Влияние нанопрепаратов на активность амилаз светлого ячменного солода

КАЧЕСТВО — ОСНОВА БЕЗОПАСНОСТИ ПРОДУКЦИИ

ТЕМА НОМЕРА

УДК 663.44

Влияние нанопрепаратов на активность амилаз светлого ячменного солода

Д. В. Карпенко,

д-р техн. наук, доцент;

В. О. Кашанков,

студент; М.В. Савина,

студентка

Московский государственный университет пищевых производств

В последнее десятилетие наноча-стицы и нанопрепараты находят все более широкое применение при производстве разнообразной продукции, повышая ее качество и снижая затраты [1, 2]. Однако, высочайшая проникающая способность наноча-стиц обуславливает их проникновение в окружающую среду и аккумуляцию в природных системах. Таким образом, наночастицы могут поступать в технологические процессы пищевых производств, в частности пивоваренного, в составе зернового сырья, хмеля, технологической воды и др.

В научной литературе все чаще высказывается мнение о том, что различные наночастицы при определенных условиях могут негативно воздействовать на протекание ряда процессов, базирующихся на применении тех или иных биообъектов [3, 4], ферментов, ферментных препаратов. Аналогичные выводы были сделаны и на основании результатов исследований, проводившихся на протяжении последних лет на кафедре «Технологии бродильных производств и виноделия» МГУПП [5-10]. Было установлено, что при определенном содержании наночастиц и нанопрепаратов серебра, оксида цинка, меди, железа, диоксида титана, многослойных углеродных нанотрубок в технологических средах пивоварения наблюдается замедление протекания ключевых стадий: солодо-ращения, затирания, спиртового брожения, ухудшение основных технологических характеристик ячменного солода, пивных дрожжей, гидролитических ферментов пивоваренного солода и ферментных препаратов микробного происхождения. В то же время,

при низком содержании наночастиц, за исключением наночастиц серебра, в условиях экспериментов отмечено возрастание активностей амилолити-ческих и протеолитических ферментов или отсутствие какого-либо влияния объектов наноразмера на контролируемые показатели. В этой связи, целью настоящей работы стало изучение влияния наночастиц диоксида титана и многослойных углеродных нанотру-бок (МУНТ) на активность амилолити-ческих ферментов светлого ячменного солода, от которых в значительной степени зависит эффективность всего технологического процесса пивоварения и качество готового напитка.

Влияние выбранных нанопрепара-тов оценивали, определяя активность амилаз солодовой вытяжки. На первом этапе амилолитическую активность вытяжки определяли колориметрическим методом [11], однако он не позволял получать воспроизводимые и сопоставимые результаты, возможно, по причине того, что в разных образцах вытяжки содержались различные количества соединений крахмальной природы. Это сделало необходимым проводить оценку активности амилаз солода по собственной методике, которая сводилась к следующему. Субстратом служил 1%-ный раствор растворимого крахмала в количестве 10 см3, к которому добавляли 5 см3 солодовой вытяжки, содержавшей (опытные образцы) или не содержавшей (контрольные образцы) определенные количества нанопрепарата ТЮ2 или МУНТ, обеспечивавшие заданное содержание каждого из нанопрепаратов в реакционной среде. После формирования реакционных смесей контрольных и

18 ПИВО и НАПИТКИ 6•2017

Содержание нанопрепарата диоксида титана, мг/см3 реакционной смеси Содержание нанопрепарата МУНТ, мг/см3 реакционной смеси

Рис. 1. Влияние различных концентраций нанопрепарата ТО2

на накопление РВ при гидролизе в течение 1 ч 1%-ного раствора растворимого крахмала под действием амилаз солодовой вытяжки

Рис. 2. Влияние различных концентраций препарата МУНТ

на накопление РВ при гидролизе в течение 1 ч 1%-ного раствора растворимого крахмала под действием амилаз солодовой вытяжки

опытных образцов от них отбирали аликвоты, разбавляли их в пять раз и определяли редуцирующие вещества (РВ) с динитросалициловой кислотой. Ферментативный гидролиз крахмала в первой серии обсуждаемых экспериментов проводили в течение 60 мин при рН 4,7 и температуре 50 °С. Сразу после его окончания реакционную среду разбавляли в пять раз дистиллированной водой и определяли концентрации редуцирующих веществ вышеупомянутым методом. Амило-литическую способность контрольных и опытных образцов оценивали по интенсивности прироста продуктов гидролиза крахмала за время ферментативной реакции.

