Красково, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Красково, г. Москва и Московская область, Россия
Красково, г. Москва и Московская область, Россия
Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Целью данной работы явилась разработка процессов биотрансформации сыворотки, полученной из тритикалевого экстракта и гороховой муки после выделения из них белковых концентратов повышенной биологической ценности, и получение микробно-растительных концентратов кормового назначения с использованием композиции дрожжей Saccharomyces cerevisiae 121 и дрожжеподобного гриба Geotrichum candidum 977. Двухкомпонентные композиты пищевого назначения содержали массовую долю белка 75–80 % на сухое вещество, скор первой и второй лимитирующих аминокис- лот (лизина и треонина) равен 103–113 %, а третьих (серосодержащих) – 71–72 %. По химическому составу композиты соответствовали группе «Концентраты» со значениями функционально-технологических свойств, характерными для кон- центратов из других видов зерновых культур. Выявлены культуры микроорганизмов, способные активно развиваться на сыворотке – вторичном продукте переработки экстракта после выделения белков. Составлена симбиотическая закваска из гриба Geotrichum candidum 977 и дрожжей Saccharomyces cerevisiae 121, обеспечивающая рост биомассы на углевод- и азот- содержащей среде. Под действием амилазы, глюкоамилазы, целлюлазы и ксиланазы при выделении белков в растворе в 2–4 раза уменьшалось количество высокомолекулярных соединений (декстринов), триоз (раффинозы), освободившихся от взаимодействия с белком и некрахмальными полисахаридами, и в 2−10 раз увеличилось количество глюкозы, дисахаридов, ксилозы, галактозы по сравнению с исходными экстрактами. Сыворотка, остающаяся после удаления основной массы бел- ка, обогащалась низкомолекулярными моно- и олигосахаридами, что положительно отражалось на росте микроорганизмов. Микробно-растительные концентраты с массовой долей белка 55,8−75,1 % на сухое вещество предназначаются для применения в кормопроизводстве в качестве белково-углеводной добавки, а белковые композиты из белка тритикале и гороха с комплементарным аминокислотным составом – для улучшения биологической ценности и показателей технологического качества пищевых изделий.
Тритикалевый экстракт, гороховая мука, биотрансформация, белковый концентрат, микробно-растительный концентрат, биологическая ценность
Белки являются наиболее важными компонентами в питании человека, так как они расходуются на стро- ительные, каталитические, регуляторные и транс- портные функции основных частей тела, органов и тканей организма [1]. Увеличение численности насе- ления планеты позволяет экспертам прогнозировать прогрессирующий дефицит белковой пищи как для пищевых, так и для кормовых целей. Микробиологи- ческие процессы пока не обеспечили значительных успехов в получении альтернативных источников пищевых белков. Это повышает роль природных полипептидов и усиливает значимость наукоемких процессов их производства в виде новых форм. Прогрессирующий мировой опыт развития белковой инженерии, знания в области фундаментальных ис- следований свойств и структуры, с одной стороны, и возрастающая потребность в белках для обеспечения активного образа жизни, уменьшения заболеваний, питания спортсменов, школьников, создания различ- ных видов диет, с другой, создают предпосылки для создания новых технологий пищевых и кормовых белков [2]. В рационах различных животных кор- мовой белок также обеспечивает сбалансированное питание с достижением количественных и качествен- ных характеристик молока, мяса, рыбы, птицы и с одновременным снижением затрат и повышением рентабельности производства [3].
Белки животного происхождения являются наи- более дорогостоящими ингредиентами. Но мировое
производство злаковых культур уже в ближайшие десятилетия может удовлетворить потребность чело- века в его питании [4]. Однако часто аминокислот- ный состав растительных белков не сбалансирован и требует корректировки. Предпочтение отдается со- евым белкам при одновременном расширении работ по глубокой переработке других видов растительного сырья (зернобобовые, масличные культуры, отходы переработки фруктов, ягод и т. д.) с выделением бо- лее полноценных белков [4, 5]. При этом факторами для выбора сырья являются количество, биологиче- ская ценность, функциональные свойства и безопас- ность белков. Наряду с производством соевой муки и небольших объемов сухой пшеничной клейковины, современные направления развития перерабатываю- щей промышленности включают разработку техно- логий белковых продуктов из альтернативных видов сельскохозяйственного сырья (гороха, нута, амаранта и т.д.) и вторичных продуктов их переработки с при- менением физических, физико-химических, биохи- мических и других способов обработки сырья. При этом к перспективным методам получения белковых продуктов следует отнести биотехнологические способы получения белковых композитов (БК) с ком- плементарным аминокислотным составом (АКС) для повышения биологической ценности, улучшения по- казателей качества и создания специализированных пищевых продуктов с определенными медико-биоло- гическими свойствами в целях профилактики заболе- ваний и поддержки здорового образа жизни.
