Ферментативная экстракция β-глюкана из ячменя

Введение. В последние годы ученые и представители бизнеса заинтересовались β-глюкана-ми. β-глюканы – это тип полисахаридов, которые встречаются в клеточных стенках различных организмов, таких как высшие грибы, дрожжи, бактерии и некоторые виды злаковых растений, включая ячмень и овес. Эти уникальные соединения известны своими многочисленными благоприятными свойствами для здоровья. β-глюканы хорошо изучены. Результаты исследований указывают на их потенциал как функциональных ингредиентов пищи и добавок. Они способны снижать гликемический индекс продуктов за счет образования вязких гелей в пищеварительном тракте, что приводит к замедлению усвоения сахаров. Также β-глюканы обладают антиоксидантными свойствами, что позволяет использовать их для увеличения срока годности пищевых продуктов. Кроме того, последние исследования выявили иммуномодулирующие свойства β-глюканов и их потенциальную роль в профилактике опухолей. Они способствуют стимуляции процессов регенерации кожи и имеют противоаллергические свойства, что делает их привлекательными для использования в пищевой промышленности [1, 2].

В природе можно выделить два основных типа глюканов – α-D-глюканы и β-D-глюканы, но также встречаются и их гибридные формы – α,β-D-глюканы. Полимеры глюканов, получаемые различными методами извлечения, обладают разнообразными структурами, которые характеризуются уникальными молекулярными массами и формами. Их можно классифицировать по нескольким характеристикам, таким как распределение гликозидных связей, расположение пиронового кольца, степень ветвления и молекулярная масса. Изменение указанных характеристик путем различных модификаций позволяет получать различные типы глюканов, которые находят широкое применение в различных областях, включая фармацевтическую и пищевую промышленность. Такие модификации могут включать в себя химические или ферментативные процессы, направленные на изменение структуры глюканов с целью улучшения их функциональных свойств или создания продуктов с определенными характеристиками, соответствующими установленным критериям [3–5].

Различные растительные и микробные источники, такие как ячмень, овес и клеточные стенки дрожжей, содержат β-глюканы. Однако наибольший интерес для пищевой промышленности представляет хорошо очищенный β-глю-кан, используемый в качестве добавки для обогащения продуктов питания. Наличие примесей может негативно сказаться на вкусовых качествах продуктов, поэтому степень очистки определяет возможность применения β-глюкана в технологии продуктов питания [2, 6].

Выделение β-глюкана из ячменя и других природных источников вызвало значительный интерес научного сообщества как важному функциональному пищевому компоненту. Этот полисахарид привлекает внимание не только своей потенциальной пользой для здоровья, но и влиянием на органолептические свойства и текстуру пищевых продуктов. β-глюкан играет ключевую роль в формировании структуры продуктов, обеспечивая желаемую консистенцию и текстуру. Этот полисахарид состоит из гомополимеров D-глюкопиранозильных остатков и обычно имеет две или три β-(1/4) связи, разделенные одной β-(1/3) связью. В ячмене содержится от 2 до 10 % β-глюкана, причем до 75 % от общей массы полисахаридов приходится на него в клеточных стенках эндосперма. Это означает, что ячмень является одним из перспективных источников β-глюкана, что делает его привлекательным объектом для исследований и промышленного применения в пищевой промышленности [1, 7].

В ходе исследования мы рассмотрим различные аспекты β-глюканов, начиная с их химической структуры и классификации, затем перейдем к их пользе для здоровья человека, включая иммуномодулирующие, антиоксидантные и противовоспалительные свойства, а также обсудим их потенциальное применение в лечении различных заболеваний и улучшении функции организма в целом.

Цель исследования – выявление оптимальных параметров ферментативной обработки сырья с целью извлечения β-глюкана и оценка потенциальной возможности применения в производстве взбивных кондитерских масс.