В первых сериях экспериментов варьировали содержание наночастиц диоксида титана или углеродных нано-трубок в опытных образцах. Диапазон варьирования для каждого из нано-препаратов составлял 0,125-5,0 мг/см3 реакционной среды. Для удобства сопоставления результатов всей серии экспериментов их выражали, принимая количество гидролизованного крахмала в соответствующем, собственном для каждого отдельного эксперимента контрольном варианте за 100 %, а его количество в опытном варианте — в процентах по отношению к этой величине. Результаты экспериментов представлены на рис. 1 и 2.

Сопоставление полученных данных наглядно демонстрирует различия в характере и интенсивности влияния двух применяемых нанопрепаратов на амилолитическую активность светлого ячменного солода. Так, присутствие в реакционной среде МУНТ в наименьшей из рассмотренных концентраций (0,125 мг/см3) достаточно неожиданно привело к заметному, примерно на 25 %, снижению количества РВ по окончании гидролиза, очевидно,

вследствие ингибирования наноча-стицами амилаз солодовой вытяжки. Увеличение содержания углеродных нанотрубок (0,5 мг/см3) привело к наибольшему повышению интенсивности гидролиза — на 44 % по сравнению с контролем. Еще большие концентрации МУНТ оказывали менее выраженное положительное воздействие на амилолитическую активность или не оказывали никакого влияния (при 5,0 мг/см3 реакционной среды).

Зависимость активности амилаз солода от присутствия в реакционной среде нанопрепарата ТЮ2 имела иной характер. При его содержании 0,125 мг/см3 также наблюдали снижение выхода РВ по окончании гидролиза крахмала, однако увеличение концентрации наночастиц обусловило активацию амилаз вплоть до 50 % по сравнению с контролем при 0,5 мг/см3. Возрастание содержания нанопре-парата диоксида титана до 1,0 мг/см3 привело к ингибированию амилаз и снижению выхода РВ почти на 25% по сравнению с контролем. Снижение ингибирующего эффекта и его переход к активирующему через нейтральное воздействие в диапазоне концентраций нанопрепарата ТЮ2, по нашему мнению, может быть объяснено следующим образом. При увеличении содержания наночастиц диоксида титана в реакционной среде наблюдается их частичная агломерация, приводящая к образованию частиц настолько больших по размеру, что они теряют наноразмер, а вместе с ним и свойства, характерные для наночастиц этого вещества. Соответственно, меняются характер и степень влияния данного препарата на активность амилаз — они обусловлены совместным присутствием частиц нано- и микроразмера.

Для проверки полученных результатов и справедливости сделанных

выводов были проведены следующие серии экспериментов, в которых продолжительность ферментативного гидролиза была увеличена до 180 мин, а пробы реакционных смесей опытных и контрольных образцов отбирали через каждые 60 мин. Нанопрепа-раты содержались в концентрациях, при которых ранее были зафиксированы наиболее выраженные активирующие (по 0,5 мг/см3 реакционной среды) и наиболее ингибирующие (1,0 мг/см3 для ТЮ2 и 0,125 мг/см3 для МУНТ) воздействия. Остальные условия проведения экспериментов были такими же, как на предыдущих этапах исследований. Полученные результаты выражали непосредственно в концентрациях РВ в пробах (рис. 3 и 4).

Полученные результаты подтверждают справедливость сделанных ранее выводов. Так, через 60 мин гидролиза концентрация РВ в опытном образце с нанопрепаратом диоксида титана была на 45 % выше, чем в контроле, а присутствие МУНТ в реакционной среде через то же время обеспечило увеличение выхода РВ на 31%, то есть, положительное влияние наночастиц ТЮ2 было более выраженным, чем у МУНТ. Более того, при увеличении продолжительности гидролиза крахмала положительное влияние нанопрепарата диоксида титана становится несколько более выраженным (увеличение концентрации РВ на 58 % по сравнению с контролем), а МУНТ — ослабевает (прирост концентрации РВ — 22 %).

Еще более интересны, с нашей точки зрения, результаты, полученные в присутствии «ингибирующих» концентраций нанопрепаратов. Снижение концентрации РВ (23 % для МУНТ и 22 % для нанопрепарата диоксида титана) в опытных образцах реакционных смесей через 60 мин гидролиза крахмала практически идентично

6•2017 ПИВО и НАПИТКИ 19

Рис. 3. Влияние нанопрепаратов ТЮ2 и МУНТ (0,5 мг/см3

реакционной среды) на накопление РВ при гидролизе в течение 3 ч 1%-ного раствора растворимого крахмала под действием амилаз солодовой вытяжки

Рис. 4. Влияние нанопрепарата диоксида титана (1,0 мг/см3 реакционной среды) и МУНТ (0,125 мг/см3 реакционной среды) на накопление РВ при гидролизе в течение 3 ч 1%-ного раствора растворимого крахмала под действием амилаз солодовой вытяжки

