CC BY
10
УДК 664.785 DOI: 10.14529/food210103
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ КАК СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СОЛОДОРАЩЕНИЯ ЗЕРНА ОВСА
Н.В. Попова, А.Д. Сергеева
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия
В последнее время зерно овса получило новый виток интереса из-за его превосходных, связанных со здоровьем свойств; содержания в составе большого количества ценных питательных веществ. Важными являются антиоксидантные и пробиотические свойства овса, а также он может являться отличным сырьем для производства солода. Непророщенное зерно имеет грубую структуру, большая часть содержащихся ферментов адсорбирована протоплазменными структурами клеток и находится в неактивном состоянии. В процессе прорастания зерна происходит активация уже имеющихся в зерне ферментов, а также увеличение количества этих ферментов. Целью наших исследований является оценка возможности интенсификации процесса солодоращения овса посредством физического, в частности ультразвукового, воздействия (УЗВ). При УЗ-воздействии возможно добиться частичного разрушения плодовых и семенных оболочек зерна, за счет чего появляется возможность обеспечить более быстрое проникновение влаги внутрь зерновки, что сокращает сроки замачивания, повышает активность амилолитических ферментов в готовом солоде. В ходе исследований оценивали энергию и способность прорастания зерна овса, подвергнутого солодоращению при различных условиях, а также антиоксидантную активность полученного солода. В результате эксперимента установлено, что вариации по ультразвуковому воздействию способствуют увеличению способности прорастания зерна овса в среднем на 1,96-8,73 %, энергии прорастания - на 0,24-6,24 %. Путем варьирования режимов ультразвукового воздействия можно добиться интенсификации накопления антиоксидантных веществ в солоде на 9,78-77,42 %. Данные АОА полученного солода подтверждают ускорение при УЗВ транспорта питательных веществ эндосперма к зародышу и движения ферментов в эндосперме, а также исходных компонентов для образования ферментов. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о реально существующей возможности интенсификации процессов солодоращения, и расширяющихся возможностях выработки новых полезных продуктов функционального назначения.
Ключевые слова: овес, зерно, проращивание, солод, антиоксидантная активность, энергия прорастания, способность прорастания.
Введение
Овес является одной из восьми основных продовольственных культур в мире, хотя потребляется в значительно меньших количествах по всему миру, чем пшеница и рис. В последнее время зерно овса получило новый виток интереса из-за его превосходных связанных со здоровьем свойств; он содержит естественно высокий уровень ценных питательных веществ, таких как растворимые волокна, белки, свободные незаменимые аминокислоты, ненасыщенные жирные кислоты, витамины, минералы, полифенолы и другие активные ингредиенты. Важными являются антиоксидант-ные и пробиотические свойства овса, он может помочь снизить уровень холестерина в крови, а также предотвратить сердечно-сосудистые заболевания [10-12, 14, 16]. Овес может являться отличным сырьем для производства солода, на ряду с такими традиционными зерновыми культурами, как ячмень или пшеница.
Технологическая привлекательность зерна овса сформирована за счет того, что данная зерновая культура является одной из самых распространенных зерновых культур в нашем регионе, значительно может снизить затраты на производство, например, пивного, если заменить часть ячменного солода солодом из зерна овса. Применение овсяного солода в пивоварении может значительно снизить цену производимого продукта, при этом оставив его органолептические свойства и качество на хорошем уровне [2-4].
Непророщенное зерно имеет грубую структуру, большая часть содержащихся ферментов адсорбирована протоплазменными структурами клеток и находится в неактивном состоянии. Принципы солодоращения основаны на замачивании зерна и последующем его высушивании. В процессе прорастания зерна происходит активация уже имеющихся в зерне ферментов, а также увеличение коли-
чества этих ферментов.
Солодоращение заключается в протекании в зерне следующих процессов:
- физические: передвижение растворенных запасных веществ по зерновке;
- химические: взаимодействие веществ, полученных в результате гидролиза, образование новых вкусо-ароматических соединений;
- биохимические: гидролиз запасных веществ эндосперма;
- биологические процессы: дыхание зерна, прорастание зародыша, синтез новых веществ [5].
В технологическом смысле цель проращивания - накопить ферменты и произвести глубокое разрушение клеточных стенок зерна, чтобы в дальнейшем при приготовлении пивного сусла облегчить извлечение крахмала, белковых и других веществ. Проращивание как правило ведут при температуре не выше 18 °С при приготовлении светлого солода и не выше 24 °С - при приготовлении темного солода. Температуру проращивания регулируют проветриванием, при этом удаляется избыток углекислого газа, в атмосфере которого происходит торможение роста, а затем и гибель зародыша. Проращивание прерывают сушкой солода, когда проросток достигает 2/3-3/4 длины зерна [6-8].