Колпакова В. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 301–311
|
Для крахмалопаточного производства характерно |
|
редуцирующие сахара – 10,0. Дробленое зерно за- |
|
высвобождение значительного количества вторичных |
|
мачивали в 0,15 ± 0,05 % растворе диоксида серы в |
|
продуктов переработки зерновых культур, к которым |
|
течение 22–45 ч при температуре 49 ± 1 °С и соотно- |
|
относятся экстракционные (замочные) воды богатые |
|
шении замочного раствора к массе зерна 2,0–2,5:1. |
|
углеводами, азотистыми и минеральными соедине- |
|
Экстракт, отделенный от замоченного зерна центри- |
|
ниями [6]. Создание и внедрение безотходного зам- |
|
фугированием при 4000 мин–1, имел химический со- |
|
кнутого цикла производства необходимо, с одной |
|
став (в % на СВ): массовая доля СВ – 11,00 ± 1,05 %, |
|
стороны, для извлечения ценных компонентов сырья, |
|
белка – 20,40 ± 2,10 % (N×5,7), сахаров – 10,0 ± 0,6 %, |
|
превращения их в полезные концентрированные про- |
|
золы – 8,0 ± 0,9 %, крахмала Б – 35,5 ± 1,0 % на СВ, |
|
дукты. А с другой стороны, для уменьшения ущерба |
|
рН – 5,10 ± 0,1. Для получения белковых концентра- |
|
окружающей среде от жидких выбросов производства. |
|
тов, наряду с ТЭ, использовали товарную гороховую |
|
К приемам утилизации экстрактов зерновых культур |
|
муку, химический состав которой (в % на СВ) вклю- |
|
относится биологическая переработка сырья, спо- |
|
чал: влагу – 8,9 ± 0,2; белок – 22,9 ± 0,6 (N×6,25); |
|
собствующая переходу углеводных и других видов |
|
золу – 3,10 ± 0,20; жир – 1,70 ± 0,25; крахмал – |
|
компонентов в микробную биомассу, обогащенную |
|
52,7 ± 0,61; другие углеводы – 19,60 ± 1,01. |
|
белками и другими ценными веществами [7, 8]. Благо- |
|
Для выделения белковых концентратов из компо- |
|
даря высокой физиологической активности в процессе |
|
зиции ТЭ с гороховой мукой использовали фермент- |
|
биологической рециклизации отходов производств |
|
ные препараты (ФП) компании фирмы Novozymes |
|
агропромышленного комплекса активно используют- |
|
А/S (Дания): Shearzym 500 L из штамма Aspergillus |
|
ся дрожжи и микромицеты с получением белковых |
|
oryzae с грибной ксиланазной активностью |
|
концентратов пищевого или, чаще, кормового на- |
|
500 ГКА/г и оптимальными условиями действия |
|
значения [9–12]. При переработке отходов, содержа- |
|
65–75 °С, рН 4,5–5,5. В качестве источника цел- |
|
щих целлюлозу, лигнин и хитин, используют грибы |
|
люлазной, α-амилазной и β-глюканазной активности |
|
T. harzianum, T. koningii, Т. reesei, T. Longibrachiatum и |
|
использовали Viscoferm L, продуцируемый штам- |
|
т. д. Так, на основе лузги подсолнечника с помощью |
|
мами Trichoderma и Aspergillus с цитолитической |
|
гриба T. harzianum получена кормовая добавка с вы- |
|
активностью 600 ед/г сырья, оптимумом действия |
|
соким содержанием каротина (90 мг/кг), витамина С |
|
при 50–60 °С и рН 4,8–5,8. В качестве источника α-а- |
|
(1,5 мг%) и оптимальным соотношением уксусной, |
|
милазы использовали Fungamyl 800 L, полученный |
|
масляной и молочной кислот [13]. Ранее нами был |
|
из плесени Aspergillus oryzae (50–60 °C, рН 5,0–6,5), |
|
разработан процесс биоконверсии трех вторичных |
|
амилоглюкозидазы – AMG 300 L 2500, выделенный |
|
продуктов переработки зерна тритикале на крахмал |
|
из гриба Aspergillus niger. Оптимум действия послед- |
|
(экстракт, мезга, сывороточные воды) с дрожжами |
|
него лежал в области 55–60 °С, рН 4,5–5,5. В каче- |
|
Saccharomyces cerevisiae, одного тритикалевого экс- |
|
стве источника протеаз использовали ФП Distizym |
|
тракта с грибом Pleurotus ostreatus 23 и сыворотки, |
|
Protacid от фирмы «Erbslon». Значения активности |
|
остающейся от выделения белкового концентрата, с |
|
ФП использованы от производителей. |
|
грибом Trichosporon pullulansY-955 [14, 15]. Микроб- |
|
Материалом для биотрансформации служили |
|
но-растительные концентраты (МРК) предназначают- |
|
сывороточные воды, образующиеся после выделения |
|
ся для кормовых целей. Максимальное образование |
|
основной массы концентрированных белков из смеси |
|
биомассы наблюдалось при рН 7,5–8,5. Количество |
|
ТЭ и гороховой муки последовательным экстрагиро- |
|
белка в составе препаратов составляло 34–47 % на су- |