значениям, полученным в аналогичных условиях в первых сериях экспериментов. Однако, в ходе дальнейшей реакции ферментативного гидролиза в опытных образцах вообще не наблюдали прироста концентрации РВ, что позволяет сделать вывод о полной инактивации амилаз солодовой вытяжки как одним, так и другим на-нопрепаратом. Это тем более важно, что в производственном масштабе на многих пивоваренных предприятиях продолжительность стадии затирания, на которой активность именно солодовых амилаз является ключевым технологическим фактором, значительно превышает 60 мин, а гидролиз крахма-

ла наиболее интенсивно должен протекать во второй части этой стадии.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что при определенных условиях как наночастицы диоксида титана, так и углеродные нано-трубки могут оказывать технологически и экономически существенное отрицательное воздействие, по крайней мере, на амилазы светлого ячменного пивоваренного солода. Следовательно, их присутствие в технологических средах пивоваренного производства, по крайней мере в значимых концентрациях, нежелательно. Кроме того, целесообразно продолжить изучение влияния различных нанопрепаратов

на активность амилаз зернового сырья и результаты стадии затирания пивоваренного производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kulkarni, S.K. Nanotechnology: Principles and Practices. 3rd Edition / S. K. Kulkarni — Springer, 2015. — 418 p.

2. Bennat, C. Skin penetration and stabilization of formulations containing microfine titanium dioxide as physical UV filter / C. Bennat, C. Muller-Goymann // Inter. J. Cos. Sci. — 2000. — № 22. — P. 271-283.

3. Kumar, C. (Ed.) Nanomaterials — toxicity, health and environmental issues. Nanotech-nologies for the Life Sciences. Volume 5 / C. Kumar. — Wiley, 2006. — 346 p.

24-я Азербайджанская Международная Выставка Пищевая Промышленность

16 - 18 Мая 2018 Баку Экспр Центр Б аку. Азерб айджан

Пщтучмто üün#r мл сайт р www.worldf ос d. az

20 ПИВО и НАПИТКИ

6•2017

ККАЧЕСТВО - ОСНОВА БЕЗОПАСНОСТИ ПРОДУКЦИ1

4. Donaldson, K. Ultrafine particles: mechanisms of lung injury / K. Donaldson, V. Stone // Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A — Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2000. — Vol. 358. — P. 2741-2749.

5. Карпенко Д.В. Влияние наночастиц серебра на прорастание ячменя и качество свежепроросшего солода / Д. В. Карпенко, Ю. А. Уваров // Пиво и напитки. — 2012. — № 3. — С. 32-33.

6. Карпенко, Д. В. Влияние наночастиц металлов на сбраживание пивного сусла /

Д. В. Карпенко, Ю. А. Уваров, А. И. Мари-нин, В. В. Олишевский // Пиво и напитки. — 2012. — № 1. — С. 16-17.

7. Карпенко, Д.В. Влияние наноцинка на активность протеолитических ферментов /Д. В. Карпенко, У. В. Вартанова, Н. О. Борисова, М. А. Широкова // Пиво и напитки. — 2015. — № 5. — С. 16-19.

8. Карпенко, Д. В. Влияние наночастиц серебра на результаты затирания в пивоварении / Д. В. Карпенко, Ю. А. Уваров // Пиво и напитки. — 2012. — № 2. — С. 6-7.

9. Карпенко, Д. В. Влияние нанопрепаратов на активность амилаз / Д. В. Карпенко, С. М. Дроздов, А. А. Евсеева // Пиво и напитки. — 2016. — № 5. — С. 28-31.

10. Карпенко, Д. В. Влияние нанопрепаратов на активность протеаз / Д. В. Карпенко, В. В. Житков, С. А. Карязин // Пиво и напитки. — 2016. — № 4. — С. 46-49.

11. Мальцев, П. М. Химико-технологический контроль производства солода и пива / П. М. Мальцев, Е. И. Великая, М. В. За-зирная, П. В. Колотуша. — М.: Пищевая промышленность, 1976. — 448 с. <

Влияние нанопрепаратов на активность амилаз светлого ячменного солода

Ключевые слова

амилолитическая активность; нанопрепарат диоксида титана; нанотехнологии; препарат многослойных углеродных нанотрубок; ферменты светлого ячменного солода.

