элементов (МЭ) толщиной

10 мм (рис. 1).

Матрица экструдера была оборудована фильерой с 2 отверстиями диаметром 2,5 мм. Производительность процесса составляла

11 кг/ч, в качестве управляющих режимов экс-трудирования были приняты суммарное влаго-содержание перерабатываемого шрота, состоящее из собственной влажности сырья и дополнительной влаги, переданной в камеру экс-трудера дозатором воды, а также скорость вращения шнеков, определяющая сдвиговые деформации в рабочей камере установки.

Уровни варьирования факторами были

Рис. 1. Конфигурация шнековых органов

Таблица 1 Реальные и кодированные значения факторов

Кодированные значения Реальные значения

Влагосодер-жание, % Скорость вращения шнеков, об/мин

-а 15 170

-1 15 170

0 20 270

1 25 370

а 25 370

установлены на основании предварительных экспериментов в соответствии с методом центрального ортогонального композиционного планирования эксперимента и представлены в кодированном и нормальном виде в табл. 1.

Образцы проэкструдированного при различных режимах шрота подсолнечника подсушивали до влажности 7,0-8,0%, измельчали и подвергали ферментативному гидролизу. В качестве биокатализаторов использовались про-теолитический ферментный препарат Протолад Б (ОАО «Энзим», Украина) в дозировке 1,5 ед. ПС/ г субстрата и целлюлолитический препарат Целлюлад (ОАО «Энзим», Украина) в дозировке 3 мг белка ФП/ г субстрата.

Концентрация субстрата в реакционной смеси составляла 20% сухих веществ. Ферментативный гидролиз осуществляли в течение 5 ч при температуре 40 оС, рН - 6,7 и постоянном перемешивании.

В прогидролизованных образцах определяли степень гидролиза белка как отношение содержания низкомолекулярных пептидов с молекулярной массой (М.м.) менее 10 кДа к общему содержанию белка [9] и увеличение выхода восстанавливающих сахаров (ВС), как косвенного показателя гидролиза НКП. Содержание ВС определяли методом Шомоди-Нель-сона [10]. В качестве контрольных образцов были приняты образцы исходного подсолнечного шрота и неэкструдированного шрота (НЭПШ), прогидролизованного в идентичных условиях.

Анализ реологических свойств гидролиза-тов проводили методом вибрационной вискозиметрии с использованием вискозиметра SV-10 (A&D, Япония) на момент окончания гидролиза при температуре 40 оС.

Расчет удельного расхода электроэнергии на процесс экструзии (SME) производили в соответствии с выражением

SME =

n-P-M nmax'Q

(1)

где п - скорость вращения шнеков, об/мин; п^ - максимальная установленная для экструдера

скорость вращения шнеков, 400 об/мин; P -мощность электропривода экструдера, 7,4 кВт; М - нагрузка на привод, %; Q - производительность экструдера, кг/час.

Статистическую обработку результатов измерения, выполнение расчетов методом ортогонального композиционного планирования, проверку значимости коэффициентов уравнения по критерию Стьюдента и адекватность модели по критерию Фишера осуществляли с применением программы Scilab 5,5 (Scilab Enterprises, Франция) при уровне значимости а=0,05.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Режимные параметры экструдирования шрота подсолнечника представлены в табл. 2. Результаты эксперимента показывают наличие достаточно сильных отрицательных корреляционных связей между параметром влагосодержа-ния и показателями температуры экструзии (-0,74), давления (-0,97), момента (-0,64) и удельного расхода электроэнергии (-0,69). Скорость вращения шнеков находится в положительной корреляционной связи с показателями температуры (0,63) и удельного расхода электроэнергии (0,67), в отрицательной связи с показателем момента сдвиговых деформаций (-0,73) и в очень слабой связи с показателем давления (-0,185).

В табл. 3 представлены результаты водно-ферментативной обработки экструдированного шрота подсолнечника, полученного при различных режимах экструзионной обработки, гидролитическими ФП протеазы и целлюлазы.