|
ванием их с ФП и осаждением в изоэлектрической |
|
хое вещество. |
|
точке [6, 14]. Сыворотка содержала 7,80 ± 0,30 % |
|
Целью данной работы явилась разработка про- |
|
СВ, 15,60 ± 0,65 % белков и 26,77 ± 0,85 % азотистых |
|
цессов биотрансформации сыворотки, полученной из |
|
веществ (N×6,25), 8,76 ± 0,62 золы и углеводов – |
|
тритикалевого экстракта совместно с гороховой му- |
|
56,26 ± 0,57 % на СВ. В работе использовали культу- |
|
кой после выделения из них белковых концентратов |
|
ры дрожжеподобного гриба Geotrichum candidum 977 |
|
повышенной биологической ценности, и получение |
|
и дрожжи Saccharomyces cerevisiae 121 из коллекции |
|
микробно-растительных концентратов кормового |
|
лаборатории выживаемости микроорганизмов Инсти- |
|
назначения при использовании композиции дрожжей |
|
тута микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, |
|
Saccharomyces cerevisiae 121 и дрожжеподобного |
|
которые хранили в холодильнике в пробирках с сус- |
|
гриба Geotrichum candidum 977. |
|
ло-агаром (СА) при температуре 3–4 °С. Филогенети- |
|
|
|
ческое положение штамма Geotrichum candidum 977 |
|
Объекты и методы исследования |
|
проводили совместно с ФГБУ «ГосНИИгенетика». |
|
Тритикалевый экстракт (ТЭ) получали в экспери- |
|
Идентификацию осуществляли на основе анализа по- |
|
ментальном цехе ВНИИ крахмалопродуктов после |
|
следовательности рибосомальных генов по стадиям: |
|
замачивания и дробления зерна сортов «Легион», |
|
1. Рассев культуры и получение биомассы для |
|
«Бард», «Консул», полученных от Донского зональ- |
|
анализа 18S рРНК; |
|
ного НИИ сельского хозяйства, и несортового зерна, |
|
2. Выделение ДНК (Genomic DNA Purification Kit); |
|
поставленного Мглинским крахмальным заводом |
|
3. Идентификация штамма по последовательности |
|
Брянской области. Усредненный химический состав |
|
18S рДНК. |
|
зерна (% на сухие вещества (СВ)) включал: крахмал |
|
Музейные культуры с СА пересева- |
|
– 63,8; белок (N×5,7) – 10,1; жир – 1,5; золу – 1,72; |
303 |
ли в пробирку с сывороткой с последую- |
Kolpakova V.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 301–311
Таблица 1. Аминокислотный скор белков зернового сырья и их композитов
Table 1. Amino acid score of protein of grain raw materials and their composites
|
Исходный материал |
Аминокислоты, скор % |
||
|
Лизин |
Треонин |
Метионин + Цистин |
|
|
Тритикалевый экстракт |
58 ± 2 |
76 ± 2 |
85 ± 1 |
|
Гороховая мука |
137 ± 1 |
102 ± 0 |
54 ± 2 |
|
Композит соотношение белков ТЭ: гороховой муки |
|
||
|
1:1 |
100 ± 0 |
89 ± 2 |
70 ± 1 |
|
1:3 |
117 ± 0 |
99 ± 1 |
62 ± 2 |
|
1:5 |
122 ± 0 |
98 ± 2 |
61 ± 1 |
щим культивированием ее в течение 24 часа. Затем посевную культуру пересевали в колбы емкостью 300 см3 с 50 см3 питательной среды и в динамике выращивали на встряхивателе при ско- рости вращения 150 мин–1, температуре 27 ± 1 °С и рН 6,0. Биомассу от культуральной жидкости отде- ляли центрифугированием при 3000 мин–1 в течение 10 мин, после чего ее высушивали, так же как и су- спензию без отделения биомассы.
Массовую долю белка в продуктах определяли по методу Кьельдаля на приборе фирмы Buсhi (N×6,25) (ГОСТ 10846-91), массовую долю влаги – по ГОСТ 13586.5-93, клетчатки – по ГОСТ 13496.2-91, золы
– по ГОСТ 27494-87, жира – по ГОСТ 29033-91,
массовую долю СВ – по ГОСТ 12570-98, углеводов в концентратах – по разнице между 100 % и сум- мой остальных компонентов. Углеводный состав сыворотки и грибных препаратов исследовали на газовом хроматографе марки Shimadzu GC MS 2010 с детектором (GCMS-QP 2010). Идентификацию пиков проводили по библиотеке масс-спектров NIST 11 и по стандартным метчикам: арабинозе, глюкозе, ксилозе, инозите раффинозе, мальтозе и другим хи- мически чистым углеводам. Аминокислотный состав определяли по методике, изложенной в работе [14]. Морфологические особенности и физиологическое состояние мицелия гриба и дрожжей анализиро- вали с помощью микроскопа марки Axioskop 40 FL Zeiss при увеличении ×100 цифровой камерой AxioCamM4Rc. Функциональные свойства белковых композитов определяли по методикам, изложенным в работе [16].
Для определения доверительного интервала сред- него арифметического результата 3–5 измерений использовали критерий Стьюдента на уровне значи- мости р = 0,05.