Реферат

Применение нанотехнологий в промышленном масштабе становится распространенным технологическим приемом, но при этом повышается вероятность распространения наночастиц в окружающей среде. Результатом этого может быть их попадание в основное сырье, полупродукты и готовую продукцию пищевых производств, в частности, пивоваренного. В научной литературе имеются сведения о негативном воздействии тех или иных наночастиц и наноматериалов на биологические объекты различной природы, а также ферменты и ферментные препараты. Следовательно, актуально изучение влияния нанопрепаратов, в частности, диоксида титана и многослойных углеродных трубок на активность амилолитических ферментов солода, определяющих эффективность стадии затирания пивоваренного производства. Влияние исследуемых нанопрепаратов оценивали по количеству крахмала, гидролизованного под действием амилаз вытяжки светлого ячменного солода на 1%-ный раствор растворимого крахмала, сопоставляя значения контролируемого показателя в опытных, с внесением нанопрепаратов в различных концентрациях в реакционную среду, и контрольных, не содержавших наночастиц, образцах. Установлено, что характер влияния наночастиц диоксида титана и углеродных нанотрубок на активность амилаз солодовой вытяжки существенно зависит от содержания нанопрепарата в реакционной среде. Установлены концентрации нанопрепаратов, обусловливающие активацию солодовых амилаз и, как следствие, увеличение количества гидролизованного крахмала на 40-45% по сравнению с контролем. Увеличение содержания нанопрепаратов в реакционных средах привело к снижению выхода редуцирующих веществ на 30% и более. Выявлено значимое влияние продолжительности контакта нанопрепаратов и амилаз солодовой вытяжки в составе реакционной среды на результаты гидролиза крахмала. Показано, что активирующее воздействие нанопрепарата диоксида титана возрастает к третьему часу ферментативной реакции, тогда как положительное влияние многослойных углеродных нанотрубок за такой же период времени ослабевает. Негативное воздействие определенных концентраций нанопрепаратов при продолжительности гидролиза крахмала более 60 мин возрастало и приводило к полной инактивации амилаз светлого ячменного солода.

Авторы

Карпенко Дмитрий Валерьевич. д-р техн. наук, доцент; Кашанков Владимир Олегович. студент; Савина Мария Витальевна. студентка

Московский государственный университет пищевых производств,

125080, Россия, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11,

DoKa. 65@mail.ru, Kashankov95@maiL.ru, Mariya-savina21@yandex.ru

Influence of Nanopreparations on the Activity of Amylases of Light Barley Malt

Key words

amylolytic activity; nanopreparation of the titan dioxide; nanotechnology; preparation of multilayer carbon nanotubes; enzymes of light barley malt.

Abstract

The use of nanotechnologies on an industrial scale is becoming a common technological method, but at the same time the probability of the spread of nano-particles in the environment increases. The result of this can be their pervasion into the main raw materials, intermediate products and finished products of food production, in particular, brewing. In the scientific literature there is information about the negative influence of certain nanoparticles and nanomaterials on biological objects of various nature, as well as enzymes and enzyme preparations. Therefore, the actual task is to study the influence of nanopreparations, in particular, titanium dioxide and multilayer carbon tubes on the activity of amylolytic malt enzymes, which determine the effectiveness of the mashing stage in the brewing industry. The effect of chosen nanopreparations was evaluated by the amount of starch hydrolysed by the amylase of extract of light barley malt with 1% solution of soluble starch as the substratum, comparing the values of the amylolytic activity in the experimental variants, with the addition of nanopreparations at different concentrations to the reaction medium, and control ones that did not contain nanoparticles. It was found that the pattern of the effect of nanoparticles of titanium dioxide and carbon nanotubes on the malt extract amylase activity depends significantly on the content of the nanopreparation in the reaction medium. The concentrations of nanopreparations leading to the activation of malt amylases and, as a result, the increase of the amount of hy-drolyzed starch by 40-45% in comparison with the control were established. The increase of the content of nanopreparations in reaction media led to the decrease in the yield of reducing substances by 30% or more.A significant influence of the duration of contact between nanopreparations and malt extract amylases in the reaction medium on the results of starch hydrolysis was revealed. It was shown that an activating effect of titanium dioxide nanopreparation increases at 3 hours of enzymatic reaction, while the positive effect of multilayer carbon nanotubes decreases during the same period of time. The negative influence of certain concentrations of nanopreparations during the duration of hydrolysis of starch for more than 60 min increased and led to the complete inactivation of amylase of light barley malt.

Authors

Karpenko Dmitrij Valerievich. Doctor of Technical Science, Associated Professor;

Kashankov Vladimir Olegovich. Student;

Savina Marija Vitalevna. Student

Moscow State University of Food Productions,

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russia,

DoKa. 65@mail.ru, Kashankov95@mail.ru, Mariya-savina21@yandex.ru

6•2017 ПИВО и НАПИТКИ 21