Анализ полученных данных показывает наличие сильного влияния режимов экструзии на процесс биокатализа НКП до восстанавливающих сахаров. Варьирование режимами экструзии не оказало значимого влияния на изменение степени гидролиза белка и вязкость гидролизатов. Среднее значение степени гидролиза белка для экструдированных образцов шрота составило 60,5%, что на 18,6% выше результатов гидролиза неэкстру-дированного шрота. В сравнении с контрольным образцом шрота концентрация низкомолекулярных пептидов повысилась в 4,3 раза.

Для реакционных сред на основе шрота, проэкструдированного при низком влагосо-держании и высоких скоростях вращения шнеков, отмечены более высокие значения вязкости - 106 и 134 мПас. При этом для остальных образцов гидролизатов значение вязкости находилось в диапазоне 52,660,5 мПас. Динамическая вязкость гидроли-зата неэкструдиованного шрота составила 226 мПа с. Следует отметить, что водно-ферментативная обработка как экструди-рованного, так и неэкструдированного шрота значительно снизила вязкость водного раствора

Таблица 2

Режимные параметры процесса экструзии

Влагосодержание, % Скорость вращения шнеков, об/мин Температура, °С Давление, МПа Момент, % Удельный расход энергии, кВтчас/кг

15 170 152 7,2 64 0,188

15 270 172 7,2 53 0,247

15 370 181 6,6 45 0,294

20 170 135 5,8 62 0,182

20 270 150 5,8 46 0,215

20 270 151 5,7 47 0,219

20 270 148 5,7 47 0,219

20 370 159 5,4 39 0,249

25 170 129 4,3 46 0,135

25 270 140 3,8 35 0,163

25 370 150 3,5 30 0,192

Таблица 3

Результаты гидролиза образцов подсолнечного шрота

Параметры экструзии Содержание ВС, мг/г субстрата Степень гидролиза белка, % Вязкость, мПас

Влагосодержание, % Скорость вращения шнеков, об/мин

15 170 14,26 57 60,5

15 270 14,72 60 106

15 370 17,48 58 134

20 170 11,5 63 53,2

20 270 12,42 60 55,1

20 270 12,12 63 53,7

20 270 11,96 59 52,6

20 270 12,04 60 57,9

20 370 12,88 63 54,5

25 370 10,12 61 59,8

25 270 9,94 61 58,4

25 170 9,89 61 59

Подсолнечный шрот 4,6 14 3500

Гидролизат НЭПШ 10,12 51 226

шрота подсолнечника с 3500 мПас до уров- тематические модели, описывающие зависи-

ней 52,6-134 мПа и 226 мПа соответственно. мость содержания восстанавливающих сахаров

Методом ортогонального композиционного и удельного расхода электроэнергии от влаго-

планирования были получены адекватные ма- содержания и скорости вращения шнеков:

Еуд = -0,1358 + 0,0219ш + 0,0012 п-0,0000247 ш ■ п-0,00058ш2 + 0,0000006311■п2 ; (2) ЯБ = 20,217-0,716 ш + 0,0262 п-0,001495 шп + 0,0142 ш2+0,000022 п2 , (3)

Рис. 2. Линии равного уровня для моделей влияния режимных факторов экструзии на образование восстанавливающих сахаров в процессе гидролиза (мг/ г субстрата) (А) и удельный расход электроэнергии

(кВт-ч/кг шрота) (В)

где RS - содержание восстанавливающих Сахаров, мг/г субстрата; Eyd - удельный расход электроэнергии, кВтчас/кг; w - влагосодержание сырья в зоне термомеханической деструкции, %; n - скорость вращения шнеков, об/мин.

Данные по результатам гидролиза не позволили получить аналогичные адекватные модели со значимыми коэффициентами для таких показателей процесса гидролиза, как степень гидролиза белка и вязкость полученных гидролизатов. Графическая интерпретация полученных моделей представлена на рис. 2.

