CC BY
103
УДК 644
Е. В. Никитина, Л. З. Габдукаева, О. А. Решетник
РЕЗИСТЕНТНОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КАРТОФЕЛЬНЫХ КРАХМАЛОВ,
ОБРАБОТАННЫХ АЛЬФА- И БЕТА-АМИЛАЗАМИ
Ключевые слова: модифицированные картофельные крахмалы, резистентность, пищевые
продукты.
В результате проведенных исследований выявлено, что предварительная обработка картофельных крахмалов ферментами амилолитического ряда приводит к повышению химической, термической и ферментативной стабильности их зерен. Особенно эффективно использование а-амилазы с точки зрения получения экологически чистого модифицированного крахмала с повышенной стабильностью. Исследование крахмалов, полученных после ферментативной обработки, показало, что перспективно их использование в производстве продуктов функционального назначения.
^ywords: the modified potato starch, resistance, foodstuffs.
In result of researches it is revealed that preliminary processing of potato starch by amylolytic enzymes led to rise of chemical, thermal and enzymatic resistance of their granules. The usage of a-amylase was effective particularly from position of ecological modified starch with improved stability production. Investigation shows availability of employment for functionality food production of starches which producing after enzymatic treatment.
В настоящее время крахмалы широко применяются в пищевой промышленности. Здесь их используется в качестве пищевых добавок, существенным образом снижая себестоимость производства конечного продукта, повышая их выход и повышая тем самым рентабельность производства.
Крахмал - это смесь полисахаридов, содержащая 70-90% нерастворимой в воде фракции и 10-30% растворимой амилозы. В зависимости от свойств крахмалов, изменения вязкости дисперсий при нагревании и охлаждении разных крахмалов различны [1]. Такие характеристики крахмалов как клейкость, сопротивление скалыванию, температура жели-рования, растворимость, гелевая и структурная прочность связано с соотношением амилозы и амилопектина. Для того, чтобы получить слегка отличающую форму крахмала с более высоким процентом амилозы крахмалы постоянно модифицируют в сторону повышения процентного содержания амилозы. Высокоамилазный крахмал определяется как крахмал, состоящей по крайней мере из 40% амилозы и способен образовывать сильные гели и пленки. Эти особенные свойства используются в приготовлении мармелада и для изготовления покрытия пищевых продуктов [2].
Таким образом, хотя свойства нативных крахмалов различны, они не всегда удовлетворяют условиям технологического режима и требованиям потребителей. В отличие от нативных растительных крахмалов, считающихся пищевыми продуктами, модифицированные крахмалы относятся к пищевым добавкам. В эту группу пищевых добавок входят продукты фракционирования, деструкции и различных модификаций нативных раститель-
ных крахмалов, представляющих собой преимущественно смесь двух фракций гомоглюка-нов (полимеров глюкозы) линейного и разветленного строения [3].
Применение крахмалов очень широко, от химической промышленности [4] до пищевой [5,6,7]. Химически модифицированные крахмалы используются в мясной [5, 6], хлебопекарной [7] промышленности, частично исследован их токсикологический потенциал [6], а о биомодифицированных крахмалов и их свойствах известно в меньшей степени. Немаловажным фактором технологического использования крахмалов в пищевой промышленности, тем более в случае пищевых продуктов, подвергающихся термообработки, контакту с веществами кислотной природы, является их стабильность к физическим и химическим воздействиям, сохранение их структуры и свойств. Целью работы явилось оценить стабильность исследуемых крахмалов к ряду факторов.
Результаты исследований и обсуждений
Стабильность к кислотному воздействию. О стабильности крахмалов к кислотному гидролизу судили по увеличению концентрации глюкозы в реакционной смеси под воздействием серной кислоты.
Наибольшая концентрация глюкозы наблюдалась для нативного крахмала через 20 мин воздействия (11.5 мг глюкозы/100мл), что, видимо, связано с повышенной рыхлостью крахмальных зерен и, соответственно, быстрому их гидролизу. Наименьшая концентрация глюкозы в начальный период воздействия наблюдалась в случае обоих биомодифициро-ванных амилазных крахмалов (рис. 1). Через 40 мин концентрация глюкозы в случае Р-амилазного крахмала увеличилась, но была меньше уровня нативного крахмала. Через 60 мин концентрация глюкозы в случае а- и Р-амилазных крахмалов достигли своего максимума и были равны уровню нативного крахмала.
Рис. 1 - Влияние способа биомодификации крахмала устойчивость к действию серной кислоты
Таким образом, по сравнению с нативным картофельным крахмалом биомодифици-рованные обладали большей устойчивостью к кислоному гидролизу, что выражалось в запаздывании накопления глюкозы в среде.
