Оценка амилорезистентности крахмалов различного происхождения и модификации

УДК 637.1.023

ОЦЕНКА АМИЛОРЕЗИСТЕНТНОСТИ КРАХМАЛОВ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И МОДИФИКАЦИИ

Е.К. КОПТЕЛОВА, кандидат технических наук, заведующий отделом

Л.Г. КУЗЬМИНА, старший научный сотрудник

В.А. ГУЛАКОВА, старший научный сотрудник

Н.Д. ЛУКИН, доктор технических наук, заместитель директора

Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, пос. Краско-во, Московская обл., 140051, Российская Федерация

Резюме. Резистентные крахмалы (РК) пищевых продуктов, в отличие от гликемических, не расщепляются в желудочно-кишечном тракте человека, но улучшают его перистальтику и используются кишечными бактериями с получением жирных кислот с короткой цепью, которые могут снижать уровень онкологических молекул, способствующих развитию рака прямой и толстой кишки. РК улучшают чувствительность клеток к инсулину, снижают уровень холестерина в крови и способствуют появлению более раннего чувства насыщения пищей, поэтому их используют также для снижения массы тела человека. Во ВНИИ крахмалопродуктов изучена возможность оценки резистентности крахмалов исследованием состава гидролизатов ферментативного расщепления с применением жидкостной хроматографии. Ферментативное расщепление испытуемых крахмалов проводили с использованием панкреатической а-амилазы свиньи (фирма Яиса) активностью 16 мг/см3 и а-амилоглюкозидазы активностью 3000 ед./см3. Гидролиз осуществляли при температуре 370С, продолжительность процесса ферментации - от2до 60 мин. Углеводный состав гидролизатов определяли на жидкостном хроматографе. Среди испытанных образцов кукурузных крахмалов более высокой резистентностью отличается крахмал с повышенным до 60 % содержанием амилозы. Картофельный крахмал более устойчив к действию ферментов, чем кукурузный, в 1,5-2раза. Изучены особенности ферментативной резистентности модифицированных, набухающих в холодной воде, кукурузных крахмалов, с предварительной клейстери-зацией на вальцовой сушилке и полученных путем термопластичной экструзии. Наиболее устойчивыми к действию ферментов были набухающий кукурузный крахмал вальцовой сушки и экструзионный пищевой. Скорость ферментативных реакций определяется, в основном, диффузионными процессами и структурой субстрата. Поэтому она, а также выход глюкозы и, следовательно, усвояемость продуктов, получаемых на основе клейстеризованных крахмалов, может быть различной.

Ключевые слова: крахмал резистентный, амилолитиче-ские ферменты, ферментативная резистентность, гидро-лизаты крахмала, жидкостная хроматография, содержание глюкозы.

Для цитирования: Оценка амилорезистентности крахмалов различного происхождения и модификации/Е.К. Коптелова, Л.Г. Кузьмина, В.А. Гулакова, Н.Д. Лукин //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 5. С. 60-62.

Одно из направлений поддержания здорового образа жизни человека - разработка рецептур новых пищевых продуктов, содержащих крахмал, устойчивый (резистентный) к действию амилолитических ферментов (РК, ЯБ). В пищевых продуктах крахмалы бывают двух видов: гликемические и резистентные. Гликемические расщепляются в желудочно-кишечном тракте и делятся на быстро и медленно перевариваемые. Резистентный крахмал не расщепляется в тонком кишечнике, но улучшает его перистальтику и используется кишечными бактериями с получением жирных кислот с короткой цепью, которые могут снижать уровень онкологических молекул, способствующих развитию рака прямой кишки [1, 2, 3].

Резистентные крахмалы (РК) улучшают чувствительность клеток к инсулину, снижают уровень холестерина в крови и способствуют появлению более раннего чувства насыщения пищей. Поэтому РК используют также для снижения массы тела человека [1, 2, 3, 4].

Резистентные крахмалы делят на 4 основных класса:

РК1 - физически недоступный для ферментации крахмал, находящийся в середине растительной клетки (в частично измельченных зерновых и семенах);

РК2 - нативные естественные врожденные, например, крахмал зеленых бананов, высокоамилозные кукурузные и гороховые крахмалы, крахмал сырого картофеля;

РК3 - резистентные крахмалы, образовавшиеся вследствие ретроградации клейстеризованных крахмалов, которые содержатся в обработанных и охлажденных продуктах - испеченном хлебе, кукурузных хлопьях, сваренном и охлажденном картофеле;

РК4 - некоторые виды модифицированных крахмалов. Например, набухающие, экструзионные, этерифи-цированные, поперечно-связанные [5,6].