При производстве овсяного солода наблюдаются значительные потери из-за расхода сухих веществ на развитие ростков, корешков и дыхание зародыша. При разрушении клеточных стенок эндосперма зерна под действием цитолитических ферментов оно становится рыхлым и хрупким. На рост зародыша расходуется около 4 % крахмала и примерно 35 % белковых веществ.
Все процессы при проращивании зерна взаимозависимы, при этом следует учитывать, что подавление дыхания неизбежно вызывает торможение роста. Поэтому при определении способа интенсификации производства овсяного солода следует учитывать прежде всего факторы, влияющие на эти процессы.
Целью наших исследований является оценка возможности интенсификации процесса солодоращения овса посредством физического, в частности ультразвукового, воздействия (УЗВ) [1, 9].
При УЗ-воздействии возможно добиться частичного разрушения плодовых и семенных оболочек зерна, за счет чего появляется воз-
можность обеспечить более быстрое проникновение влаги внутрь зерновки, что сокращает сроки замачивания, повышает активность ами-лолитических ферментов в готовом солоде.
Объекты и методы исследований
В ходе исследования для решения поставленных задач использовались различные подходы.
На первом этапе исследования оценивали энергию и способность прорастания зерна овса, подвергнутого солодоращению при различных условиях. Методика определения приведена в ГОСТ 10968-88 «Зерно. Методы определения энергии прорастания и способности прорастания».
Для интенсификации процессов проращивания воду предварительно обрабатывали, для этих целей использовали ультразвуковой низкочастотный генератор «Волна-Л» (модель УЗТА-0,63/22-ОЛ) с рабочим элементом погружного типа. Воздействие осуществлялось низкочастотным ультразвуком: частота - (22 ± 1,65) кГц, интенсивность - не менее 10 Вт/см2. Режимы обработки воды: мощность от 189 до 441 Вт, время обработки - от 3 до 7 минут.
Для оценки влияния УЗВ на процессы проращивания зерна использовали овес пленчатый сорта «Стригунок».
Обработку воды проводили в разных режимах УЗВ, таким образом, получены следующие образцы исследования.
Образец 1 - контроль -процесс проращивания осуществляли по стандартной методике.
Образцы 2, 3 и 4 - образцы овса, вода для замачивания которых подвергнута предварительной УЗ-обработке в режимах: 189 Вт, 3, 5 и 7 минут соответственно.
Образцы 5, 6 и 7 - образцы овса, вода для замачивания которых подвергнута предварительной УЗ-обработке в режимах: 315 Вт, 3, 5 и 7 минут соответственно.
Образцы 8, 9 и 10 - образцы овса, вода для замачивания которых подвергнута предварительной УЗ-обработке в режимах: 441 Вт, 3, 5 и 7 минут соответственно.
На втором этапе исследований оценивали антиоксидантную активность полученного солода.
Общую антиоксидантную емкость определяли методом DPPH (мг ТЕАС/г) по модификации [15, 17]. Использовали раствор 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила фРРН) (0,025 г DPPH в 100 мл этанола). 0,5 мл экстракта исследуемых веществ смешивали с 3,6 мл рас-
твора DPPH, инкубировали в темноте в течение 30 мин.Поглощение измеряли с использованием спектрофотометра при 515 нм. В качестве стандарта использовали Тго1ох (6-гидрокси-2,5,7,8 -тетраметилхроман-2 -карбо -новая кислота), результаты выражали в тро-локс-эквивалентах антиоксидантной емкости (мг ТЕАС/г).
Результаты и их обсуждение
На скорость протекания процесса замачивания немалое влияние оказывает водопогло-щение зерна. Поглощение воды зерном овса происходит сначала более интенсивно, а затем этот процесс в значительной степени замедляется, причем водопоглощение отдельными частями зерна происходит неодинаково [5, 6].
Визуальное наблюдение за проращиванием зерна овса показало разную активность в проращивании у образцов, подвергнутых замачиванию при различных условиях (рис. 1).
Последующая оценка энергии и способности прорастания подтвердила визуальную характеристику образцов овса (рис. 2).
Результаты оценки энергии и способности прорастания свидетельствуют о действенном влиянии ультразвуковой обработки воды, используемой для замачивания зерна при со-лодоращении, на активность проращивания зерна овса.
Вариации по ультразвуковому воздействию способствовали увеличению способности прорастания зерна овса в среднем на 1,968,73 %, энергии прорастания - на 0,24-6,24 %.