Результаты и их обсуждение
Известно, что белки большинства злаковых куль- тур содержат недостаточное количество лизина и треонина, в то время как в состав зернобобовых эти аминокислоты входят в количестве, соответству- ющем эталонному белку ФАО/ВОЗ [17]. С другой
стороны, белки злаков способны дополнять амино- кислотный состав белков (горох, чечевица, соя и т. д.) незаменимым метионином. С целью получения белковых композитов с улучшенным (комплемен- тарным) АКС предварительно расчетным путем определены количественные соотношения белков для исследуемых продуктов по разработанной нами компьютерной программе на основе метода подсчета Монте-Карло. Для этого использовали литератур- ные данные АКС зерновых культур, массовую долю белка в 100 г продукта и шкалу «эталонного» белка [17–20]. По данной программе рассчитали значения скора и определили соотношения белков для состав- ления композиций из белков ТЭ и гороховой муки, чтобы сбалансировать аминокислотный профиль кон- центратов по первым (лизину), вторым (треонину) и третьим (серосодержащим) лимитирующим амино- кислотам (табл. 1). Видно, что белки ТЭ бедны ли- зином, треонином, тогда как в белкигороховой муки дефицитны по серосодержащим аминокислотам.
У двухкомпонентных композитов, взятых в коли- чествах, соответствующих соотношению белка ТЭ и гороховой муки, 1:1, наблюдался дефицит треонина (10 %) и серосодержащих аминокислот (30 %), тогда как при соотношении 1:3 и 1:5 по содержанию лизи- на и треонина обе композиции были сбалансированы, но скор для суммы метионина и цистина не превы- шал 60 %
С целью использования данных видов сырья для получения композитов с комплементарным АМС первоначально исследовали количественный переход белков гороховой муки в раствор, использовав разра- ботанную ранее схему для ТЭ и экстрактов из других зерновых культур [14, 15]. При этом изучили влияние размера частиц муки на переход белка в раствор с применением ФП цитолитического, ксиланазного, амилолитического и протеолитического действия. Использование ФП гидролитического действия об- уславливалось задачей: как можно меньше воздей- ствовать на белки щелочью в целях исключения их денатурации и распада аминокислот в процессе их выделения. Поэтому к гороховой муке добавляли во- допроводную воду, содержащую целлюлолитические и амилолитический ФП при концентрации 50 ед./г и 2 ед./г СВ соответственно при гидромодуле 1:19 по СВ. Суспензию встряхивали 3 ч при 50 °С и рН 5,0. После чего рН доводили до 4,3, вносили растворы ксиланазы и глюкоамилазы из расчета активности
50 ед./г и 2 ед./г СВ соответственно. Суспензию вновь встряхивали 3 ч при 55 °С, затем ее центри- фугировали, белковый раствор сливали, а к остатку добавляли протеолитический ФП из расчета 0,4 ед./г СВ при гидромодуле 1:12, рН 3,0 и температуре 50 °С. Обработку суспензии осуществляли 1 час при тех же условиях. Затем ее центрифугировали. После все белковые растворы объединяли, концентриро- вали до содержания СВ 16 % при 50 °С и добавляли раствор трансглютаминазы с концентрацией 7 ед./г СВ для агрегации белков [21]. Суспензию выдержи- вали 30 минут при 50 °С. Затем рН раствора дово- дили до 3,0–3,5 и центрифугировали его 15 минут
Колпакова В. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 301–311
Таблица 2. Влияние размера частиц гороховой муки на выход белков, % от общего в навеске
выпавшего осадка белка при различном значении рН и по коэффициенту светопропускания сыворотки
Table 2. Effect of particle size of pea flour on the yield of proteins,
при D
нм, остающейся после осаждения белков. Из
|
рисунка 1 видно, что значение pH
смешанных бел-
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
при 5000 мин–1. Осадок белков нейтрализовали 5 % раствором NaOH до рН 6,5 ± 0,1, промывали водой и сушили лиофильным способом.
Выход белков из гороховой муки с размером частиц 110,4 мкм на 37 % был выше, по сравне- нию с выходом при размере 237,7 мкм, и составлял 93,15 ± 3,01 % против 68,12 ± 1,0 %. Гороховая мука с размерами частиц 237,7 мкм и в композиции с ТЭ также обеспечивала относительно низкую раствори- мость белков (63,51 ± 1,6 %) (табл. 2). Установлено, что без раствора щелочи в растворенное состояние с ФП переведено белков муки около 50 % от исходного их в сырье, а с ее использованием – свыше 90 %.
|
(4,2–4,5).
Из данных растворимости белков видно, что при использовании композиций ТЭ с гороховой мукой при соотношении белков 1:3 и 1:5 выход белков в растворе уменьшался, но незначительно, по сравне- нию с одной гороховой мукой, на 3 ± 6 %. Это можно было объяснить более высокой молекулярной массой и особенностями фракционного состава белков три- тикале, затрудняющих переход полимеров в раствор по сравнению с белками гороха (табл. 2). Видно, что после осаждения белков в изоэлектрической точ- ке, в сывороточных водах оставалось свыше 33 % растворимых азотистых веществ, которые, наряду с углеводами, важны для обеспечения роста микроб- ной композиции из дрожжей и гриба при получении кормовой биомассы.