Термостабильность. Термостабильность крахмалов измеряли по накоплению глюкозы как продукта разрушения крахмала при воздействии высоких температур. После воздействия
800 С в течении 30 мин наименьшее количество глюкозы было в случае нативного крахма-ла(рис. 2). Наибольшее количество глюкозы в случае а-амилазного крахмала.
Рис. 2 - Влияние способа биомодификации крахмала на терморезистентность
При повышение температуры воздействия до 1000 С количество глюкозы увеличилось в случае нативного и Р-амилазного крахмалов, а в случае а-амилазного - количество глюкозы уменьшилось. При 1500 С количество глюкозы увеличилась в случае нативного крахмала. Концентрация глюкозы осталась на прежнем уровне ( в сравнении с 100° С) при обработке а- и Р-амилазных крахмалов.
Выявлено, что при увеличении температуры воздействия на клейстер нативного крахмала увеличивалась концентрация глюкозы, что свидетельствовало о низкой термостабильности. Повышенное количество глюкозы у биомодифицированного а-амилазного крахмала при 800 С может быть следствием быстрого набухания зерен и высвобождении глюкозы, для нативного и Р-амилазных крахмалов эта температура не достаточна для эффективного набухания. Воздействие при больших температурах выявило большую устойчивость а-амилазного крахмала (рис. 2), что может быть следствием отжига крахмальных зерен и снижения его рыхлости. Температура выше 100 0 С приводила к дальнейшему разрушению разбухших крахмальных ядер у нативного и Р-амилазных крахмалов.
Известно, кристаллы амилопектина и кристаллы, образующиеся из молекул амилозы и амилопектина, имеют низкую температуру плавления (50 °С), кристаллы амилозы, напротив, очень высокую (> 100 °С) [8]. Возможно, что нативный картофельный крахмал большим содержание амилопектина при более низких температурах расплавился, при этом концентрация глюкозы не увелилилась, напротив же биомодифицированные крахмалы расплавились при более высоких температурах, это может свидетельствовать о повышенном по сравнению с нативным содержании амилозы.
Ферментативная устойчивость. Для исследования ферментной устойчивости исследуемых образцов были выбраны а- и В -амилазы. Механизм действия а-амилазы: гид-ролизует внутренние а-1,4-гликозидные связи крахмала, в среде накапливается глюкоза, в меньшей степени мальтоза и декстрины. Механизм действия Р -амилазы: гидролизует а-
1,6-гликозидные связи крахмала, в среде накапливается мальтоза, в меньшей степени глюкоза и декстины.
При воздействии а-амилазы на крахмалы наибольшая концентрация глюкозы была через 20 мин при тестировании нативного крахмала (12,4 мг глюкозы/100 мл) (рис. 3 а), . при последующем инкубировании эта концентрация снижалась. Наибольшая концентрация глюкозы в случае биомодифицированных крахмалов наблюдали через 40 мин эксперимента и на меньшем абсолютном уровне. Подобное запаздывание пика наибольшего количества глюкозы характерное для биомодифицированных крахмалов может свидетельствовать о меньшей биодоступности как а-1,4-гликозидных связей.
При воздействии Р-амилазы на картофельные крахмалы наибольшая концентрация глюкозы наблюдалась через 40 мин ферментирования во всех случаях (рис. 3б). В случае а- и Р-амилазных крахмалов концентрация глюкозы была в 2-3 раза меньше, чем у нативного. Характер динамики совпадал с нативным, но на меньшем абсолютном уровне. Наименьшая доступность а-1,6-гликозидных связи наблюдали у а-амилазного крахмала.
40 60
время, мин
б
а
Рис. 3 - Влияние способа биомодификации крахмала на устойчивость к действию альфа-амилазы (а) и бета-амилазы (б)
В результате проведенных исследований выявлено, что предварительная обработка картофельных крахмалов ферментами амилолитического ряда приводит к повышению химической, термической и ферментативной стабильности. Особенно эффективно использование а-амилазы с точки зрения получения экологически чистого модифицированного крахмала с повышенной резистентностью. Перспективы использования резистентных крахмалов в специальных видах питания сейчас широко обсуждается [9], полученные нами данные могут диктовать перспективу применения биомодифицированных крахмалов в производстве продуктов функционального назначения в качестве загустителя со свойствами пищевого волокна с пониженным гликемическим индексом.
Экспериментальная часть
Получение биомодифицированных крахмалов. Биомодифицированные картофельные крахмалы получали с применением ферментов - а-амилазы (тип II-A: из Bacillus sp.) и ß -амилазы (получена из ячменя). Модификацию осуществляли выше перечисленными ферментами в воде при рН=7.5 в течении 8 ч. Концентрация крахмала в воде 20%, а фермента 0.02 %. Затем крахмал отделяли от жидкости и высушивали [10]. Для экспериментов использовали также нативный картофельный крахмал.
