CC BY
51
УДК 664
Е. В. Никитина, Р. А. Губайдуллин, М. И. Зелди
ВЛИЯНИЕ МУЛЬТИФЕРМЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОСТРУКТУРНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРТОФЕЛЬНОГО КРАХМАЛА
Ключевые слова: картофельный ферментированный крахмал, амилаза Bacillus lichеniformis, амилосубтилин, микроструктура.
Ферментно модифицированные картофельные крахмалы, полученные с помощью амилолитических препаратов амилосубтилина (амилосубт) и Bacillus licheniformis (BL), в зависимости от времени модификации обладают различными физико-химическими свойствами. Наименьшая вязкость и наибольшая эмульгирующая активность характерна для крахмалов, обработанных в течение 8 часов. Выявлено, что наиболее мелкозернистой и гомогенной структурой обладает картофельный крахмал, полученный с помощью амилазы B. licheniformis.
Keywords: potato fermented starches, Bacillus licheniformis amylase, amylosubtilin, microstructure.
Enzyme modified potato starches obtained by using amylase preparations of amylosubtilin (amylosubt) and Bacillus licheniformis (BL), depending on the time of modification possess different physicochemical properties. The lowest viscosity and the highest emulsifying activity is characteristic of starches, processed within 8 hours. Revealed that the most fine-grained and homogeneous structure has potato starch with amylase of B. licheniformis.
Введение
Крахмал это главный углевод в питании человека, его источниками являются рис, картофель, кукуруза, горох, тапиока пшеница, они образуют основную чатсь нашего рациона. Углеводы являются запасными веществами и находятся в листьях, семенах, корнеплодов и клубнеплодов многих растений [1]. Зеленые растения используют солнечный свет, чтобы преобразовать углекислый газ и воду в сахарозу, которая затем полимеризуется в крахмал и хранится в виде частично кристаллических гранул внутри амилопласт. Растения имеют два типа крахмала, один находится в листьях и другой в семенах, корнях и клубнях. Часть крахмала производится в течение дня для хранения избыточной энергии. Ночью большая часть этого крахмала снова потребляется хотя часть превращается в сахарозу, и транспортируется в семена, корни или клубни, где она превращается обратно в крахмал. Этот тип крахмала предназначен для длительного хранения энергии, которая может потребляться семенами на первом этапе прорастания [2]. За тысячи лет человек культивирует крахмала, содержащий культур для получения максимального урожая крахмала. Обычно используемые крахмалсодержащие культуры - кукуруза, пшеница, картофель, рис, рожь, и ячмень.
В большинстве случаев, нативные крахмалы образуют при нагревании слабые, когезионные, эластичные пасты и нежелательные гели, когда пасты охлаждаются [3]. Именно поэтому, производители продуктов питания предпочитают крахмалы с лучшей поведенческой характеристикой, чем те, которые характерны для нативных крахмалов. Свойства крахмалов могут быть улучшены за счет различных модификаций [4].
Физические, химические и ферментативные методы могут быть использованы для изменения молекулярной структуры крахмала [5]. Среди них ферментативные методы представляют особый интерес, поскольку они являются более безопасными для среды и потребителей, и реакция может быть
более четко контролироваться в мягких условиях и в результате получается меньшее количество побочных продуктов [6]. Для получения ферментно модифицированного крахмала используют класс ферментов амилолитичесского ряда. а-Амилаза, пуллу-ланаза, циклодекстрин гликозилтрансфераза и мал-топродуцирующая амилаза, в настоящее время широко используются промышленностью в различных областях, из этих ферментов а-амилаза, вероятно, имеет наиболее широко распространение.
Таким образом, ферментная обработка перспективный и безопасный способ получить крахмалы с улучшенными и даже полезными свойствами. Целью данных исследований было провести ферментацию картофельного крахмала с помощью бактериальных мультиферментных препаратов при варьировании времени обработки и исследовать свойства полученных полисахаридов.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования выступали пшеничный крахмалы: нативный (ГОСТ Р 535012009) и ферментированные комплексным препаратом амилосубтилином и амилазой Bacillus НсИепг/огтг^'. Ферментацию проводили в течение от 4 до 8 часов, в зависимости от продолжительности ферментации биомодифицированные крахмалы были названы: амилосубт-4, амилосубт-6, амилосубт-8, а также Bl-4, Bl-6, Bl-8, время ферментации 4,6 8 часов, соответственно.
Модификацию осуществляли в дистиллированной воде при рН=7,5 при 40 оС. Концентрация крахмала в реакционной смеси 30 г/100 мл. Активность используемых амилаз в реакционной смеси была 8,3 U/г крахмала. Для этого добавляли 1 мл к. ж. Bacillus licheniformis/100 мл реакционной смеси, а амилосубтилина - 0,0067 г/г крахмала (0,201 г/100 мл реакционной смеси) (расчетная амилазная активность амилосубтилина в этом случае составляла 8,3 U/г крахмала).
