Разработка рецептур супов-пюре на основе горохового гидролизата часть I. Механоферментативный гидролиз белкового растительного сырья для получения специализированных продуктов питания

УДК 664.871.32

Разработка рецептур супов-пюре

на основе горохового гидролизата

Часть I. Механоферментативный гидролиз белкового растительного сырья для получения специализированных продуктов питания

Е. С. Бычкова, канд. техн. наук

Новосибирский государственный технический университет

А. Л. Бычков, канд. хим. наук, И.В. Иванов, О.И. Ломовский, д-р хим. наук, профессор

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

А. Г. Огиенко, канд. хим. наук

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Новосибирский государственный университет

В настоящее время разработка и последующая оценка качества продуктов специального назначения является одним из приоритетных направлений в области здорового питания [1]. Специализированные пищевые продукты - это пищевые продукты с заданным химическим составом за счет обогащения, элиминации или замещения макро- и ми-кронутриентов другими пищевыми компонентами для различных категорий населения (продукты для питания спортсменов, женщин в период лактации и беременных, пожилых лиц, детей и др.) [2]. Одним из важнейших направлений в данной области является оптимизация пищевых рационов людей, страдающих заболеваниями желудочно-кишечного тракта и аллергическими реакциями, а также питание высокорезультативных спортсменов.

В связи с прогрессирующим неправильным питанием в современном обществе, динамичным развитием предприятий быстрого питания, ухудшающейся экологической обстановкой неуклонно растет число людей, страдающих заболеваниями желудочно-кишечного тракта, приводящими к атрофии слизистой оболочки и необходимости резекции части пищеварительного тракта. При наличии подобного рода расстройств рекомендуется употреблять продукты, содержащие в своем составе легкоусваяемые пищевые вещества (белки, аминокислоты, моносахариды и т. д.).

Другая важная проблема современного общества - пищевая непереносимость и аллергические реакции. Самыми ярко выраженными свойствами аллергенов обладают продукты, которые имеют в составе белки животного или растительного проис-

хождения. При этом если с помощью химических методов гидролизовать молекулу белка до более коротких фрагментов, частота аллергических реакций значительно снижается.

В последнее время динамично увеличивается спрос на продукты спортивного питания. Организация полноценного питания данной категории населения требует определенных научных подходов для создания пищевых продуктов, содержащих комплекс пептидов, свободных аминокислот, простых и сложных углеводов [3]. В настоящее время пристальное внимание ученых обращено на пептиды. Химическая структура пептидов представляет собой короткие цепочки аминокислот, соединенных пептидными связями. Они помогают быстро и очень эффективно восстановить мышечную ткань спортсмена после интенсивной физической нагрузки. Преимущество пептидов перед белками заключается в том, что при их употреблении быстрее протекают процессы метаболизма, происходит более интенсивная стимуляция гормона роста и эффективнее растет мышечная ткань [4, 5].

Кроме того, в питании спортсменов должны присутствовать как простые, так и сложные углеводы. Моносахариды (особенно глюкоза) необходимы организму при выполнении интенсивных и кратковременных тренировок. Простые углеводы благодаря небольшой молекулярной массе быстро усваиваются, при этом организм получает энергию за короткий промежуток времени. В отличие от простых сложные углеводы (крахмал, агар-агар, пектиновые вещества) расщепляются медленно, всасывание моносахаридов замедляется, делая возможным и более длительные тренировки [5].

В связи с вышеизложенным, актуальным является создание продуктов нового поколения, содержащих в своем составе нутриенты в легкодоступной форме.

Цель данного исследования - разработка и оценка качества гороховых супов-пюре специализированного назначения с применением комбинации процессов механохимической обработки и ферментативного гидролиза.

Основным белковым сырьём для исследования была выбрана гороховая мука. Известно, что горох является ценным источником растительного белка, содержит пищевые волокна и широкий спектр микро-и макронутриентов (калий, магний, фосфор, железо, селен, хром, цинк, витамины группы В) [6]. Но белок горохового сырья является неполноценным. Для оптимизации аминокислотного состава в блюда дополнительно вводили мясо индейки и сливки. Для обогащения витаминами и улучшения органолептических показателей качества в рецептуры включали морковь и цветную капусту.