Показатели химического состава и функциональ- ные свойства лиофильно высушенных двухкомпо- нентных композитов свидетельствовали о том, что белковые продукты имели высокую массовую долю белка (75–80 % на СВ) и в целом по показателям со- ответствовали группе «Концентраты» (табл. 3). Ана- лиз АКС белков, при различном их соотношении в композитах, показал, что скор лизина в них повышен в 1,8–1,9 раза, треонина – в 1,3 раза, по сравнению с белками ТЭ, а скор серосодержащих аминокислот
– на 33 % по сравнению с белками гороховой муки. Функциональные свойства как и химические пока- затели БК сходны с показателями образцов сухой пшеничной клейковины [22]. Значительных отличий в исследуемых показателях, в зависимости от соотно- шения в их составе белков различной природы (1:3 и 1:5), не обнаружено.
Выполнены исследования по микробной модифи- кации углеводов и азотистых соединений сыворотки,
(а) (б)
Рисунок 1. Зависимость коэффициента пропускания Т % (а) и массы осадка (б) от значений рН раствора
Figure 1. Dependence of the transmittance T% (a) and the mass of sediment (b) on the pH values of the solution
Kolpakova V.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 301–311
Таблица 2. Растворимость белков муки гороха и смеси с ТЭ, % от общего в N×6,25
Table 2. Solubility of proteins of pea flour and mixtures with triticale extract, % of the total in N×6.25
|
Стадии выделения белков и продукты |
Горох |
Тритикале: горох (1:3) |
Тритикале: горох (1:5) |
|
1 + 2 |
21,46 ± 0,2 |
25,99 ± 0,2 |
27,72 ± 0,3 |
|
3 |
36,20 ± 0,4 |
29,64 ± 0,2 |
29,30 ± 0,4 |
|
4 |
11,46 ± 0,9 |
7,88 ± 0,3 |
9,02 ± 0,5 |
|
Итого: |
69,12 ± 1,1 |
63,51 ± 0,85 |
66,04 ± 0,9 |
|
Остаток |
30,88 ± 0,6 |
36,49 ± 0,5 |
33,96 ± 0,8 |
|
Сыворотка |
37,85 ± 1,2 |
33,77 ± 1,1 |
33,32 ± 1,0 |
|
Осадок белка |
31,27 ± 0,9 |
29,74 ± 0,8 |
32,30 ± 0,7 |
образующейся после извлечения белков из ТЭ и гороховой муки, с получением МРК. Углеводный состав экстрактов, выделенных на первых двух пер- вых стадиях ферментативной обработкой зерновой композиции для удаления из них белков, представлен на рисунке 2. Видно, что на 1 стадии под действием амилазы и комплекса цитолитических ферментов резко возрастало количество высокомолекулярных соединений, представленных декстринами с различ- ной молекулярной массой, и триоз, содержащих раф- финозу, освободившихся от взаимодействия с белком и некрахмальными полисахаридами. Соответственно уменьшилось количество дисахаридов и глюкозы.
На второй стадии при действии ксиланазы, глю- коамилазы и, вероятно, продолжающемся действии амилазы от 1 стадии, почти в 4 раза уменьшилось количество декстринов и почти в 2 раза – триоз, но в 2 раза увеличилось количество глюкозы, в 10 раз – количество дисахаридов и почти в 5 раз – ксилозы, галактозы.
Следовательно, питательная среда, представляю- щая собой ферментированный гидролизат, содержа- щие простые углеводы, была благоприятна для роста симбиотических микроорганизмов и наращивания биомассы, обогащенной белком. Следовательно,
сыворотка, образующаяся после извлечения белка из композиции продуктов переработки зерновых куль- тур, имея качественный углеводный состав, могла быть использована в качестве питательного субстрата для выращивания использованных микроорганизмов.
Для микробиологической переработки зер-
новой сыворотки были выбраны дрожжи и дрожжеподобный гриб, отличающиеся высокой скоростью роста и устойчивостью к посторонней микрофлоре. Это позволило провести культиви- рование в асептических условиях в ценную био- массу по составу аминокислот и липидов. Отбор микроорганизмов, способных активно перераба- тывать сыворотку от композитов, провели среди дрожжей родов Rhodotorula, Schwanniomyces, Pichia, Candida, Saccharomyces, Geotrichum из коллекции ФГУП ГосНИИ Генетика и лаборатории выжи- ваемости микроорганизмов ИНМИ РАН. Среди испытанных культур сыворотку в качестве пита- тельного субстрата усваивали 5 дрожжевых культур: Sacch. cerevisiae, Sacch. vini, Sacch. uvarum, Pichia kudriavzevii 4295, дрожжеподобный гриб Geotrichum candidum. Все культуры применялись в пищевой промышленности. Среди отобранных культур наи- более продуктивными явились культуры следую- щих штаммов: G. candidum 977, Sacch. сerevisiae 121, и P. kudriavzevii 4295. Гриб G. candidum 977 выделен в ходе технологического процесса произ- водства крахмала А на стадии замочки зерна три- тикале, идентифицирован и депонирован в ФГУП ГосНИИ Генетика. Получение МРК включало следу- ющие стадии: сыворотку перед биотрансформацией в течение 15–20 мин прогревали при температуре 90–95 °С, охлаждали до температуры 28–30 °С и вно- сили 3 % закваски, состоящей из консорциума гриба Geotrichum candidum 977 и дрожжей Saccharomyces cerevisiae 121, взятых в соотношении 1:1. Культуры усваивали новый питательный субстрат в течение 5 суток (рис. 3). Урожайность консорциума достига- ла максимума к 3–4 суткам выращивания. При этом на сыворотке, образующейся после удаления белков