Исследование резистентности. Для определения устойчивости к кислотному гидролизу использовали 10 мл 1% крахмального клейстера с добавлением 1 мл концентрированной серной кислоты. Смесь инкубировали при 37оС, отбирали пробы на содержание глюкозы через каждые 20 мин в течение 1 ч.
Для определения термостабильности крахмальных клейстеров (1% растворы) их подвергали обработки при 80, 100 и 150 оС в течении 30 мин. По окончании 30 мин растворы анализировали содержание глюкозы.
Для следования устойчивости к ферментному гидролизу использовали а-амилазу (тип II-A: из Bacillus sp.) и ß -амилазу (получена из ячменя), ферменты кристализованны и лиофильно высушены. Механизм действия а-амилазы: гидролизует внутренние а-1,4-гликозидные связи крахмала, в среде накапливается глюкоза, в меньшей степени мальтоза и декстрины. Механизм действия ß -амилазы: гидролизует а-1,6-гликозидные связи крахмала, в среде накапливается мальтоза, в меньшей степени глюкоза и декстины.
Определение устойчивости к ферментам амилолитического ряда проводили в клейстерных растворах исследуемых крахмалов с добавлением ферментов в концентрации 0,1 мг/г крахмала. Инкубировали смеси при 37 оС в течение 1 ч.
Антроновый метод определения сахаров. Для каждого образца приливали по 3 мл ан-тронового реактива (0.2%-ный раствор антрона в концентрированной серной кислоте) и 1 мл опытного образца. В качестве контроля используются пробирки, в которых добавляется 1 мл воды. Все пробирки быстро взболтали и поместили в кипящую водяную баню на 7 мин. После кипячения пробирки с растворами охладили до комнатной температуры, определили оптическую плотность при 610 нм против контрольной пробы. По калибровочной кривой рассчитали содержание глюкозы. Метод дает возможность определять крахмал и сахара в небольших концентрациях (до 0.2 мг в пробе).
Литература
1. Mason, W.R. Starch Use in Foods / W.R. Mason // Starch (Third Edition). - 2009. - P. 745-795.
2. Englyst, H.N. Resistant starch, a new food component: a classification of starch for nutritional purposes. / H.N. Englyst, J.H. Cummings // In: Morton, I.D. (Ed.), Cereals in a European Context, First European Conference on Food Science and Technology. E. Horwood, Chichester. - 1987. - Р.221-233.
3. Долгая, М. Пищевые добавки и их использование в производстве продуктов питания: аналитический обзор / М. Долгая, А. Алыбина. - М.: ВНТИцентр, 1987. -112 с.
4. Галиханов, М.Ф. Изучение короноэлектретов на основе композиций полистирола с крахмалом / М.Ф. Галиханов, А.П. Осипова, А.К. Миннахметова, Р.Я. Дебердеев // Вестник Казан. технол. унта. - 2007. - №5. - С.52-57.
5. Федоренко, Г.М. К вопросу модифицированных крахмалов / Г.М. Федоренко, И.И. Нечаюк // Мясная индустрия. - 2001. - № 3. - С. 12-13.
6. Никитина, Е.В. Модифицированные крахмалы в мясоперерабатывающей промышленности и их биобезопасность / Е.В. Никитина, В.Я. Пономарев, О.А. Решетник // Естественные и технические науки. - 2006. - №1. - С.295-300
7. Матвеева, И.В. Пищевые добавки и хлебопекарные улучшители в производстве мучных изделий / И.В.Матвеева, И. Г. Белявская. - М.: Просвещение, 2001. - 115 с.
8. Garcia-Garcia, E. Low-fat sodium-reduced sausages: Effect of the interaction between locust bean gum, potato starch and к-carrageenan by a mixture design approach / E. Garcia-Garcia, A. Totosaus // Meat science. - 2008. - V.78. - P.406-413.
9. Андреев, Н. Р. Продукты детского лечебного и профилактического питания на основе крахмала и крахмалопродуктов / Н. Р. Андреев, Н. Д. Лукин, С. Т. Быкова // Пищевая промышленность. -2010. - №2.- С. 16-17.
10. Ma, Y. Enzymatic hydrolysis of corn starch for producing fat mimetics / Y. Ma // J. Food Engineering. - 2006. - V.73, N.3. - P. 297-303.
© Е. В. Никитина - канд. биол. наук, доц. каф. технологии пищевых производств КГТУ; Л. З. Габдукаева - асп. той же кафедры; О. А. Решетник - д-р. техн. наук, проф., зав. каф. технологии пищевых производств КГТУ, reshetnik@kstu.ru.
