Биотехнологическая платформа для производства белкового концентрата из фасоли

Протеины растительного происхождения, представленные в форме муки, концентратов и изолятов, занимают важное место в пищевой индустрии [3]. Эти ингредиенты применяются для замещения дорогостоящих белков животного происхождения, повышения питательной ценности продуктов, разработки аналогов мясных и молочных изделий, а также продуктов специализированного и лечебно-профилактического назначения [1, 11]. Фасоль, характеризующаяся высоким содержанием белка (не менее 27.39% на сухое вещество), представляет собой перспективную сырьевую базу для производства подобных препаратов [5, 16].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Однако существующие методики переработки фасоли нельзя считать исчерпывающе разработанными, а данные о функциональнотехнологических характеристиках ее белков нуждаются в дополнении и анализе [9, 15]. Классические способы получения концентратов, базирующиеся на осаждении белка, нередко приводят к его денатурации и утрате функциональных качеств [19]. В этой связи применение биотехнологических методов, в частности, направленного ферментативного расщепления непротеиновых компонентов, является чрезвычайно перспективным [10, 12, 20].

Цель работы – создание технологической платформы производства концентрата белков фасоли с использованием ферментативной обработки для элиминации крахмала и других небелковых соединений.

Материалы и методы

Исследования проводились на фасолевой муке, полученной путем размола бобов фасоли и соответствующей нормам ГОСТ 7758–75 [1]. Физико-химические показатели муки приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-химическая характеристика фасолевой муки

Table 1.

Physico-chemical characteristics of bean flour

Показатель | Indicator	Значение | Meaning
Цвет | Color	Кремовый с сероватым оттенком Creamy with a grayish tint
Массовая доля влаги, %, не более | Moisture content, %, no more than	12.16
Массовая доля протеина (на с.в.), %, не менее Protein content (d.s.), %, no less than	27.39
Крупность помола, проход через сито № 35, %, не менее Grinding fineness, passing through sieve No. 35, %, no less than	60.0

Фракционирование белков проводили методом последовательной экстракции в различных растворителях (вода, 10% раствор хлорида натрия, 0.8% раствор гидроксида натрия, этанол) по общепринятой методике [14].

Ферментативный гидролиз. Для деполимеризации крахмала использовали промышленные ферментные препараты микробного генеза: амилосубтилин Г10х (α-амилаза, активность 2600 ед./г) и глюкаваморин Г20х (глюкоамилаза, активность 3000 ед./г) [7]. Подготовку сырья осуществляли путем просеивания муки через сито с размером ячеек ≤ 100 мкм. Гидролиз проводили в водной суспензии муки при постоянном перемешивании. Интенсификацию процесса контролировали по накоплению редуцирующих веществ (РВ) с последующим расчетом степени гидролиза крахмала [6].

Формирование белкового концентрата. После завершения гидролиза суспензию подвергали центрифугированию. Белковую фракцию осаждали из надосадочной жидкости в изоэлектрической точке (рН 3.0–3.2), используя 40% раствор уксусной кислоты [4, 18]. Полученный осадок белка отмывали дистиллированной водой и высушивали методом лиофильной сушки (50 °C, давление 150– 200 Па).

Результаты и обсуждение

Анализ фракционного состава протеинов фасолевой муки выявил доминирование солерастворимой фракции (82.6%), что свидетельствует о преобладании глобулинов, что типично для белков бобовых культур [5, 13] (таблица 2).

Фракционный состав белков муки бобов фасоли и нута, %

Table 1.

Таблица 2.

Fractional composition of flour, bean, and chickpea proteins, %

Культура Culture	Водорастворимая фракция Water-soluble fraction	Солерастворимая фракция (10% NaCl) Salt-soluble fraction (10% NaCl)	Щелочерастворимая фракция (0.8% NаОН) Alkali-soluble fraction (0.8% NaOH)	Спирторастворимая фракция Alcohol-soluble fraction
Фасоль | Beans	10.1	82.6	6.3	1.0
Нут | Chickpeas	12.2	78.5	7.9	1.4

Для эффективного удаления крахмальной фракции была изучена кинетика его гидролиза под действием индивидуальных ферментов и их синергетических композиций. Выявлено, что комбинация ферментов (амилосубтилин + глюкаваморин) демонстрирует более высокую эффективность по сравнению с моопрепаратами (таблица 3). Синергизм объясняется комплементарным механизмом действия: α-амилаза осуществляет эндонуклеазное расщепление α-1,4 гликозидных связей с образованием олигосахаридов, в то время как глюкоамилаза последовательно отщепляет терминальные остатки глюкозы как от α-1,4-, так и от α-1,6 связей [7, 20].

Таблица 3.

Динамика гидролиза крахмала фасолевой муки под действием ферментных препаратов

Table 2.

Dynamics of hydrolysis of starch of bean flour under the action of enzyme preparations

Продолжительность процесса, ч Time, h	Накопление РВ с амилосубтилином, % RV accumulation with amylosubtilin, %	Накопление РВ с глюкаваморином, % RV accumulation with glucavamorin, %	Накопление РВ с композицией 65:35, % RV accumulation with a 65:35 composition, %
1	6.90	7.04	7.40
4	7.17	7.34	9.05
5	7.30	7.40	13.30
24	7.33	7.30	15.42

Максимальное накопление редуцирующих веществ (28.6%) и, соответственно, степень гидролиза крахмала (76%) были достигнуты при использовании композиции ферментов в соотношении 65:35 и дозировке 2.5 ед./г крахмала (рисунок 1). Продление процесса гидролиза свыше 4.5 часов было признано технологически нецелесообразным.