Результаты исследований ВНИИ крахмалопродуктов показали, что существует возможность повышения ферментативной резистентности крахмала методами влагомеханической обработки и замораживания - оттаивания. Резистентные крахмалы РК3 часто получают нагреванием клейстеризованного крахмала до температуры более 120 0С с последующим охлаждением до 40 0С и ниже. Увеличение циклов нагревания - охлаждения способствует повышению выхода резистентного крахмала [7, 8].

В публикациях последних лет отмечен рост интереса к исследованию физико-химических и структурных особенностей, а также к технике получения резистентных крахмалов [4].

Известно, что под влиянием амилолитических ферментов в крахмале расщепляется преимущественно упорядоченная часть цепей амилозы, поэтому по количеству образованной при этом глюкозы можно косвенно судить об амилорезистентности исследуемых образцов.

Цель исследований - провести оценку амилорезистентности крахмала разного происхождения и его модификаций на основе ферментативного гидролиза для последующего использования в рецептурах функциональных продуктов питания.

Условия, материалы и методы. Анализ литературных источников позволил авторам выбрать и уточнить отдельные этапы методики определения резистентности крахмалов разного происхождения и способа модификации. Для этого вначале проводили ферментацию клейстеризованного крахмала ами-лолитическими ферментами, а количество глюкозы определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Результаты предварительных исследований позволили разработать методику, которая состоит из следующих основных операций:

клейстеризация испытуемого образца и разбавление клейстера;

ферментация;

определение содержания глюкозы в гидролизате.

Рис. 1. Содержание глюкозы в гидролизатах крахмалов разного происхождения при различной продолжительности гидролиза: - картофельный; ^^ - кукурузный; -высокоамилозный кукурузный А60 (ВАК); >< - амилопектиновый восковидной кукурузы.

С использованием этой методики был проведен анализ крахмалов кукурузы разных видов (зубовидной, восковидной высокоамилозной) и картофеля.

Таблица 1. Содержание глюкозы в гидролизатах крахмала разного происхождения, % к сухим веществам

Продолжи-тель-ность, мин. Содержание глюкозы, %

кукурузный крахмал высо-коамилоз-ный крахмал амилопек-тиновый крахмал картофель-ный крахмал

15 38,0 26,0 38.9 17,5 30 38,0 30,6 39,1 18,4

Ферментативное расщепление испытуемых крахмалов осуществляли с использованием панкреатической а-амилазы свиньи (фирма Fluca) активностью 16 мг/см3 и амилоглюкозидазы активностью 3000 ед/ см3. Гидролиз проводили при температуре 37 0С, продолжительность процесса ферментации - от 2 до 60 мин. Углеводный состав ги-дролизатов определяли на жидкостном хроматографе фирмы

Результаты и обсуждение. Анализ содержания глюкозы в гидролизатах крахмалов разного происхождения при продолжительности ферментации 15 и 30 мин. показал, что среди испытанных образцов кукурузных крахмалов более высокой резистентностью отличался крахмал с повышенным содержанием амилозы (табл. 1). Еще более устойчивым кдействию ферментов оказался картофельный крахмал.

Также можно отметить, что кукурузный и амило-пектиновый крахмалы подвергаются процессу ферментации быстрее, чем другие (рис.1), следова-

тельно, резистентность их самая низкая, а наибольшей устойчивостью обладает картофельный крахмал. Вероятно, причина в различных размерах гранул крахмалов и особенностях их структуры.

Известно, что предварительно клейстеризован-ные на вальцовой сушилке или полученные путём термопластичной экструзии набухающие зерновые крахмалы, обладающие повышенной склонностью к ретроградации, восстанавливаются в холодной воде значительно медленнее, чем клубневые [9]. Такая особенность зерновых крахмалов повышает их резистентность, по сравнению с исходной формой. Это предположение подтверждают результаты исследования набухающих кукурузных крахмалов, изготовляемых отечественными предприятиями.