В качестве ферментативного препарата для гидролиза биополимеров использовали Протосубтилин ГЗх (ООО ПО «Сиббиофарм», г. Бердск), содержащий в своем составе комплекс ферментов (нейтральные и щелочные протеиназы, альфа-амилазу, бета-глюканазу, ксиланазу и целлю-лазу). Компоненты выбранного препарата оптимально подходят для гороховой муки, содержащей белок (23%), крахмал (47%) и пищевые волокна (11%). Протеолитическая активность фермента по модифицированному методу Ансона составляет 70±7 ПС/г, диапазон действия соответствует области рН 4,5 - 10,0 и температуре 30...60 °С. Протосубти-лин ГЗх является наиболее доступным на рынке и экономически более выгодным по сравнению с зарубежными аналогами [7, 8].

Контроль качества сырья и готовой продукции осуществляли следующими физико-химическими методами: размер частиц - ситовым методом; молекулярную массу белков - методом гель-электрофореза; массовую

60

Исходное Измельчение сырье до 2 мм

МА

Исходное Измельчение сырье + до 2 мм + гидролиз гидролиз

Рис. 1. Общее содержание водорастворимых веществ в зависимости от способа обработки

МА + МА гидролиз совместно с ферментами

100

SO

60

40

20

/

-

<20

20-32 32-40 40-50 50-80

0-100 100-125 >125

—#— Гороховая мука (контроль) л Гороховая мука МА

Рис. 2. Гранулометрический состав гороховой муки, полученной классическим путем и при помощи механохимической активации

долю сухих веществ - гравиметрическим методом высушивания до постоянной массы; массовую долю водорастворимых веществ - методом исчерпывающей экстракции; содержание водорастворимых углеводов -спектрофотометрическим методом Хагедорна - Йенсена; содержание жира - методом Гербера; кислотность - методом титрования; зольность - гравиметрическим методом сжигания в муфельной печи; содержание минеральных веществ - методом атомно-абсорбционной спектрометрии; содержание свободных аминокислот - методом хромато-масс-спектрометрического анализа; микробиологические показатели качества (КМАФАнМ, БГКП, Salmonella, S. aureus, плесени) - общепринятыми биотехнологическими методиками.

Известно, что большая часть водорастворимых, легкоусвояемых веществ заключена в клетке. Разрушить клеточную стенку и сделать доступными биологически активные вещества для дальнейшей стадии ферментативного гидролиза возможно благодаря применению меха-нохимической обработки в центробежной роликовой мельнице ТМ-3 (ЗАО «НОВИЦ», Новосибирск) [9]. При этом введение фермента на стадии механохимической обработки является наиболее эффективным средством для более полного проведения ферментативного гидролиза по сравнению с другими способами (рис. 1). Механическая активация (МА) биомассы горохового зерна в присутствии ферментов позволяет получать реакционноспособный композит, для которого свойственны высокие выходы водорастворимых веществ при дальнейшем ферментативном гидролизе и исчерпывающей экстракции в приборе Сокслета.

На рис. 2 представлен гранулометрический состав для гороховой муки, полученной посредством механохи-мической обработки, и контрольного образца, приобретенного в торговой сети г. Новосибирска. Дисперсность, а следовательно, и удельная площадь поверхности полученной муки выше по сравнению с контрольным образцом. Это может приводить к большей водопоглотительной способности экспериментального образца, а также к большей ёмкости образца по отношению к молекулам ферментов.

На следующем этапе работы определяли ёмкость образца по отношению к молекулам ферментов. Для этого проводили гидролиз опытных образцов гороховой муки с разным количеством Протосубтилина ГЗх: 0,5; 1; 2 и 3 %% Установлено,

что при концентрации фермента более 2% количество водорастворимых веществ в растворе не изменяется. Дополнительное введение фер-

мента не оказывает влияния на скорость ферментативной реакции, так как при концентрации около 2% происходит полное заполнение субстра-

40

£ й3'

:о

ю

о

1 < ;------

Г  1 1 I

/ 1

г 1 1 1 1__\ в—* >-

1 Л_J 1 * 1 1 >

1/ V (

0 1 2 3 4 5 6 "

Время ферментации, ч Рис. 5. Выход водорастворимых веществ в гидролизате в зависимости от времени ферментации: 1 - гороховая крупа с диаметром частиц менее 2 мм, 2 - продукт механической активации

Рис. 6. Гель-хроматограмма: 1 - исходное сырье; 2 - гороховая крупа с диаметром частиц менее 2 мм;

3 - механически активированное сырьё;

4 - сырье, механически активированное и прошедшее ферментативный гидролиз

та ферментом. Данные, полученные в ходе экспериментов, представлены на рис. 3 и 4.