На активность процесс солодоращения положительно влияет доступ кислорода при замачивании, обеспечивающий более эффективное в энергетическом отношении аэробное дыхание. Кислород предохраняет зерно овса от траты углеводов (что характерно для процесса брожения) и создает условия для со-хранностиэкстрактивных веществ при соло-доращении.
Небольшое повышение температуры при замачивании также облегчает процесс проникновения воды в структуру зерна.
Ультразвук, являясь одновременно фактором механического и теплового воздействия, облегчает проникновение кислорода в зерновую массу при замачивании, тем самым интенсифицирует процесс замачивания.
Результаты оценки антиоксидантной емкости солода, приведенные на рис. 3, также позволяют сделать вывод о положительном
влиянии ультразвука на активность проращивания и накопления в солодовой массе анти-оксидантных веществ [13].
Путем варьирования режимов ультразвукового воздействия можно добиться интенсификации накопления антиоксидантных веществ в солоде на 9,78 (образец 7) - 77,42 (образец 5) %.
Зерно овса является мягкой и мучнистой культурой, в самостоятельном виде ее невозможно использовать в качестве пивоваренного солода. Повышенное количество белка затрудняет процесс брожения и фильтрации пива. Однако совмещение овсяного солода с ячменным в пивоваренном производстве будет являться экономически выгодно.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о реально существующей возможности интенсификации процессов со-лодоращения, и расширяющихся возможностях выработки новых полезных продуктов функционального назначения.
Так как вода при замачивании играет ключевую роль в активации процесса как растворитель для питательных веществ в зародыше и в субстратах, то УЗВ позволяет активизировать ферменты и обеспечивает интенсивное накопление продуктов гидролиза.
Данные АОА полученного солода подтверждают ускорение при УЗВ транспорта питательных веществ эндосперма к зародышу и движения ферментов в эндосперме, а также исходных компонентов для образования ферментов.
Литература
1. Акопян, В.Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: монография / В.Б. Акопян, Ю.А. Ершов. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 224 с.
2. Баланов, П.Е. Технология солода: учеб.-метод. пособие / П.Е. Баланов, И.В. Смотрае-ва. - СПб.: НИУИТМО; ИХиБТ, 2014. - 82 с.
3. Калунянц, К.А. Производство солода, пива и безалкогольных напитков / К.А. Калу-нянц, В.Л. Яровенко и др. - М. : КолосС, 2014. - 680 с.
4. Кунце, В. Технология солода и пива / В. Кунце, Г. Мит. - СПб.: Профессия, 2000.
5. Меледина, Т.В. Биохимические процессы при производстве солода: учеб. пособие / Т.В. Меледина, И.П. Прохорчик, Л.И. Кузнецова. - СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. - 89 с.
а) б)
Рис. 1. Внешний вид образцов пророщенного зерна овса: а - контрольный образец; б - образец 4
120
100
80
y = 0,039x2 - 0,007x + 91,22 y = 0,1727x2 - 1,7073x + 82,4
XT o4
60 4-
40 4-
20
I L
111
II I I I I
Контроль Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5 Образец 6 Образец 7 Образец 8 Образец 9 Образец
10
Исследуемые образцы
Способность прорастания, % Энергия прорастания, %
-Полиномиальная (Способность прорастания, %)
-Полиномиальная (Энергия прорастания, %)
Рис. 2. Результаты определения способности и энергии прорастания в образцах зерна овса
0
6. Нарцисс, Л. Технология солодоращения /Л. Нарцисс. - СПб.: Профессия, 2007.
7. Тихомиров, В.Г. Технология пивоваренного и безалкогольного производств / В.Г. Тихомиров. - М.: Колос, 1998.
8. Федоренко, Б.Н. Инженерия пивоваренного солода: учебно-справочное пособие / Б.Н. Федоренко. - СПб.: Профессия. 2004.
9. Эльпинер, И.Е. Биофизика ультразвука / И.Е. Эльпинер. - М. : Гл. ред. физ.-мат. лит-
ры изд-ва «Наука», 2016. - 384 с.
10. Dimberg, H.L. Avenanthramides - A group of phenolic antioxidants in oats / H.L. Dimberg, O. Theander, H. Lingnert // Cereal Chemistry. - 1993. - V. 6(70). - P. 637-641.