Таблица 3. Химический состав и функциональные свойства композитов
Table 3. Chemical composition and functional properties of the composites
|
Соотношение белка ТЭ и гороховой муки |
Влажность, % |
Массовая доля, % на СВ |
|||
|
Белок (N×6.25) |
Жир |
Зола |
Углеводы |
||
|
1:3 |
2,90 ± 0,04 |
80,40 ± 1,03 |
1,97 ± 0,04 |
3,53 ± 0,06 |
14,10 ± 1,0 |
|
1:5 |
4,80 ± 0,03 |
75,44 ± 0,09 |
4,94 ± 0,20 |
2,93 ± 0,3 |
16,73 ± 0,7 |
|
|
Функциональные свойства |
||||
|
Растворимость, % |
ВСС, % |
ЖСС, % |
ЖЭС, % |
||
|
1:3 |
0,39 ± 0,05 |
230 ± 2 |
131 ± 0,5 |
45,0 ± 1,0 |
|
|
1:5 |
0,13 ± 0,03 |
263 ± 1 |
131 ± 0,0 |
45,0 ± 0,0 |
|
|
|
Аминокислотный скор, % |
||||
|
Лизин |
Треонин |
Метионин + Цистин |
|||
|
ТЭ |
58 ± 2 |
76 ± 2 |
85 ± 1 |
||
|
Гороховая мука |
137 ± 1 |
102 ± 0 |
54 ± 2 |
||
|
1:3 |
108 ± 1 |
103 ± 1 |
71 ± 1 |
||
|
1:5 |
113 ± 2 |
105 ± 1 |
72 ± 2 |
||
ВСС – водосвязывающая способность, ЖСС – жиросвязывающая способность, ЖЭС – жироэмульгирующая способность; WBC – water binding capacity, FBC – fat binding capacity, FEA – fat emulsifying ability.
Колпакова В. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 301–311
(а) (б)
Рисунок 2. Углеводный состав экстрактов, % от общего количества: а – высокомолекулярные соединения (ВМС); б – низкомолекулярные углеводы
Figure 2. Carbohydrate composition of extracts, % of the total amount: a – high molecular weight compounds; b – low molecular weight carbohydrates
Рисунок 3. Накопление биомассы на сыворотке при различном соотношении белка ТЭ и гороховой муки (ГМ)
Figure 3. Accumulation of biomass in the serum at different ratios of protein obtained from triticale extract and pea flour
при соотношении их в смеси ТЭ с гороховой муки 1:5, в первые 3 суток биомасса росла несколько более
активно, чем при соотношении белков 1:3, но после 3 суток показатели роста практически сравнивались.
По окончании роста биомассы микроорганиз- мы инактивировали обработкой при температуре 93 ± 2 °С в течение 10–15 мин и высушивали. Внеш- ний вид симбиотической культуры гриба Geotrichum candidum 977 с Saccharomyces cerevisiae 121, МРК (биомассы с культуральной жидкостью) и биомассы, выросшей на сыворотке и полученной после уда- ления белков из экстракта тритикале и гороховой муки, приведен на рисунке 4. Продукты имели вид рассыпчатого порошка белого и кремового цвета, без посторонних запахов и вкуса.
В составе биомассы, полученной на сыворотке при соотношении белков ТЭ и гороховой муки 1:3, больше содержалось золы, жира и углеводов, чем в биомассе, полученной на сыворотке при соотноше- нии 1:5, но меньше белка (табл. 4). Более высокое содержание белка в биомассе и МРК отмечалось при ферментации микроорганизмов на сыворотке,
(а) (б)
Рисунок 4. Внешний вид симбиотической культуры гриба с дрожжами Geotrichum candidum 977 + Saccharomyces cerevisiae 121 (а), МРК (препарат 1) и биомассы (препарат 2) (б)
Figure 4. Symbiotic fungus culture with Geotrichum candidum 977 + Saccharomyces cerevisiae 121 (a), microbial-vegetable concentrates (preparation 1) and biomass (preparation 2) (b)
Kolpakova V.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 301–311
Таблица 4. Химический состав продуктов биоконверсии зерновой сыворотки
Table 4. Chemical composition of the products of bioconversion grain serum
|
Образец |
СВ, % |
|
Массовая доля, % на СВ |
|
|
|
|
|
Белок |
Зола |
Жир |
Углеводы |
|
Соотношение тритикале:горох 1:3 |
|||||
|
Сыворотка |
5,60 ± 0,36 |
23,95 ± 0,95 |
8,91 ± 0,20 |
11,20 ± 1,05 |
55,94 ± 0,57 |
|
Биомасса |
97,30 ± 0,04 |
55,80 ± 0,40 |
8,27 ± 0,64 |
13,56 ± 0,90 |
22,37 ± 1,20 |
|
Культуральная жидкость |
3,00 ± 0,24 |
27,30 ± 0,40 |
11,52 ± 0,51 |
27,78 ± 1,43 |
33,40 ± 0,45 |
|
Культуральная жидкость с биомассой |
95,26 ± 0,38 |
58,54 ± 1,01 |
2,77 ± 0,64 |
5,86 ± 0,84 |
32,83 ± 0,67 |
|
|
Соотношение тритикале:горох 1:5 |
|
|||
|
Сыворотка |
10,00 ± 0,23 |
29,60 ± 0,75 |
8,61 ± 1,04 |
5,20 ± 1,45 |
56,59 ± 0,57 |
|
Биомасса |
97,95 ± 0,72 |
75,10 ± 0,05 |
3,35 ± 0,11 |
3,56 ± 0,80 |
18,19 ± 1,20 |
|
Культуральная жидкость |
22,00 ± 1,04 |
13,20 ± 0,54 |
4,19 ± 0,06 |
27,78 ± 1,03 |
54,83 ± 0,45 |
|
Культуральная жидкость с биомассой |
95,31 ± 0,57 |
67,71 ± 0,21 |
2,05 ± 0,75 |
4,38 ± 0,43 |
25,86 ± 1,34 |
полученной при соотношении белков тритикале:го- роховая мука 1:5, в составе которой в 1,7 раза содер- жалось больше СВ. Массовая доля белков в биомассе при соотношении белков 1:5 была больше в 1,7 раза, а в биомассе с жидкостью – на 15 % больше, чем при соотношении белка 1:3.