Углеводный состав гидролизатов набухающих крахмалов преимущественно содержит высокомолекулярные соединения (ВМС), на долю которых приходится 61,7-75,9 % сухих веществ, при гидролизе их содержание снижается на 7-20 % с изменением количества мальтозы на 2-3 % и увеличением глюкозы с 9,8-11,4 до 19,2-23,1 % (рис. 2), что в 1,5-2 раза ниже, чем у обычного кукурузного крахмала. Эти данные свидетельствуют о высокой резистентности набухающих кукурузных крахмалов. Очевидно, в процессе влаго-термической обработки происходит ускорение ретро-градации крахмальных макромолекул, их сближение и частичная кристаллизация амилозных цепочек. Это снижает стабилизационную способность крахмальных макромолекул и устойчивость новообразований к дей-

Рис. 2. Количество глюкозы в гидролизатах набухающих кукурузных крахмалов, полученных на разных предприятиях РФ, при проведении ферментации: - набухающий крахмал кукурузный (Чаплыгинский крахмальный завод); ^^ - набухающий крахмал пищевой фосфатный (Чаплыгинский КЗ); - набухающий крахмал кукурузный, ООО «Терек-крахмал», КБР.

Таблица 2. Углеводный состав продуктов ферментативного гидролиза экструзионных крахмалов, %

Образцы Время, ВМС Маль- Глюко-

предприятий мин тоза за

Экструзионный 5 44,9 17,4 37,7

реагент 10 34,7 18,2 47,1

ООО «Амилко» 30 36,5 15,1 48,3

60 35,1 15,2 49,8

Экструзионный 5 58,9 18,2 22,5

реагент 10 56,9 18,5 24,5

ООО «Крахмал» 30 52,9 17,9 29,2

60 49,7 17,2 33,1

Экструзионный 5 68,4 15,3 16,2

крахмал ВНИИК 10 67,7 16,0 16,3

(пищевой) 30 68,1 16,1 15,8

60 68,2 13,9 17,9

ствию ферментов. В то же время внесение натриевых солей фосфорной кислоты в крахмальную суспензию перед высушиванием на вальцовой сушилке разрушает структуру крахмального зерна, изменяет связи между его макромолекулами и увеличивает сопротивление ферментативному расщеплению.

Основную часть гидролизатов экструзионных крахмалов составляют ВМС (табл. 2). Концентрация мальтозы у всех образцов примерно одинакова - от 14,3 до 17,7 %. В то же время содержание глюкозы различно - у образца ООО «Крахмал» Брянской области (без добавок реагента) оно намного ниже, чем в образце с добавкой реагента ООО «Амилко».

Из всех испытанных образцов наиболее высокой резистентностью отличается экструзионный пищевой крахмал из опытного цеха ВНИИК, у которого содержание глюкозы в 2,5-3 раза ниже, чем в образце экструзионного крахмала ООО «Амилко».

При этом растворимость в холодной воде всех образцов высокая, они почти полностью растворяются без нагревания. Вероятно, на результаты гидролиза влияют конструктивные особенности экструдеров и добавки, которые используют в технологии экстру-дирования.

Выводы. Скорость ферментативных реакций определяют, в основном, диффузионные процессы и структура субстрата. Поэтому скорость реакции ферментативного гидролиза клейстеризованных крахмалов, а также выход глюкозы - показатель их резистентности, следовательно, усвояемость продуктов, получаемых на их основе, может быть различной.

Методами влаготермической и экструзионной обработки можно получать крахмалопродукты повышенной резистентности. Результаты зависят от вида исходного сырья, химических добавок, технологических особенностей процесса, конструкции оборудования. Полученные данные помогут производителям новых функциональных пищевых продуктов при разработке рецептур в подборе модифицированных набухающих или экструзионных крахмалов повышенной амилоре-зистентности.

Литература.

1. Оценка параметров процесса ферментативного гидролиза желатинизированных крахмалов, выделенных из пшеницы, гороха и ячменя с различным содержанием амилозы/Л.А. Вассерман, В.И. Киселева, В.П. Юрьев, Е.В. Сотникова, М.Г. Гап-паров //Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. № 11. С. 33-37.

2. Analysis of resistant starch: a method for foods and food products /1. Goni, L. Garcia-Diz, E. Manas, F. Saura-Calixto // Food Chemistry. 1996. Vol. 56. № 4. Pp.445-449.