На рис. 5 приведена графическая зависимость выхода водорастворимых веществ от времени ферментации. Проведение ферментативного гидролиза в течение более 4 ч является малоэффективным, т. к. количество водорастворимых веществ по истечении этого времени значительно не изменяется. Также можно отметить, что скорость и глубина гидролиза механически активированной гороховой муки значительно выше, чем у контрольного образца -гороховой крупы с диаметром частиц менее 2 мм.

Важным этапом работы явилось определение молекулярной массы белков и пептидов исходного сырья,

механохимически активированного и прошедшего стадию ферментативного гидролиза. Для определения молекулярной массы белковых веществ использовали метод гель-электрофореза. На рис. 6 приведена гель-хроматограмма, которая свидетельствует об эффективности проведения механоферментативного гидролиза сырья, в четвертом экспериментальном образце практически не наблюдается белков с молекулярной массой выше 60 кДа, основной вклад вносят молекулы с массой менее 50 кДа. Это связано с тем, что в процессе гидролиза механически активированной муки протеазы воздействуют на пептидные связи белка, катализируя реакцию гидролиза, продуктами которой являются молекулы с меньшей длиной цепи.

Для увеличения доли потребителей разработанных супов-пюре необходимым является внедрение их не только в общественное питание, но и в торговые предприятия в виде продукта с пролонгированными сроками хранения. В связи с этим целесообразным становится подбор оптимального метода высушивания полученных образцов с последующим их восстановлением. Для этого были рассмотрены различные способы обезвоживания гидролизата: вакуумная, сублимационная и распылительная сушка.

Вакуумная сушка - способ удаления растворителя при пониженном давлении и, часто, при нагревании. Из-за простоты метода он очень распространен в лабораторных условиях (удаление растворителя на ротационном испарителе), но не так широко применяется в промышленности (из-за длительного пребывания белков в нагретом растворе с постепенно увеличивающейся концентрацией) [10].

Распылительная сушка - способ удаления растворителя, основывающийся на впрыскивании капель жидкости в поток газа-носителя, нагретого до определенных температур, с последующим фракционированием твердых частиц [11].

Сублимационная (лиофильная) сушка - процесс удаления растворителя из замороженных растворов, гелей, суспензий и биологических объектов, основанный на сублимации затвердевшего растворителя без образования макроколичеств жидкой фазы. Движущей силой сублимационной сушки является разность давлений пара растворителя над объектом сушки и в атмосфере. При низких температурах иногда возможна сублимационная сушка и при атмосферном давлении,

Рис. 7. Сканирующая электронная микроскопия материала после вакуумной сушки

80 um

Рис. 8. Сканирующая электронная микроскопия материала после распылительной сушки

но скорость этого процесса невелика. Для практических целей используется лиофильная сушка в вакууме, скорость которой значительно выше [12].

В ходе вакуумной сушки - классического метода, выбранного для сравнения, - на дне колбы образовывалась блестящая пленка желто-коричневого цвета. Исследование морфологии извлеченного (и измельчённого) продукта методом электронной сканирующей микроскопии показало, что он имеет плотную структуру без наличия пор, что приводит к затруднениям при удалении воды на конечной стадии (рис. 7). В таких условиях сушка идёт преимущественно с поверхности материала, и образующийся слой продукта затрудняет удаление растворителя.

Продукт, полученный методом распылительной сушки, по результатам сканирующей электронной микроскопии (рис. 8) и дифракции лазерного луча (рис. 9) характеризовался мономодальным распределением частиц по размеру. Основную долю составляют частицы с размером 6 - 17 мкм. В первую очередь это связано с характеристиками прибора, так как максимальный размер капли ограничивается соплом с диаметром 25 мкм.

Большинство частиц продукта имеют вид сфер, вогнутых внутрь, что позволяет судить о механизме

сушки капли. По-видимому, сушка происходит с поверхности и сопровождается образованием твёрдого слоя продукта. Впоследствии растворитель удаляется, диффундируя через слой продукта, который деформируется и выгибается внутрь образовавшегося пространства. Можно предположить, что сушка протекала бы более эффективно в случае, когда растворитель удаляется из образца по всему объёму и без диффузии через слой продукта. Такие условия часто реализуются при работе с замороженными растворами методами лиофильной сушки.