Объекты и методы. Для проведения исследования был выбран сорт ячменя «Челябинский 99» в связи с его широким применением в пищевой и пивоваренной промышленности. Сырье подготавливали путем измельчения. После полученную ячменную муку просеивали для удаления крупных частиц и примесей. Далее навеску муки кипятили в растворе этилового спирта. К полученной смеси добавляли гидроксид натрия, чтобы создать оптимальные условия для последующих процессов. Смесь выдерживалась на плите с непрерывным помешиванием. После нейтрализовали щелочь. Смесь центрифугировали, затем надосадочную жидкость последовательно обрабатывали комплексом ферментов. Качество β-глюкана оценивали по содержанию посторонних примесей с использованием стандартных методов исследования: ГОСТ 10845-98 «Зерно и продукты его переработки. Метод определения крахмала»; ГОСТ 15113.6-77 «Концентраты пищевые. Методы определения сахарозы»; ГОСТ 29033-91 «Зерно и продукты его переработки. Метод определения жира»; ГОСТ 10846-91 «Зерно и продукты его переработки. Методы определения белка»; ГОСТ 15113.3-77 «Концентраты пищевые. Методы определения органолептических показателей, готовности концентратов к употреблению и оценки дисперсности суспензии»; ГОСТ Р 54014–2010 «Продукты пищевые функциональные. Определение растворимых и нерастворимых пищевых волокон ферментативно-гравиметрическим методом».

Все этапы модификации сырья выполняли в специализированной химической лаборатории по контролю качества продуктов питания кафедры «Технология и организация общественного питания» Южно-Уральского государственного университета (НИУ).

Результаты и их обсуждение. Взбивные кондитерские массы используются для создания легких, воздушных текстур в различных десертах, начиная от пирожных и кремов и заканчивая тортами. Они обычно создаются путем взбивания ингредиентов, таких как сливки, яйца или белки, с сахаром или другими добавками.

Типы взбивных кондитерских масс [8]

Сливки . Сливки взбивают до образования мягких или жестких пиков в зависимости от рецепта и поставленной задачи. Они могут быть использованы как основа для многих десертов или как украшение.

Яичные белки . Белки взбивают до образования жестких пиков, что добавляет воздушность и легкость тортам, пирожным и меренге.

Яичные желтки . Желтки взбивают с сахаром для создания кремовой текстуры, используемой в кремах и начинках.

Масляные массы . Масло взбивают с сахаром или другими ингредиентами для создания пышных или масляных кремов для тортов и пирожных.

Комбинированные массы . Иногда используются комбинации различных ингредиентов, например сливки с яичными желтками, чтобы создать более насыщенные и кремовые текстуры.

Взбивные кондитерские массы играют важную роль в кондитерском производстве, добавляя не только текстуру, но и вкус и аромат к десертам. Взбивные кондитерские изделия пользуются стабильным спросом, поэтому их обогащение β-глюканом благотворно скажется на здоровье населения [9, 10].

Химическая структура β-глюканов

β-глюканы представляют собой полимеры D-глюкозы, объединенные бета-гликозидными связями. Они могут быть различной длины и конфигурации, что влияет на их свойства. Главным образом они классифицируются в зависимости от расположения β-глюкозидных связей в цепочке. Например, β-глюканы из дрожжей имеют β-1,3/1,6 связи, тогда как β-глюканы из овса обладают более сложной структурой с наличием разветвленных цепей [11].

Иммуномодулирующие свойства

Одним из наиболее изученных аспектов β-глюканов являются их иммуномодулирующие свойства. Они могут стимулировать иммунную систему, усиливая защитные реакции организма против инфекций и болезней. Исследования показывают, что β-глюканы способны активировать различные клетки иммунной системы, такие как макрофаги, нейтрофилы и естественные убийцы ( natural killers ), что может повысить эффективность иммунного ответа [5, 12].

Антиоксидантные свойства

β-глюканы обладают антиоксидантными свойствами, что означает, что они способны защищать клетки организма от вредного воздействия свободных радикалов. Свободные радикалы могут наносить ущерб клеткам и ДНК, что может привести к преждевременному старению и развитию различных заболеваний, таких как рак и сердечно-сосудистые заболевания [1].

Противовоспалительные свойства

Воспаление – это естественный процесс защиты организма от инфекций и травм. При этом хроническое воспаление может быть связано с развитием многих заболеваний, включая болезни сердца, диабет и аутоиммунные заболевания. β-глюканы могут помочь снизить воспаление, регулируя активность воспалительных сигнальных путей в организме [7, 13].