Анализ графиков показывает, что для увеличения выхода восстанавливающих сахаров определяющим фактором является влагосо-держание в процессе экструдирования. При значениях ниже 19-20% характер линий равного уровня показывает и наличие влияния скорости вращения шнеков. Варьирование режимами экструзии от наиболее мягкого к жесткому позволяет повысить выход восстанавливающих сахаров на 77%. Экструдирование при максимально благоприятных режимах определяет повышение содержание сахаров на 73% относительно неэкструдированного шрота и на

Благодарность: Исследование проведено в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых - кандидатов наук - МК-5743.2015.4

БИБЛИОГРАС

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Lomascolo A., Uzan-Boukhris E., Sigoillot J.C., Fine F. Rapeseed and sunflower meal: a review on biotechnology status and challenges // Applied Microbiology and Biotechnology. 2012. N 5. P. 1105-1114.

280% относительно исходного сырья.

Равнозначным является влияние управляющих факторов экструзии на удельный расход электроэнергии на экструдирование сырья. Область низкого энергопотребления находится в зоне низких значений скорости вращения шнеков при высоком влагосодержании. С учетом того, что скорость вращения шнеков в небольшой степени оказывала влияние на показатели последующего гидролиза, для наибольшей энергоэффективности технологии экструдирование следует проводить при низких значениях скорости вращения шнеков и влагосодержания для достижения качественных результатов гидролиза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты эксперимента показывают, что экструзия шрота подсолнечника обеспечивает повышение степени гидролиза белка, НКП и снижение вязкости получаемых сред. При этом ужесточение режимов экструзии, заключающееся в снижении влагосодержания сырья и увеличении скорости вращения шнеков, сопряжено не только с повышением качества гидролиза, но и повышенным расходом электроэнергии на процесс.

Acknowledgement: This research was supported by Grant of President of Russian Federation MK-5743.2015.4.

КИЙ СПИСОК

2. Ivanova P., Chalova V, Koleva L, Pishtiyski I., Perifanova-Nemska M. Optimization of protein extraction from sunflower meal produced in Bulgaria // Bulgarian Journal of Agricultural Science. 2012. N 2.

P. 153-160.

3. Laudadio V., Introna M., Lastella N. M. B., Tufarelli V. Feeding of low-fibre sunflower (Helianthus Annus L.) meal as substitute of soybean meal in turkey rations: effects on growth performance and meat quality // J. Poult. Sci. 2014. N 51. P. 185-190.

4. Sredanovic S., Levic J., Duragic O. Enzyme enhancement of the nutritional value of sunflower meal // Biotechnology in Animal Husbandry. 2005. Vol. 21, N 5-6. P. 197-202.

5. Amerah A.M., Van de Belt K., Van Der Klis J.D. Effect of different levels of rapeseed meal and sunflower meal and enzyme combination on the performance, digesta viscosity and carcass traits of broiler chickens fed wheat-based diets // Animal. 2015. N 7. P. 1131-1137.

6. Asmare B. Effect of common feed enzymes on nutrient utilization of monogastric animals // IJBMBR. 2014. Vol. 5, N 4. P. 27-34.

7. Taha F.S., Mohamed S.S., Wagdy S.M., Mohamed G.F. Antioxidant and antimicrobial activities of enzymatic hydrolysis products from sunflower protein isolate // World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 21. P. 651-658.

8. Lamsal B., Yoo J., Brijwani K., Alavi S. Extrusion as a thermo-mechanical pre-treatment for ligno-cellulosic ethanol // Biomass and Bioenergy. 2010. N 12. P. 1703-1710.

9. Morais H.A., Silvestre M.P.C., Silva V.D.M., Silva M.R.,Simoes e Silva A.C., Silveira J.N. Correlation between the degree of hydrolysis and the peptide profile of whey protein concentrate hydrolysates: effect of the enzyme type and reaction time // American Journal of Food Technology. 2013. N 8. P. 1-16.

10. Синицын А.П., Черноглазов В.М., Гусаков А.В. Методы изучения и свойства целлюлолити-ческих ферментов. М.: ВИНИТИ, 1990. 152 с.

1. Lomascolo A., Uzan-Boukhris E., Sigoillot J.C., Fine F. Rapeseed and sunflower meal: areview on biotechnology status and challenges. Applied Microbiology and Biotechnology. 2012, no. 5, pp. 1105-1114.