Реакцию гидролиза останавливали путем добавления концентрированной серной кислоты до рН=2. Затем крахмал отделяли от жидкости фильтрованием и высушивали при 40оС.
Для дальнейших исследований готовили клейстеры крахмалов в концентрации 1% с предварительным завариванием и выдерживанием при 90оС, 5 мин.
Определение вязкости крахмалов. В коническую колбу отобрали 20 мл дистиллированной воды, в части воды (5 мл) развели крахмал массой 0,2 г, а затем оставшиеся 15 мл довели до кипения. Разведенный крахмал осторожно влили в кипяток. После чего смесь остужается до комнатной температуры. Отобрали 5 мл каждого образца крахмального клейстера и измерили массу на аналитических весах, затем на вискозиметре замеряли время истечения крахмального клейстера. Расчет производили по общепринятой формуле.
Определение эмульгирующей активности. Для определения эмульгирующей активности смешивали 0,5 мл подсолнечного масла, 1,5 мл исследуемого образца 1% крахмального клейстера и встряхивали на шейкере 2 минуты. После этого берут 0,5 мл перемешанной эмульсии со дна и смешивают с 4,5 раствором 0,1% SDS (додецил сульфат натрия), проводят измерением при 500 нм [7].
Определение амилозы. Реактивы: А - KJ -20 г и 2 г J2 растворяют в 100 мл дистиллированной воды (сначала растворяют в минимальном количестве этилового спирта). В - 10 мл раствора А разводят водой до 100 мл в мерной колбе.
Для определения содержания амилозы 20 мг крахмала смешивают с 10 мл 0,5 Н KOH в мерной колбе и перемешивают на магнитной мешалке 5 мин, затем доводят до 100 мл дистиллированной водой. От этого объема отбирают 10 мл и смешивают с 5 мл 1Н HCl и 0,5 мл йодного раствора В и доводят дистиллированной водой до 50 мл. В течение 5 минут измеряют при 625 нм.
Расчет процентного количества амилозы вычисляем по формуле:
Y = 85,24 х X - 13,19, где Х - это величина поглощения при 625 нм [8].
Микроструктурные исследования. Для мик-роскопирования использовали предварительно выдержанные при 60 оС в течение 10 мин 5% растворы крахмалов, которые окрашивали растовром Люголя (I2/KI раствор; 1:2 w/w). Немедленно просматривали под световым микроскопом Axio Imager в комплекте с видео камерой. Использовали увеличение в 400 раз.
Результаты исследований и обсуждение
Анализ физико-химических свойств ферментированных крахмалов показал, что обработка ами-лосубтилином и амилазой B.licheniformis приводит к резкому уменьшению вязкости по сравнению с на-тивным. Причем в случае амилазы B.licheniformis, вязкость клейстеров была ниже, это может свидетельствовать о большем масштабе воздействия на крахмальное зерно испытуемым ферментом (табл. 1).
Количество амилозы у исследуемых крахмалов различалось в зависимости от используемого при модификации фермента. Приферментации ами-лосубтилином через 4 ч количество амилозы уменьшилось на 10 %, увеличение времени обработки привела к дальнейшему уменьшению доли амилозной фракции. При ферментации же амилазой В ИсЬепИЪгтБ независимо от времени обработки количество линейной фракции в образцах крахмала уменьшилось на 15,5 %.
Таблица 1 - Физико-химические свойства ферментированных крахмалов
Вид крахмала Вязкость, Количество Эмульгирующая
Т амилозы, % активность, D 500 нм
Нативный 28,07 16,63 0,079
амилосубт-4 1,870 6,67 0,059
амилосубт-6 1,818 1,73 0,064
амилосубт-8 1,638 1,21 0,092
BL-4 1,170 0,80 0,073
BL-6 1,117 0,72 0,068
BL-8 1,081 0,89 0,101
Видимо, это связано с преимущественным действием амилазы В.ИсЬепИогт18 на амилозную фракцию, амилосубтилин же воздействует на обе фракции.
Важным технологическим показателем является эмульгирующая активность крахмальных клейстеров. У тестируемых образцов эмульгирующая способность после 4 и 6 часов обработки была меньше, чем у нативного крахмала. Увеличение исследуемой способности наблюдали только после 8 часов обработки не зависимо от используемого фермента. Увеличение эмульгирующей активности у крахмалов амилосубт-8 и ВЬ-8, видимо, является следствием наибольшего снижения вязкости и большого количество разветвленных короткоцепо-чечных фрагментов амилопектина.
Морфологические свойства крахмальных гранул определяют устойчивость крахмальных суспензий, адсорбционные свойства крахмала, интенсивности набухаемости в воде, клейстеризации и декстринизации. Мелкие гранулы крахмала более устойчивы к кислотному и ферментативному гидролизу. Следовательно, морфологические свойства крахмала важны при его получении и переработке и в технологии изготовления пищевых продуктов и изделий технического происхождения. На рисунке 1 представлены фотографии исследуемых крахмальных клейстеров. Окрашивание образцов проводилось раствором Люголя, так как при взаимодействии йода и картофельного крахмала образуется окрашенный комплекс, благодаря чему четко просматривается гранульная структура клейстера.