Потенциальное применение в лечении заболеваний

Благодаря своим уникальным свойствам β-глюканы привлекают внимание как потенциальные лекарственные препараты или добав-

Вестник КрасГАУ. 2025. № 4 (217) ки к лечению различных заболеваний. Например, исследования показывают, что они могут быть полезны в лечении инфекций, аллергий, аутоиммунных заболеваний и даже рака [3, 14].

Польза β-глюканов для здоровья

Помимо специфических свойств, β-глюканы также могут оказывать общую пользу для здоровья. Они способны снижать холестерин в крови, регулировать уровень сахара, поддерживать здоровье кожи и улучшать пищеварение [15].

Итак, β-глюканы представляют собой уникальные соединения с многочисленными благоприятными свойствами для здоровья человека. Иммуномодулирующие, антиоксидантные и противовоспалительные свойства делают их ценными добавками к рациону питания, а также потенциальными кандидатами для разработки новых пищевых продуктов с добавлением β-глю-канов. Дальнейшие исследования в этой области могут помочь раскрыть еще больший потенциал β-глюканов для поддержания здоровья и борьбы с различными заболеваниями. Тем не менее значение имеет способ получения β-глюканов. Наибольший интерес для применения в кондитерской промышленности представляют хорошо очищенные β-глюканы. С этой целью исходное сырье подвергают щелочному, кислотному или ферментативному гидролизу [16].

Ферментативный гидролиз, а также щелочной и кислотный методы гидролиза представляют собой различные подходы к разложению биологического материала на его составные части. Методы имеют преимущества и недостатки, и выбор между ними зависит от целей процесса, типа сырья и требований к конечному продукту. Рассмотрим подробно преимущества ферментативного гидролиза перед щелочным и кислотным методами [2, 3]:

• 1.    «Мягкость» процесса . Ферменты работают при мягких условиях, что делает ферментативный гидролиз более щадящим по сравнению с щелочным или кислотным гидролизом. Это позволяет сохранить биологически активные соединения и минимизировать негативное воздействие на качество конечного продукта.

• 2.    Селективность . Ферменты обладают специфичностью к субстрату, что означает, что они могут разлагать определенные типы биомолекул, не затрагивая другие. Это позволяет точно контролировать процесс гидролиза и избежать разрушения β-глюканов.

• 3.    Поддержание низкой температуры . Ферментативный гидролиз может проводиться при комнатной температуре или незначительно повышенной, что позволяет сохранить теплочувствительные компоненты и избежать образования нежелательных продуктов термической деградации.

• 4.    Экологическая безопасность . Ферментативный гидролиз использует натуральные ферменты, которые обычно производятся микроорганизмами в биореакторах. Это экологически чистый процесс, который не требует использования агрессивных химических веществ.

• 5.    Высокая специфичность . Благодаря селективности ферментов продукты ферментативного гидролиза часто имеют высокую степень чистоты и специфичности, что делает их наиболее привлекательными для использования в пищевой промышленности.

• 6.    Биодоступность . Ферментативный гидролиз может улучшить биодоступность биологически активных соединений путем разрушения клеточных стенок и других барьеров, что позволяет эффективнее использовать ресурсы сырья.

• 7.    Контролируемая скорость реакции . С помощью ферментативного гидролиза можно легко контролировать скорость реакции путем регулирования концентрации фермента, pH и температуры, что позволяет достичь желаемой степени гидролиза.

• 8.    Меньшее количество побочных продуктов . Ферментативный гидролиз часто дает меньшее количество нежелательных побочных продуктов, таких как токсичные соединения, чем щелочной или кислотный гидролиз, что упрощает последующую очистку и обработку продукта.

• 9.    Сохранение питательной ценности . Во многих случаях ферментативный гидролиз помогает сохранить питательную ценность сырья, так как не разрушает важные питательные вещества и биологически активные соединения.

• 10.    Биокомпатибельность . Продукты ферментативного гидролиза часто более биокомпа-тибельны с организмом человека, что делает их более предпочтительными для использования в пищевых системах.