Дозировка фермента, ед г крахмала

Рисунок 1. Кинетика накопления редуцирующих веществ под действием ферментных композиций (1 – соотношение 65:35; 2 – 60:40; 3 – 50:50)

обеспечивающее высокую степень конверсии (45%) при экономически обоснованных энергозатратах (рисунок 4).

Рисунок 2. Влияние температуры на кинетику гидролиза: (1 – степень гидролиза; 2 – накопление РВ)

Figure 2. Influence of temperature on the kinetics of hydrolysis: (1 – degree of hydrolysis; 2 – accumulation of PB)

Figure 1. Kinetics of accumulation of reducing substances under the action of enzyme compositions (1 – ratio 65:35; 2 – 60:40; 3 – 50:50)

Были установлены оптимальные параметры процесса:

• •    Температурный режим: Пик активности ферментной системы наблюдался в интервале 38–42 °C с максимумом при 40 °C (рисунок 2).

• •    Уровень рН: Наибольшая скорость процесса зарегистрирована при рН 4.6, что соответствует области перекрытия оптимумов активности используемых ферментов (рисунок 3).

• •    Гидромодуль: Наиболее сбалансированным признано соотношение «мука: вода» = 1 : 5,

  

  Рисунок 3. Влияние рН на кинетику гидролиза

  (1 – степень гидролиза; 2 – накопление РВ)

  Figure 3. Effect of рН on the kinetics of hydrolysis (1 – degree of hydrolysis; 2 – accumulation of PB)

  
  

Рисунок 4. Влияние гидромодуля на кинетику гидролиза (1 – степень гидролиза; 2 – накопление РВ)

• Figure 4.    Effect of the hydromodule on the kinetics of hydrolysis (1 – degree of hydrolysis; 2 – accumulation of PB)

На основании полученных результатов была спроектирована технологическая схема производства белкового концентрата из фасоли (рисунок 5):

Фасолевая мука | Bean flour ↓

Механическая подготовка сырья, измельчение, калибровка ≤ 100 мкм | Mechanical preparation of raw materials, grinding, calibration < 100 microns ↓

Формирование суспензии.

Гидромодуль 1:5 |

Formation of the suspension. Hydraulic module 1:5 ↓

Ферментативный гидролиз. Композиция ферментов 65:34 Доза 2,5 ед./г 40 °С рН 4,6 4 часа Enzymatic hydrolysis. Enzyme composition 65:34 Dose 2.5 units/g 40 °C pH 4.6 4 hours

↓

Разделение фракций центрифугированием Separation of fractions by centrifugation ↓

Седиментация белка. Доведение рН до 3,0–3,2

Protein sedimentation. Bringing the pH to 3.0–3.2 ↓

Повторное центрифугирование Re-centrifugation

↓

Отмывка белкового коагулята

Washing of protein coagulate

↓

Лиофильная сушка 50 °С, 100–200 Па

Freeze drying 50 °C, 100-200 Pa ↓

Готовый продукт. Белковый концентрат The finished product. Protein concentrate

Рисунок 5. Технологическая схема получения концентрата белка фасоли

• Figure 5.    Technological scheme to produce bean protein concentrate

Проведенное комплексное исследование позволило сформулировать следующие основные выводы:

• 1.    Установлен сырьевой потенциал : Фасолевая мука обладает высоким содержанием протеина (не менее 27.39% на сухое вещество) с преобладанием солерастворимой фракции глобулинов (82.6%), что подтверждает ее перспективность в качестве сырья для производства белковых концентратов.

• 2.    Обоснована эффективность ферментативного подхода : доказано синергетическое действие композиции ферментов амилосубтилина Г10х и глюкаваморина Г20х, которая превосходит по эффективности моопрепараты и обеспечивает глубокий гидролиз балластного крахмала.

• 3.    Оптимизированы параметры процесса : научно обоснованы и экспериментально установлены критические параметры гидролиза, обеспечивающие максимальную степень гидролиза крахмала на уровне 76%:

• 4.    Разработана и апробирована технологическая схема : спроектирована завершенная технологическая схема, включающая этапы ферментации, разделения фракций, изоэлектрического осаждения белка и лиофильной сушки, которая обеспечивает выход готового концентрата на уровне 65.5% от массы белка в исходном сырье.

• 5.    Подтверждены преимущества технологии : разработанный биотехнологический метод характеризуется низкой энергоемкостью, отсутствием агрессивных химических реагентов, применением щадящих режимов обработки, сохраняющих нативную структуру белка, и возможностью полной переработки вторичных продуктов.

─ соотношение ферментов в композиции – 65:35.

─ дозировка – 2.5 ед./г крахмала.

─ температура – 40°c.

─ уровень ph – 4.6.

─ продолжительность – 4 часа.

─ гидромодуль – 1:5.

Заключение

В результате проведенного исследования разработана инновационная и экологичная биотехнологическая платформа получения белкового концентрата из фасоли. Ключевыми достоинствами предложенного метода являются:

• 1.    Применение направленного ферментативного катализа для селективной элиминации балластного крахмала [10, 17].

• 2.    Оптимизация регламентных параметров процесса, обеспечивающая высокую степень гидролиза (76%) при минимальной продолжительности (4 ч).

• 3.    Исключение из технологического цикла агрессивных химических реагентов.

• 4.    Использование мягкого режима сушки, способствующего сохранению нативной конформации белковых молекул [15].

• 5.    Низкая энергоемкость и замкнутость производственного цикла с возможностью переработки вторичных ресурсов [12].

Разработанная технология представляет значительный практический интерес для пищевой промышленности и может быть использована для выпуска функциональных пищевых ингредиентов с высоким содержанием белка [8, 9, 11].