11. Ding, J., Enhancement of y-aminobutyric acid, avenanthramides, and other health-promoting metabolites in germinating oats (Avena sativa L.) treated with and without power ultrasound / J. Ding, J. Johnson, Chu Y. Fang,
Образец 10
Образец 9
Образец 8
Контроль 2,5
2
1,5
Образец 2
Образец 3
Образец 4
Образец 7
Образец 5
Образец 6
Рис. 3. Результаты определения антиоксидантной емкости образцов пророщенного зерна овса
H. Feng // Food Chemistry. - 2019. - V. 283. -P. 239-247.
12. Emmons, C.L. Antioxidant activity and phenolic contents of oat groats and hulls / C.L. Emmons, D.M. Peterson // Cereal Chemistry. -1999. - V. 76 (6). - P. 902-906.
13. Gallagher, R.S. Phenolic and short-chained aliphatic organic acid constituents of wild oat (Avena fatua L.) seeds /R.S. Gallagher, R. Ananth, K. Granger, B. Bradley, J.V. Anderson, E.P. Fuerst // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2010. - V. 58 (1). -P. 218-225.
14. Gangopadhyay, N. A Review of Extraction and Analysis of Bioactives in Oat and Barley and Scope for Use of Novel Food Processing / N. Gangopadhyay, M.B. Hossain, D.K. Rai,
N.P. Brunton // Technologies Molecules. - 2015.
- V. 20 (6). - P. 10884-10909.
15. Hitayezu, R. Antioxidant activity, avenanthramide and phenolic acid contents of oat milling fractions / R. Hitayezu, M.M. Baakdah, J. Kinnin, K. Henderson, A. Tsopmo // Journal of Cereal Science. - 2015. - V. 63. - P. 35-40.
16. Peter Francis Raguindin. A systematic review of phytochemicals in oat and buckwheat / Peter Francis Raguindin, Oche Adam Itodo, Jivko Stoyanov et al. // Food Chemistry. - 2021.
- V. 338. - P. 127982.
17. Sales J.M. Phenolic profile, antioxidants, and sensory acceptance of bioactive-enhanced peanuts using ultrasound and UV / J.M. Sales, A.V.A. Resurreccion // Food chemistry. - 2010. -V. 122, iss. 3. - P. 795-803. DOI: 10.1016/ j.foodchem.2010.03.058
Попова Наталия Викторовна, кандидат технических наук, доцент, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), nvpopova@susu.ru
Сергеева Аманда Джангельдыевна, магистрант кафедры «Пищевые и биотехнологии», Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск).
Поступила в редакцию 11 ноября 2020 г.
DOI: 10.14529/food210103
ULTRASOUND EXPOSURE AS A WAY TO INTENSIFY THE PROCESS OF MALTING OAT GRAIN
N.V. Popova, A.D. Sergeeva
South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation
Lately, oat grain has received a new round of interest due to its excellent, health-related properties; the content in the composition of a large number of valuable nutrients. Important are the an-tioxidant and probiotic properties of oats, and it can also be an excellent raw material for the production of malt. The ungrown grain has a rough structure, most of the contained enzymes are adsorbed by the protoplasmic structures of cells and are in an inactive state. In the process of grain germination, the activation of enzymes already present in the grain occurs, as well as an increase in the number of these enzymes. The objective of our research is to assess the possibility of intensifying the process of malting oats through physical, in particular ultrasound, exposure. With ultrasound exposure, it is possible to achieve partial destruction of the fruit and seed shells of the grain, due to which it becomes possible to ensure faster penetration of moisture into the grain, which reduces the soaking time, increases the activity of amylolytic enzymes in the finished malt. In the course of studies, the energy and germination capacity of oat grains subjected to malting under various conditions, as well as the antioxidant activity of the resulting malt, were evaluated. As a result of the experiment, it was found that variations in ultrasonic action contribute to an increase in the germination ability of oat grain by an average of 1.96-8.73 %, and the germination energy by 0.24-6.24 %. By varying the modes of ultrasound exposure, it is possible to achieve an intensification of the accumulation of antioxidant substances in malt by 9.78-77.42 %. The AOA data of the obtained malt confirm the acceleration of the ultrasound transport of endosperm nutrients to the embryo and the movement of enzymes in the endosperm, as well as the initial components for the formation of enzymes. Therefore, the results obtained indicate that there is a real possibility of intensifying the processes of malting, and expanding the possibilities of developing new useful products for functional purposes.
Keywords: oats, grain, germination, malt, antioxidant activity, germination energy, germination ability.
References
1. Akopyan V.B., Ershov Yu.A. Osnovy vzaimodeystviya ul'trazvuka s biologicheskimi ob"ektami [Fundamentals of interaction of ultrasound with biological objects]. Moscow, 2005. 224 p.