Ячмень (Hordeum vulgare) является зерновым растением, богатым питательными веществами. Его химический состав включает различные компоненты, такие как углеводы, белки, жиры, витамины и минералы. Ячмень содержит значительное количество углеводов, в основном в форме крахмала. Эти углеводы служат основным источником энергии для организма. Белки в ячмене составляют важную часть его питательной ценности. Они содержатся в эндосперме (внутренняя часть зерна). Белки ячменя обладают высокой биологической ценностью благодаря наличию незаменимых аминокислот, необходимых для поддержания здоровья. Белки ячменя преимущественно запасные – проламины (гордейны). Жир содержится в ячмене в небольших количествах, преимущественно в форме ненасыщенных жирных кислот, таких как линолевая кислота. Жиры в зерне ячменя играют роль в поддержании здоровья кожи, волос и общего обмена веществ. Ячмень содержит разнообразные витамины группы B. Стоит выделить B1, B2, B3, B5 и B6, которые жизненно важны для нормального функционирования ферментных систем организма. Также отметим наличие в ячмене минералов. Например, кальций, содержащийся в ячмене, обеспечивает здоровье костей и зубов, магний способствует правильной работе мышц и нервов, фосфор участвует в образовании костей и клеточной структуры, а калий помогает поддерживать нормальное давление крови. Также стоит упомянуть о наличии в ячмене железа и цинка, первый из которых необходим для транспортировки кислорода в организме, тогда как второй играет важную роль в иммунной системе и процессах заживления ран. Ячмень также содержит фитохимические соединения, такие как антиоксиданты, в том числе полифенолы и флавоноиды, которые могут помогать в защите клеток от повреждений, вызванных свободными радикалами. В целом ячмень представляет собой зерновое растение, которое стоит рассматривать в качестве ценного источника питательных веществ для человека [17, 18].

Ячмень, как правило, содержит примерно 70 % крахмала, 10–20 белка, 2–3 липидов и около 2,5 % минеральных веществ. Пищевые волокна ячменя классифицируются на растворимые и нерастворимые. Растворимые волокна улучшают функцию кишечника и уменьшают гликемический индекс, в то время как нерастворимые способствуют нормализации кишечной перистальтики. Тем не менее в качестве объекта исследования ячмень был выбран благодаря наличию в его составе растворимых пищевых волокон β-глюкана. Содержание β-глюкана в яч- мене составляет по разным оценкам от 2 до 10 % [17–19].

Воздействие на муку, полученную из ячменя, химическими реагентами и далее ферментными препаратами, с целью извлечения β-глюкана, представляет краткое изложение сути эксперимента. Сначала муку обрабатывали этанолом, затем гидроксидом натрия, а после добавляли ферменты амилолитического и протеолитического действия. Процесс направлен на ослабление межмолекулярного взаимодействия β-глюкана с другими компонентами растительных тканей, такими как крахмал и белки. Предполагается, что такая последовательность обработки способствует «мягкому» выделению β-глюкана и не оказывает влияния на его нативную структуру. Экстракцию β-глюкана проводили в следующей последовательности: Ячмень (зерно) → Измельчение → Просеивание (> 5 мкм) → Кипячение в 80 %-м С 2 Н 5 ОН (соотношение 1 : 10; τ = 360 мин) → Добавление NaOH (соотношение 7 : 1 к массе муки; концентрация 1М) → Перемешивание (τ = 90 мин; T = 45 °С) → Центрифугирование (15 000 мин^–1; τ = 15 мин; T = 20 °С) → Нейтрализация лимонной кислотой (pH = 7) → Обработка α-амилазой (τ = 180 мин, T > 40 °С) → Центрифугирование (15 000 мин^–1; τ = 20 мин;

T > 40 °С) → Обработка протеолитическими ферментами (τ = 180 мин, T > 37 °С) → Центрифугирование (22 000 мин–1; τ = 20 мин; T = 4 °С) → Выдерживание смеси надосадочной жидкости и этилового спирта (80 %) в соотношении 1 : 2 (τ = 15 мин) → Центрифугирование (22 000 мин–1; τ = 20 мин; T = 4 °С) → Высушивание надосадочной жидкости (содержание сухих веществ ≤ 96 %).