2. Ivanova P., Chalova V, Koleva L, Pishtiyski I., Perifanova-Nemska M. Optimization of protein extraction from sunflower meal produced in Bulgaria. Bulgarian Journal of Agricultural Science. 2012, no. 2, pp. 153-160.

3. Laudadio V., Introna M., Lastella N. M. B., Tufarelli V. Feeding of low-fibre sunflower (Helianthus Annus L.) meal as substitute of soybean meal in turkey rations: effects on growth performance and meat quality. J. Poult. Sci. 2014, no. 51, pp. 185-190.

4. Sredanovic S., Levic J., Duragic O. Enzyme enhancement of the nutritional value of sunflower meal. Biotechnology in Animal Husbandry. 2005, vol. 21, no. 5-6, pp. 197-202.

5. Amerah A.M., Van de Belt K., Van Der Klis J.D. Effect of different levels of rapeseed meal and sunflower meal and enzyme combination on the performance, digesta viscosity and carcass traits of broiler chickens fed wheat-based diets. Animal. 2015, no.

7, pp. 1131-1137.

6. Asmare B. Effect of common feed enzymes on nutrient utilization of monogastric animals. IJBMBR. 2014, vol. 5, no. 4, pp. 27-34.

7. Taha F.S., Mohamed S.S., Wagdy S.M., Mohamed G.F. Antioxidant and antimicrobial activities of enzymatic hydrolysis products from sunflower protein isolate. World Applied Sciences Journal. 2013, vol. 21, pp. 651-658.

8. Lamsal B., Yoo J., Brijwani K., Alavi S. Extrusion as a thermo-mechanical pre-treatment for ligno-cellulosic ethanol. Biomass and Bioenergy. 2010, no. 12, pp. 1703-1710.

9. Morais H.A., Silvestre M.P.C., Silva V.D.M., Silva M.R., Simoes e Silva A.C., Silveira J.N. Correlation between the degree of hydrolysis and the peptide profile of whey protein concentrate hydrolysates: effect of the enzyme type and reaction time. American Journal of Food Technology. 2013, no. 8, pp. 1-16.

10. Sinitsyn A.P., Chernoglazov V.M., Gusakov A.V. Metody izucheniya i svoistva tsellyuloliticheskikh fermentov [Methods of investigation and properties of cellulolytic enzymes]. Moscow, VINITY Press, 1990, 152 p.

Критерии авторства

Шариков А.Ю., Середа А.С., Великорецкая И.А., Костылева Е.В., Степанов В.И., Иванов В.В. выполнили экспериментальную работу, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Шариков А.Ю., Середа А.С., Великорецкая И.А., Костылева Е.В., Степанов В.И., Иванов В.В. имеют на статью авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Contribution

Sharikov A.Y., Sereda A.S., Velikoretskaya I.A., Kostyleva E.V., Stepanov V.I., Ivanov V.V. carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Sharikov A.Y., Sereda A.S., Velikoretskaya I.A., Kostyleva E.V., Stepanov V.I., Ivanov V.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Conflict of interest

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Антон Ю. Шариков

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал «ФИЦ питания и биотехнологии» 111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, 4б К.т.н., с.н.с.

anton.sharikov@gmail.com Анна С. Середа

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал «ФИЦ питания и биотехнологии» 111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, 4б К.т.н., с.н.с. as.sereda@gmail.com

Ирина А. Великорецкая

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии» 111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, 4б М.н.с.

smirnova_i.a@mail.ru

Елена В. Костылева

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал «ФИЦ питания и биотехнологии», 111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, 4б К.т.н., в.н.с. ekostyleva@list.ru

Владимир И. Степанов

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал «ФИЦ питания и биотехнологии» 111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, 4б К.т.н., зав. отделом foodbiotech@yandex.ru

Виктор В. Иванов

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал «ФИЦ питания и биотехнологии» 111033, Россия, г. Москва, ул. Самокатная, 4б К.т.н., в.н.с. ivanov.v.v@li.ru

Поступила 03.08.2016

AUTHORS' INDEX Affiliations

Anton Yu. Sharikov