Продукт лиофильной сушки представляет собой легкую однородную пористую массу (не содержащую следов плавления) с развитой внутренней поверхностью (рис. 10), что достигается удалением льда сублимацией через систему разветвлённых пор.

Метод лиофильной сушки можно признать наиболее эффективным (по сравнению с вакуумной и испарительной сушками) для получения твердофазных продуктов, содержащих белки, короткие пептиды и аминокислоты. Удаление растворителя проходит равномерно по всему

объёму образца благодаря системе разветвлённых пор. Молекулярная масса белков в процессе лиофильной сушки не меняется, что свидетельствует об отсутствии деструкции белков в получаемом продукте.

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года [Электронный ресурс]. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 25 октября 2010 г. № 1873-р г. Москва. - Режим доступа: https: //rg.ru/ 2010/11/03/ pravila-dok. html (дата обращения: 13.07.2016).

2. Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ. Методические рекомендации. -М.: Федеральный центр госсанэпидем-надзора Минздрава России, 2004. -46 с.

3. Рациональное питание спортсменов: Методические указания для преподавателей и студентов/Составители: П. М. Гатилов., Ю.Е. Горбунов. - Омск: СибАДИ, 2003. - 24 с.

4. Борисова, О.О. Питание спортсменов: зарубежный опыт и практические рекомендации: учебно-метод. Пособие/О. О. Борисова. - М.: Советский спорт, 2007. - 132 с.

5. Григорьев, В. И. Культура питания спортсмена: учеб. пособие/ В. И. Григорьев, Д.Н. Давиденко, В.А. Чистяков. -СПб.: СПбГУЭФ, 2011. - 191 с.

6. Химический состав российских пищевых продуктов: Справочник/Под ред. член-корр. МАИ, проф. И.М. Скурихина и академика РАМН, проф. В.А. Тутелья-на. - М.: ДеЛи принт, 2002. - 236 с.

7. ГОСТ 23636 - 90 Препарат ферментный Протосубтилин Г3х. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1990. - 5 с.

8. Технологическая инструкция по использованию ферментативных

препаратов ООО ПО «Сиббиофарм» при производстве спирта из зерна ТИ 10-00334587-2 - 2005. - М., 2005 - 17 с.

9. Lomovsky O., Bychkov A., Lomovsky I., Logvinenko V., BurdukovA. Mechanochemical production of Lignin-containing powder fuels from biotechnology industry waste: A review // Thermal Science. - 2015. - V. 19. - № 1. -P. 219 - 229.

10. Ермолаев, В.А Влияние процессов созревания и вакуумной сушки на фракционный состав молочных белков сыра/ В. А. Ермолаев, Ю. В. Мудри-кова, Н.Н. Воробьева // Вестник БГАУ. Уфа, № 2 (18). - 2011. - С. 54 - 57.

11. Щеколдина, Т. В. Технологии получения белоксодержащего сырья из продуктов переработки семян подсолнечника [Электронный ре-

сурс]/Т.В. Щеколдина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/ 2015/ 05/ pdf / 22.pdf (дата обращения: 13.07.2016).

12. Генералов, М.Б. Криохимическая нанотехнология/ М. Б. Генералов. - М.: Академкнига, 2006. - С. 143 - 169.

Разработка рецептур супов-пюре на основе горохового гидролизата

Часть I. Механоферментативный гидролиз белкового растительного сырья для получения специализированных продуктов питания

Ключевые слова

гороховая мука; лиофильная сушка; механохимическая обработка; специализированные продукты питания, ферментативный гидролиз

