Kraskovo, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Kraskovo, Moscow, Russian Federation
Kraskovo, Moscow, Russian Federation
Russian Federation
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
The present paper features processes of serum biotransformation. The serum was obtained from triticale extract and pea flour after protein concentrates of increased biological value had been extracted. The research objective was to obtain microbial and vegetable feed concentrates by using a composition of Saccharomyces cerevisiae121 yeast and the yeast-like fungus Geotrichumcandidum 977. The mass fraction of protein in the two-component composites was 75–80% of the dry matter. The score of the first and the second limiting amino acids (lysine and threonine) equaled 103–113%, and that of the third acid (sulfur- containing) was 71–72%. The chemical composition of the composites corresponded to the ‘Concentrates’ group; the values of their functional and technological properties were typical of concentrates from other types of grain crops. The study revealed some cultures that are able to actively develop in serum, which is a secondary product of processing the extract after protein isolation. A symbiotic ferment was prepared from the fungus Geotrichumcandidum 977 and the yeast Saccharomyces cerevisiae 121, which ensures the growth of biomass in a carbohydrate- and nitrogen-containing medium. Proteins were isolated under the action of amylase, glucoamylase, cellulose, and xylanase. The amount of high-molecular compounds (dextrins) and trioses (raffinose) released from the interaction with protein and non-starch polysaccharides decreased 2–4 times in the solution. The amount of glucose, disaccharides, xylose, and galactose increased 2–10 times, compared with the original extracts. The serum remaining after the removal of the main mass of the protein was enriched with low molecular weight mono- and oligosaccharides, which positively affected the growth of microorganisms. The mass fraction of proteins in the microbial-vegetable composite obtained from the extract with the triticale proteins and pea flour ratio of 1:5 was 15% higher than at the ratio of 1:3. Microbial and vegetable concentrates with a mass fraction of protein of 55.8–75.1% of dry matter can be used in fodder production as a protein-carbohydrate additive. Protein composites made of protein triticale and peas with a complementary amino acid composition can improve the biological value and performance of food products.
Triticale extract, pea flour, biotransformation, protein concentrate, microbial and vegetable concentrate, biological value
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. Martinchik AN. Fiziologiya pitaniya [Physiology of nutrition]. Moscow: Academia; 2013. 236 p. (In Russ.).
2. Kompantsev DV, Popov AV, Privalov IM, Stepanova EF. Protein isolates from vegetable raw materials: An overview of the current state and prospects of development of analysis technology of protein isolates from vegetable raw materials. Modern problems of science and education. 2016;(1):58. (In Russ.).
3. Proteins: new in production technology and possibility of use. Compound feeds. 2017;(10):59-62. (In Russ.).
4. Kudinov PI, Schekoldina TV, Slizkaya AS. Current status and structure of vegetable protein world resources. News institutes of higher Education. Food technology. 2012;329-330(5-6):7-10. (In Russ.).
5. Domoroshchenkova ML, Lishaeva LN. Some aspects of manufacture and formation of the market of soy fibers at the present stage. Food industry. 2010;(2):32-39. (In Russ.).
6. Andreev NR, Kolpakova VV, Goldstein VG. To the question of profound triticale grain processing. Food industry. 2018;(9):30-33. (In Russ.).
7. Valeeva RT, Mukhachev SG, Nuretdinova EhI, Shurbina MYu, Kashapova AI. Issledovanie protsessov rosta spirtovykh i kormovykh drozhzhey na sernokislotnykh gidrolizatakh rastitelʹnogo syrʹya. Chastʹ 2. Issledovanie protsessov rosta kormovykh drozhzhey na sernistokislotnykh gidrolizatakh smesi pshenichnoy solomy i otrubey [Growth processes of alcoholic and fodder yeasts in sulfuric acid hydrolysates of plant raw materials. Part 2. Growth processes of fodder yeasts on sulfurous acid hydrolysates of wheat straw and bran mixture]. Bulletin of the Technological University. 2014;17(20):156-158. (In Russ.).
8. Hrapova AV, Soprunova OB. The screening new strains of yeast for reception of fodder protein. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2011;13(5-3):210-214. (In Russ.).
9. Olaleye ON, Omotayo MA, Abdus S, Olanlege A-LO. Cellulase and Biomass Production from Sorghum (Sorghum guineense) Waste by Trichoderma longibrachiatum and Aspergillus terreus. Journal of Microbiology Research. 2015;5(6):169-174. DOI: https://doi.org/10.5923/j.microbiology.20150506.01.
10. Sibtain A, Ghulam M, Muhammad A, Muhammad IR. Fungal Biomass Protein Production from Trichoderma harzianumUsing Rice Polishing. BioMed Research International. 2017;2017. DOI: https://doi.org/10.1155/2017/6232793.
11. Shahzad MA, Nawaz H, Rajoka MI, Sarwar M, Sultan JI, Nisa M, et al. Use of Aspergillus terreus for microbial biomass production and its biological evaluation in broiler chicks; 2011; Singapoore. Singapoore: IACSIT Press; 2011;9:255-260.
12. Shahzad MA, Rajoka MI. Single cell protein production from Aspergillus terreusand its evaluation in broiler chick. International Journal of Bioscience, Biochemistry and Bioinformatics. 2011;1(2):137-141. DOI: https://doi.org/10.7763/ IJBBB.2011.V1.25.
13. Khusid SB, Gneush AN, Nesterenko EE. Sunflower husks as a source of functional feed additives. Scientific Journal of KubSAU. 2015;107(3):3-14. (In Russ.).
14. Andreev NR, Kolpakova VV, Goldstein VG, Kravchenko IK, Ulanova RV, Gulakova VA, et al. Utilization of secondary tricticale processing products with production of fodder microbial-vegetative concentrate for pond fish. South of Russia: ecology, development. 2017;12(4):90-104. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18470/1992-1098-2017-4-90-104.
15. Lukin ND, Ulanova RV, Kravchenko IK, Kolpakova VV, Goldstein VG. Bioconversion if secondary products of grain processing of triticale on starch using the Pleurotus Ostreatus Mushroom. Chemistry of plant raw material. 2018;(4):225-234. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.14258/jcprm.2018043993.
16. Kolpakova VV, Chumikina LV, Arabova LI, Lukin DN, Topunov AF, Titov EI. Functional technological properties and electrophoretic composition of modified wheat gluten. Foods and Raw Materials. 2016;4(2):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. Tutelʹyan VA. Khimicheskiy sostav i kaloriynostʹ rossiyskikh produktov pitaniya [Chemical composition and caloric content of Russian food]. Moscow: DeLi plus; 2012. 284 p. (In Russ.).
19. Abramov IA, Yeliseeva NYe, Kolpakova VV, Piskun TI. Amaranth: a chemical compound, biochemical properties and ways of processing. Storage and processing of farm products. 2011;(6):44-48. (In Russ.).
20. Kolpakova VV, Lukin DN, Chumikina LV, Shevyakova LV. Chemical composition and functional properties of rice protein concentrates. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2015;66(4):120-124. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.20914/2310-1202-2015-4-120-124.
21. Vasilʹev AV, Zaytseva LV, Kolpakova VV, Chumikina LV. Gidroliz sukhoy pshenichnoy kleykoviny raznogo kachestva s primeneniem ehkzo- i ehndoproteinaz [Hydrolysis of dry wheat gluten of different quality with the use of exo-and endoproteinases]. Storage and processing of farm products. 2009;(8):38-39. (In Russ.).