Полученные кристаллы β-глюкана имеют белый цвет с небольшим желтым оттенком, что может указывать на наличие примесей и характеризовать кристаллическую структуру. Исследования химического состава проводили в трехкратном повторении для повышения достоверности результатов. Полученные данные пересчитывали на сухое вещество, что является стандартной практикой при анализе химического состава пищевых продуктов/ингредиентов. В таблице представлены основные показатели химического состава кристаллов β-глюкана, такие как содержание углеводов (крахмал, моно- и дисахариды, растворимые и нерастворимые пищевые волокна), жира, белка и золы. Стандартное отклонение указывает на степень вариации результатов в трехкратном повторении и позволяет оценить их точность.

Показатели качества кристаллов β-глюкана, % Quality indicators of β-glucan crystals, %

Показатель	Значение показателя качества
Углеводы:	2,12±0,02
крахмал	1,47±0,02
моно- и дисахариды	0,65±0,02
Пищевые волокна:	91,4±0,04
растворимые (в т. ч. β-глюкан)	77,6±0,04
нерастворимые	13,8±0,04
Жиры	0,36±0,01
Белки	4,88±0,02
Зола	1,24±0,01

В соответствии с данными таблицы, кристаллы β-глюкана содержат значительную долю белка в сравнении с другими примесями, составляющую 4,88 %. Полученные результаты представляют значимость, учитывая, что количество белка в образцах кристаллов превышает сумму содержания крахмала, моно- и дисахари- дов, сырого жира и золы, вместе взятых. Это может быть интересным с точки зрения потенциального влияния на качество взбивных кондитерских масс. Стоит отметить, что уровень крахмала и золы в образцах приблизительно одинаков. Основной компонент кристаллов – пищевые волокна, составляющие 91,4 % от об- щей массы исследуемых образцов. Содержание растворимых волокон, в основном β-глюкана, составило 77,6 %. Низкое содержание посторонних примесей в исследуемых кристаллах β-глюкана объясняется использованием термостабильной α-амилазы в комплексе с ферментами протеолитического действия. Высокая чистота и качество полученных кристаллов является важным фактором при их применении в производстве взбивных кондитерских масс. Полученные кристаллы β-глюкана не имеют запаха и обладают нейтральным вкусом, что делает их привлекательным ингредиентов для использования в кондитерской промышленности. Введение в технологию и рецептуру β-глюкана открывает широкие перспективы для создания новых продуктов с улучшенными пищевыми свойствами и повышенной биологической ценностью.

Заключение. В исследовании был применен ферментативный метод гидролиза, который является щадящим способом обработки сырья с целью извлечения ценного компонента – β-глю-кана. Сначала происходила предварительная подготовка сырья, полученного из ячменя. Затем сырье подвергалось воздействию амилазы и комплекса протеолитических ферментов. Амилаза является ферментом, способным разрушать амилопектин, полисахарид, который содержится в клеточной стенке ячменя, что упрощает доступ к β-глюкану. Протеолитические ферменты, в свою очередь, разрушают белковую часть клеточной структуры, что также способствует выделению β-глюкана. В результате этого процесса происходило образование кристаллов, содержащих высокую концентрацию растворимых пищевых волокон, в основном β-глюкана. Важно отметить, что содержание β-глюкана в полученных кристаллах достигло 77,6 % на сухое вещество, что свидетельствует о высокой эффективности ферментативного гидролиза в извлечении β-глюкана из ячменя.

Полученные кристаллы β-глюкана обладают рядом привлекательных характеристик, делающих их перспективными для применения в различных областях пищевой промышленности, в том числе в кондитерской промышленности при производстве взбивных кондитерских масс. В частности, они бесцветны, не имеют запаха и обладают нейтральным вкусом, что делает их идеальным кандидатом для использования в технологии взбивных кондитерских масс. Эти свойства открывают широкие возможности для создания новых продуктов и улучшения уже существующих.

Однако следует отметить, что термин «растворимые пищевые волокна» охватывает широкий круг химических соединений, а не только β-глюкан. Для более точного определения содержания β-глюкана в полученных кристаллах потребуются дополнительные исследования, выходящие за рамки данной работы. Это позволит более глубоко и детально изучить характеристики полученного продукта и его потенциальное применение в пищевой промышленности, а также определить возможные способы оптимизации процесса производства.