В то время как нативный крахмал не имеет такой яркой картины. Края его гранул имеют аморфную структуру. При обработке картофельного крахмала амилосубтилином уже через 4 часа получены мелкие гранулы, достаточно гомогенные, но с включением крупных зерен.
Нативный
шШШШ*-
Амилосубт-4
- - : я
- '■ о i .']
■ .
Амилосубт-6
*■ J.V } -
ФрЬ
Амилосубт-8
Bl-4
Bl-6
I V Ш шж
Рис. 1 - Гисто-морфологическая характеристика гранул крахмалов, обработанных амилосубти-лином и амилазой Bacillus licheniformis (увеличение 400 раз)
Увеличение времени ферментации крахмала приводило к постоянному уменьшению количества крупных зерен и через 8 часов ферментации они практически исчезли, структура стала более гомогенной мелкозернистой.
При обработке картофельного крахмала ферментом B. licheniformis уже через 4 часа гидролиза наблюдается формирование четких гранул среднего размера. Дальнейшая ферментация постепенно приводила к уменьшению размера гранул крахмала, с получением мелкозернистой гомогенной структуры полисахарида.
При сравнении полисахаридов одинакового времени ферментации выявлено, что амилаза B. licheniformis действует на картофельный крахмал интенсивнее с получением ферментно обработанного крахмала с гомогенной мелкозернистой структурой, видимо, именно такая структура обуславливает высокую эмульгирующую активность. Различия полученные в результате действия этих ферментов с одинаковой лидирующей активность, возможно, связаны с минорными активностями, присущие этим комплексным ферментным препаратам.
Описанные ранее данные [9,10] об исследовании этих видов крахмала, делают вывод о том, что наиболее резистентны крахмалы прошедшие обработку амилазой B. licheniformis особенно в течение 8 часов. Кроме того, именно этот крахмал проявляет наибольшие генопротекторные свойства и протективно действует на молочно-кислые бактерии.
Таким образом, для использования фер-ментно модифицированного крахмала в мясоперерабатывающей промышленности наиболее перспективна обработка картофельного крахмала амилазой B. licheniformis в течение 8 часов. В резульате его использования может быть получен продукт с крахмалом низкой степени доступности, что полезно для пищевого статуса человека.
Литература
1. Zeeman, S. C., Kossmann, J., Smith, A. M. Starch: Its metabolism, evolution, and biotechnological modification in plants. Annual Review of Plant Biology, 2010, 61
2. Maarel van der M. J.E.C., Leemhuis // Carbohydrate Polymers. 2013, 93, 116- 121
3. Adzahan, N. M. Modification on wheat, sago and tapioca starches by irradiation and its effect on the physical properties of fish cracker (keropok). Food Technology. Selan-gor, University of Putra Malaysia. Master of Science: 222. 2002
4. Abbas K.A., Khalil S. K., Hussin A. S. M. // J Agri Sci. 2010, 2, 2, 90-100.
5. Lee, C.K.; Le, Q.T.; Kim, Y.H.; Shim, J.H.; Lee, S.J.; Park, J.H.; Lee, K.P.; Song, S.H.; Auh, J.H. et al // J. Agric. Food Chem. 2008, 56, 126-131.
6. Le, Q.T.; Lee, C.K.; Kim, Y.W.; Lee, S.J.; Zhang, R.; Withers, S.G.; Kim, Y.R.; Auh, J.H.; Park, K.H. // Carbohydr. Polym. 2009, 75, 9-14.
7. Kato A., K. Minaki, K. Kobayashi // J. Agric. Chem, 1993. 41, 540-543.
8. Williams P.C, Kuzina F.D., Hlynka I, A. Cereal Chem 1970. 47, 411-420.
9. Никитина Е.В., Губайдуллин Р.А. // Вестник Казанского технологического университета, 2013, 16, 20, 157159.
10. Никитина Е. В., Губайдуллин Р. А., Габдукаева Л. З., Зелди М. И. // Вестник Казанского технологического университета, 2014, 17, 9, 186-189.
© Е. В. Никитина - к.б.н., доцент каф. технологии пищевых производств, КНИТУ, НОЦ «Фармацевтика» К(П)ФУ, [email protected]; Р. А. Губайдуллин - магистр каф. ТММП, КНИТУ; М. И. Зелди - аспирант каф. ТПП, КНИТУ; НОЦ «Фармацевтика» К(П)ФУ.
© E. V. Nikitina - PhD, associate Professor of Technology of food production KNRTU, REC "Pharmaceuticals" KFU, [email protected]; R. A. Gubaydullin - master of Technology of meat and milk products KNRTU; M. 1 Zeldi - aspirant of Technology of food production KNRTU, REC "Pharmaceuticals" KFU.