2. Balanov P.E., Smotraeva I.V. Tekhnologiya soloda [Technology of malt]. St. Petersburg, 2014. 82 p.
3. Kalunyants K.A, Yarovenko V.L. et al. Proizvodstvo soloda, piva i bezalkogol'nykh napitkov [Production of malt, beer and soft drinks]. Moscow, 2014. 680 p.
4. Kuntse V., Mit. G. Tekhnologiya soloda i piva [Technology of malt and beer]. St. Petersburg, 2000.
5. Meledina T.V., Prokhorchik I.P., Kuznetsova L.I. Biokhimicheskie protsessy pri proizvodstve soloda [Biochemical processes in the production of malt]. St. Petersburg, 2013. 89 p.
6. Nartsiss L. Tekhnologiya solodorashcheniya [Technology of malting]. St. Petersburg, 2007.
7. Tikhomirov V.G. Tekhnologiya pivovarennogo i bezalkogol'nogo proizvodstv [Technology of brewing and non-alcoholic production]. Moscow, 1998.
8. Fedorenko B.N. Inzheneriya pivovarennogo soloda [Engineering of brewing malt]. St. Petersburg, 2004.
9. El'piner I.E. Biofizika ul'trazvuka [Biophysics of ultrasound]. Moscow, 2016. 384 p.
10. Dimberg H.L., Theander O., & Lingnert H. Avenanthramides - A group of phenolic antioxidants in oats. Cereal Chemistry, 1993, vol. 6(70), pp. 637-641.
11. Ding, J., Johnson, J., Fang Chu, Y., Feng, H. Enhancement of y-aminobutyric acid, avenanthramides, and other health-promoting metabolites in germinating oats (Avena sativa L.) treated with and without power ultrasound // Food Chemistry, 2019, vol. 283, pp. 239-247. DOI: 10.1016/j.foodchem.2018.12.136
12. Emmons C.L., Peterson D.M. Antioxidant activity and phenolic contents of oat groats and hulls. Cereal Chemistry, 1999, vol. 76(6), pp. 902-906. DOI: 10.1094/cchem.1999.76.6.902
13. Gallagher R.S., Ananth R., Granger K., Bradley B., Anderson J.V., Fuerst E.P. Phenolic and short-chained aliphatic organic acid constituents of wild oat (Avena fatua L.) seeds. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, vol. 58(1), pp. 218-225. DOI: 10.1021/jf9038106
14. Gangopadhyay N., Hossain M.B., Rai D.K., Brunton N.P. A Review of Extraction and Analysis of Bioactives in Oat and Barley and Scope for Use of Novel Food Processing. Technologies Molecules, 2015, vol. 20 (6), pp. 10884-10909. DOI: 10.3390/molecules200610884
15. Hitayezu R., Baakdah M.M., Kinnin J., Henderson K., Tsopmo A. Antioxidant activity, avenanthramide and phenolic acid contents of oat milling fractions. Journal of Cereal Science, 2015, vol. 63, pp. 35-40. DOI: 10.1016/j.jcs.2015.02.005
16. Peter Francis Raguindin, Oche Adam Itodo, Jivko Stoyanov, Gordana M. Dejanovic, Magda Gamba, Eralda Asllanaj, Beatrice Minder, Weston Bussler, Brandon Metzger, Taulant Muka, Marija Glisic, Hua Kern. A systematic review of phytochemicals in oat and buckwheat. Food Chemistry, 2021, vol. 338, p. 127982. DOI: 10.1016/j.foodchem.2020.127982
17. Sales J.M., Resurreccion A.V.A. Phenolic profile, antioxidants, and sensory acceptance of bi-oactive-enhanced peanuts using ultrasound and UV. Food chemistry, 2010, vol. 122, iss. 3, pp. 795803. DOI: 10.1016/j.foodchem.2010.03.058
Natalia V. Popova, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor of the Department of Food and Biotechnology, South Ural State University, Chelyabinsk, nvpopova@susu.ru
Amanda Dz. Sergeeva, student at the Department Food and Biotechnologies, South Ural State University, Chelyabinsk.
Received November 11, 2020
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
FOR CITATION
Попова, Н.В. Ультразвуковое воздействие как способ интенсификации процесса солодоращения зерна овса / Н.В. Попова, А.Д. Сергеева // Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». - 2021. -Т. 9, № 1. - С. 24-30. DOI: 10.14529/food210103
Popova N.V., Sergeeva A.D. Ultrasound Exposure as a Way to Intensify the Process of Malting Oat Grain. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Food and Biotechnology, 2021, vol. 9, no. 1, pp. 24-30. (in Russ.) DOI: 10.14529/food210103