Реферат

В настоящее время актуальным направлением в индустрии питания является разработка и оценка качества продуктов специализированного назначения, обогащенных пептидами и аминокислотами. Авторами статьи для разработки новых рецептур супов-пюре предлагается использовать гидролизат, полученный путём механической активации и ферментативного гидролиза горохового зерна. Работы проводились на базе Новосибирского государственного университета. Для проведения гидролиза в работе использован ферментный комплексный препарат отечественного производства (Протосубтилин Г3Х), содержащий в своем составе нейтральные и щелочные протеазы, альфа-амилазу, бета-глюканазу, ксиланазу и целлюлазу. По изменению выхода водорастворимых веществ и простых углеводов определена оптимальная концентрация фермента, подобрано оптимальное время ферментации, режимы механохимической обработки горохового сырья. Установлено, что механическая активация биомассы горохового зерна в присутствии ферментов позволяет получать реакционно-способный композит, для которого свойственны высокие выходы водорастворимых веществ. Ситовым методом изучено гранулометрическое распределение частиц гороховой муки, полученной традиционным способом и путем механохимической обработки. Дисперсность, а следовательно, и удельная площадь поверхности полученной муки выше по сравнению с контрольным образцом. С использованием метода гель-электрофореза доказана эффективность совокупности процессов механохимической обработки и ферментативного гидролиза. Для роста доли потребителей разработанных супов-пюре необходимым является внедрение разработки не только в общественное питание, но и в торговые предприятия в виде продуктов длительного хранения. Для увеличения сроков реализации готового продукта целесообразным становится подбор оптимального метода консервирования полученных образцов. Авторами предложен оптимальный способ высушивания горохового гидролизата - лиофильная сушка, подтвержденный результатами электронно-микроскопических исследований.

Авторы

Бычкова Елена Сергеевна, канд. техн. наук, Новосибирский государственный технический университет, 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, д. 20, sib_lena@ngs.ru Бычков Алексей Леонидович, канд. хим. наук, Иванов Иван Владимирович, Ломовский Олег Иванович, д-р хим. наук, профессор,

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, 630128,

г. Новосибирск, ул. Кутателадзе,, д. 18, Новосибирский государственный университет, bychkov.a.l@gmail.com Огиенко Андрей Геннадьевич, канд. хим. наук,

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, 630090, г. Новосибирск, ул. Академика Лаврентьева,

д. 3, Новосибирский государственный университет, andreyogienko@gmail.com

Development of Recipes of Cream Soups Based on Pea Proteins Hydrolyzate

Part I. Mechanoenzymatic Hydrolysis of Proteins from Pea Biomass

Key words

pea flour; freeze drying; mechanochemical treatment; specialized food, enzymatic hydrolysis

Abstracts

Currently, the actual trend in the food industry is the development and evaluation of the quality of special purpose products enriched with peptides and amino acids. The authors of the article for the development of new formulations of soups, purees are encouraged to use the hydrolyzate obtained by mechanical activation and enzymatic hydrolysis of pea grains. Work was carried out on the basis of the Novosibirsk State University. For hydrolysis enzyme used in the complex preparation of domestic production (Protosubtilin G3X) containing in their composition neutral and alkaline proteases, alpha-amylase, beta-glucanase, xylanase and cellulase. From the change in the output of water-soluble substances and simple carbohydrates determined the optimal enzyme concentration, to choose the optimal fermentation time mechanochemical treatment regimes pea raw materials. It has been established that mechanical activation of biomass pea grain in the presence of enzymes produces reactive composite, which are peculiar to high yields of water-soluble substances. Sith studied by particle size distribution of the particles of pea flour produced in the traditional way and through mechano-chemical processing. Dispersion, and hence the specific surface area of the resulting flour is higher than the control sample. Using the method of gel electrophoresis proven effective aggregate mechanochemical treatment processes and enzymatic hydrolysis. To increase the share of consumers developed soups, mashed potatoes needed is the introduction of the development, not only in catering but also in commercial enterprises in the form of long-life products. To increase the timing of the final product becomes appropriate selection of the optimal method of preservation of the samples. The authors propose the optimal way of drying pea hydroly-zate - freeze drying, confirmed the results of electron microscopic studies.

Authors

Bychkova Elena Sergeevna, Candidare of Technical Science, Novosibirsk State Technical University, 20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 63 0 073, sib_lena@ngs.ru Bychkov Alexey Leonidovich, Candidate of Chemical Science, Ivanov Ivan Vladimirovich, Lomovsky Oleg Ivanovich, Doctor of Chemical Science, Professor,

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, 18, Kutateladze St., Novosibirsk, 630128, Novosibirsk State University, bychkov.a.l@gmail.com

Ogienko Andrey Gennadyevich, Candidate of Chemical Science, Institute of Inorganic Chemistry named after A.V. Nikolaev, 3, Akademika Lavrentyeva St., Novosibirsk, 630090, Novosibirsk State University, andreyogienko@gmail.com