Количество жира, углеводов и золы в концен- трате, произведенном на сыворотке из композиции ТЭ:гороховая мука при соотношении 1:5, было в 1,27–1,35 раза меньше, чем в препарате, полученном из сыворотки при соотношении белков 1:3. Таким образом, более качественный по содержанию белка, липидов, углеводов, зольных (минеральных) элемен- тов получен препарат, произведенный на сыворотке с соотношением белков ТЭ:гороховая мука 1:5.
Итоговая принципиальная технологическая схе- ма процесса получения зерновых белковых и ми- кробно-растительных композитов представлена на рисунке 5.
Выводы
Разработаны параметры и принципиальная тех- нологическая схема биотехнологического процесса получения двухкомпонентных композитов из ТЭ и гороховой муки с комплементарным аминокислотным составом при количественном соотношении белков в сырье 1:3 и 1:5 соответственно. Скор первой и вто- рой лимитирующих аминокислот лизина и треонина составил 103–113 %, серосодержащих – 71–72 %. Процесс выделения белков включал применение ФП гидролитического действия (целлюлазы, ксиланазы,
Рисунок 5. Принципиальная технологическая схема получения зерновых белковых и микробно-растительных композитов
Figure 5. Principal technological scheme of obtaining grain protein and microbial-vegetable composites
Колпакова В. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 301–311
амилазы, глюкоамилазы, протеазы) для перевода бел- ков в раствор с уменьшенным воздействием на них раствора щелочи. Выход белков в растворе составил 63,51–66,04 %, с конечным продуктом – 29,74–32,30 % от общего в сырье. По химическому составу компо- зиты относились к группе «Концентраты» с массо- вой долей белка 75,44–80,40 % на СВ и значениями функционально-технологических свойств, характер- ными для концентратов из зерновых культур. Дока- зана возможность проведения биосинтетического процесса трансформации вторичного продукта пе- реработки зерна тритикале на крахмал (экстракта) и белковые композиты совместно с гороховой мукой и получения МРК с массовой долей в % на СВ: белка 55,8–75,1, углеводов 18,9–32,83, жира 3,56–13,56,
золы 2,05–8,27. Отобраны культуры микроорганиз- мов, способные активно развиваться на субстрате. Из них составлена симбиотическая закваска из гриба Geotrichum candidum 977 и дрожжей Saccharomyces cerevisiae 121, обеспечивающая рост биомассы на углевод- и азотсодержащей среде. Сыворотка, об-
разующаяся после выделения концентрированных белков из композиции из ТЭ с гороховой мукой при соотношении белка 1:3 и 1:5 соответственно, являлась доброкачественной для питательных сред микробиологического синтеза. Предпочтение отдано соотношению белка в экстракте и гороховой муке 1:5. Новые МРК предназначались для применения в кор- мопроизводстве в качестве белково-углеводной до- бавки, а белковые композиты из экстракта тритикале и гороховой муки – в производстве пищевых изделий для улучшения биологической ценности и технологи- ческого качества
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте- ресов.
Финансировани
Работа выполнена по Заданию № 0585-2019-0004– С-01 при финансовой поддержке Министерства нау- ки и высшего образования Российской Федерации.
1. Мартинчик, А. Н. Физиология питания / А. Н. Мартинчик. - М. : Академия. - 2013. - 236 с.
2. Белковые изоляты из растительного сырья: обзор современного состояния и анализ перспектив развития техноло- гии получения белковых изолятов из растительного сырья / Д. В. Компанцев, А. В. Попов, И. М. Привалов [и др.] // Совре- менные проблемы науки и образования. - 2016. - № 1. - С. 58.