3. Resistant starch as prebiotic: A review / E. Fuentes-Zaragoza, E. Sanchez-Zapata, E. Sendra, E. Sayas, C. Navarro, J. Fernandez-Lopez, J.A. Petez-Alvarez//Starch-Starke. 2011. Vol. 63. Pp. 406-415.

4. Son Trinh K., Jun Choi S., Wha Woon T. Structure and digestibility of debranched and hydrothermally treated water yam starch //Starch-Starke. 2013. №7-8. Vol. 65. Pp.679-685.

5. ЖушманА.И. Модифицированные крахмалы. М.: Пищепромиздат, 2007. 216 с.

6. Englist H.N., Kingman S.N., Cummings J.H. Classificftion and measurement of nutritional important starch fractions // Eur.J. Clin. Nutr. 1992. Pp. 33-46.

7. Lee Kw. et al. Influence of storage temperature and autoclaving cycles on slowly and resistant (RS) formation from partially debranched rice starch // Starch-Starke. 2013. №7-8. Vol. 65. Pp. 694-701.

8. Patel Bh., Seetharaman K. Effect of heating rate at different moisture contents on starch retrogradation and starch-water interactions during gelatinization //Starch-Starke . 2010. № 10. Vol. 62. Pp. 538-546.

9. Sievert D., Pomeranz Y. Enzyme-Resistant Starch. I. Characterization and Evaluation by Enzymatic, Thermoanalytical, and Microscopic Methods//Cereal Chemistry. 1989. Vol. 66. № 4. Pp. 342-347.

ASSESSMENT OF RESISTANCE OF STARCH OF DIFFERENT ORIGIN AND MODIFICATION TO

AMYLASE CLEAVAGE

E.K. Koptelova, L.G. Kuz'mina, V.A. Gulakova, N.D. Lukin

All-Russian Research Institute of Starch Products, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation Abstract. Resistant starch (RS) from food, in contrast to glycemic one, is not cleaved in human gastrointestinal tract, but improves its peristalsis and are used by intestinal bacteria. As a result, fatty acids with short chains are obtained, which could decrease the level of oncological molecules, promoting the development of colorectal cancer. RS improves the susceptibility of cells to insulin, decreases the level of cholesterol in blood and contributes to the appearance of an earlier satiety, so it is also used to reduce the body weight of a person. In the All-Russian Research Institute of Starch Products it is tested the possibility of assessment of starch resistant by the study of the hydrolyzate composition after enzyme cleavage by the use of liquid chromatography. Enzyme cleavage of the tested starch was carried out with the use of pig pancreatic alpha-amylase (Fluca) with activity of 16 mg/cm3 and alpha- amyloglucosidase. Hydrolysis was carried out at 37 Celsius degrees; the duration of fermentation process was from 2 to 60 minutes. Carbohydrates composition of hydrolyzates was determined by a liquid chromatograph. Among the tested samples of corn starch, the starch with the increased content of amylose (up to 60 %) was characterized by higher resistance. Potato starch is 1.5-2 times more resistant to enzyme action than corn one. It was studied the peculiarities of the enzymatic resistance of corn starch, modified, swelling in cold water, with preliminary gelatinization on a roller dryer and obtained by thermoplastic extrusion. Swelling corn starch of roller drying and extrusion food starch were the most stable to the enzyme action. The rate of enzyme reaction is determined, mainly, by the diffusion processes and substrate structure. Therefore the rate of enzyme hydrolysis of gelatinized starch, as well as the glucose output and, subsequently, the food digestibility, obtained on its base, could be different.

Keywords: resistant starch, amylolytic enzymes, enzymatic resistance, starch hydrolyzates, liquid chromatography, glucose content. Author Details: E.K. Koptelova, Cand. Sc. (Tech.), head of division (e-mail: koptelova.vniik@mail.ru); L.G. Kuz'mina, senior research fellow; V.A. Gulakova, senior research fellow; N.D. Lukin, D. Sc. (Tech.), deputy director.

For citation: Koptelova E.K., Kuz'mina L.G., Gulakova V.A., Lukin N.D. Assessment of Resistance of Starch of Different Origin and Modification to Amylase Cleavage. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 5. Pp. 60-62 (in Russ.).