3. Протеины: новое в технологии производства и возможности использования // Комбикорма. - 2017. - № 10. - С. 59-62.
4. Кудинов, П. И. Современное состояние и структура мировых ресурсов растительного белка / П. И. Кудинов, Т. В. Щеколдина, А. С. Слизькая // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2012. - Т. 329-330, № 5-6. - С. 7-10.
5. Доморощенкова, М. Л. Некоторые аспекты производства и формирования рынка соевых белков на современном этапе / М. Л. Доморощенкова, Л. Н. Лишаева // Пищевая промышленность. - 2010. - № 2. - С. 32-39.
6. Андреев, Н. Р. К вопросу глубокой переработки зерна тритикале / Н. Р. Андреев, В. В. Колпакова, В. Г. Гольд- штейн // Пищевая промышленность. - 2018. - № 9. - С. 30-33.
7. Исследование процессов роста спиртовых и кормовых дрожжей на сернокислотных гидролизатах растительного сырья. Часть 2. Исследование процессов роста кормовых дрожжей на сернистокислотных гидролизатах смеси пшеничной соломы и отрубей / Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев, Э. И. Нуретдинова [и др.] // Вестник Казанского технологического универ- ситета. - 2014. - Т. 17, № 20. - С. 156-158.
8. Храпова, А. В. Скрининг новых штаммов дрожжей для получения кормового белка / А. В. Храпова, О. Б. Сопруно- ва // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. - Т. 13, № 5-3. - С. 210-214.
9. Cellulase and Biomass Production from Sorghum (Sorghum guineense) Waste by Trichoderma longibrachiatum and Aspergillus terreus / O. N. Olaleye, M. A. Omotayo, S. Abdus [et al.] // Journal of Microbiology Research. - 2015. - Vol. 5, № 6. - P. 169-174. DOI: https://doi.org/10.5923/j.microbiology.20150506.01.
10. Fungal Biomass Protein Production from Trichoderma harzianum Using Rice Polishing / A. Sibtain, M. Ghulam, A. Muhammad [et al.] // BioMed Research International. - 2017. - Vol. 2017. DOI: https://doi.org/10.1155/2017/6232793.
11. Use of Aspergillus terreus for microbial biomass production and its biological evaluation in broiler chicks / M. A. Shahzad, H. Nawaz, M. I. Rajoka [et al.] // International Conference on Food Engineering and Biotechnology IPCBEE. - Singapoore, 2011. - Vol. 9. - P. 255-260.
12. Shahzad, M. A. Single cell protein production from Aspergillus terreusand its evaluation in broiler chick / M. A. Shahzad, M. I. Rajoka // International Journal of Bioscience, Biochemistry and Bioinformatics. - 2011. - Vol. 1, № 2. - P. 137-141. DOI: https://doi.org/10.7763/IJBBB.2011.V1.25.
13. Хусид, С. Б. Подсолнечная лузга как источник получения функциональных кормовых добавок / С. Б. Хусид, А. Н. Гнеуш, Е. Е. Нестеренко // Научный журнал КубГАУ. - 2015. - Т. 107, № 3. - С. 3-14.
14. Утилизация вторичных продуктов переработки тритикале с получением кормового микробно-растительного концентрата для прудовых рыб / Н. Р. Андреев, В. В. Колпакова, И. К. Кравченко [и др.] // Юг России: экология. Развитие. - 2017. - Т. 12, № 4. - С. 90-104. DOI: https://doi.org/10.18470/1992-1098-2017-4-90-104.
15. Биоконверсия вторичных продуктов переработки зерна тритикале на крахмал с использованием гриба Pleurotus Ostreatus 23 / Н. Д. Лукин, Р. В. Уланова, И. К. Кравченко [и др.] // Химия растительного сырья. - 2018. - № 4. - С. 225-234. DOI: https://doi.org/10.14258/jcprm.2018043993.
16. Functional technological properties and electrophoretic composition of modified wheat gluten / V. V. Kolpakova, L. V. Chumikina, L. I. Arabova [et. al.] // Foods and Raw Materials. - 2016. - Vol. 4, № 2. - P. 48-57. DOI: https://doi. org/10.21179/2308-4057-2016-2-48-57.
17. Dietary protein quality evaluation in human nutrition: Report of an FAO Expert Consultation. - Rome : Food and Agriculture Organization of the United Nations. - 2013. - 66 p.
18. Тутельян, В. А. Химический состав и калорийность российских продуктов питания: справочник / В. А. Тутельян. - М. : ДеЛи плюс. - 2012. - 284 с.
19. Амарант: химический состав, биохимические свойства и способы переработки / И. А. Абрамов, Н. Е. Елисеева, В. В. Колпакова [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2011. - № 6. - С. 44-48.
20. Химический состав и функциональные свойства рисовых белковых концентратов / В. В. Колпакова, Д. Н. Лукин, Л. В. Чумикина [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2015. - Т. 66, № 4. - С. 120-124. DOI: https://doi.org/10.20914/2310-1202-2015-4-120-124.
21. Гидролиз сухой пшеничной клейковины разного качества с применением экзо-и эндопротеиназ / А. В. Васильев, Л. В. Зайцева, В. В. Колпакова [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. - № 8. - С. 38-39.
