Ферментативное получение концентратов b-глюканов из вторичных пищевых ресурсов

Введение. Первые упоминания о β-глюкане, обнаруженном в лишайниках, появились еще в 1940-х гг. Углубленное изучение данного полисахарида происходило в 1980-х гг. параллельно в двух странах: в США и Японии. β-глюкан был выведен американскими исследователями из клеточных стенок хлебопекарных дрожжей, которые, в свою очередь, являются одноклеточными микроскопическими грибками вида Saccharomyces cerevisiae. В то время как в Японии был выделен из местных грибов, которые использовались в лечебных целях: шиитаке, рейши, майтаке и др. [1]. Также β-глюканы содержатся в злаковых культурах (рожь, овес, ячмень), речных и морских водорослях и бактериях, среди которых встречаются и патогенные. Одна из активных форм β-глюкана находится в овсе.

β-глюканы обладают широким спектром полезных свойств. Они способны достаточно сильно воздействовать на иммунную систему, оказывают радиопротекторное и антиоксидантное действие. β-глюканы способствуют росту иммунных клеток спинного мозга, подавляют рост раковых клеток. Также они очень полезны для людей, больных диабетом, так как снижают уровень сахара в крови, и для людей с повышенным уровнем холестерина за счет способности нормализовать уровень липидов. β-глюкан позитивно воздействует и на пищеварение, так как активизирует рост нормальной микрофлоры кишечника и практически не обладает побочными эффектками [2, 3].

β-глюкан – это полисахарид природного происхождения. Он представляет собой сложную, длинную цепочку из мономеров D-глюкозы (глю- канов), которые соединяются в-гликозидными связями.

Глюканы расположены в виде шестисторонних D-глюкозных колец. В зависимости от источника происхождения в-глюкана кольца глюкозы линейно соединяются в различных углеродных позициях, хотя чаще всего в-глюканы имеют 1-3 гликозидные связи в своей основной цепи [4].

Существенным препятствием для эффективного использования в-глюканов в качестве добавок иммуномоделирующего и радиопротек-трорного действия является скорость, с которой они всасываются в организме человека. Встречающиеся в природе в-глюканы содержат сшитые полимеры основных звеньев глюкозы и считаются очень большими молекулами. Они нерастворимы в воде и устойчивы к воздействию кислот [5].

в-глюканы грибов и дрожжей имеют разветвленное строение (рис. 1). Основная цепь их макромолекул состоит из остатков ₽ -D-глюкопираноз, соединенных 1→ 3 гликозидными связями. К основной цепи подсоединяются боковые ответвления в положениях 0-6. Частота и размер ответвлений могут варьироваться [6].

Рис. 1. Строение в-глюканов зерновых культур

Макромолекулы в-глюканов зерновых культур имеют линейное строение. Клеточные стенки эндосперма зерна содержат мало целлюлозы и в основном состоят из 1-3,1-4 в-D-глюканов и аробиноксиланов. Их соотношение может отличаться в зависимости от вида злака. Например, пшеница и рожь преимущественно состоят из аробиноксиланов, а в овсе и ячмене преобладают 1-3,1-4 в-D-глюканы [7]. Содержание данных в-глюканов в ячмене составляет от 3 до 11 %, во ржи - от 1 до 2 %, в пшенице - меньше 1 %. в-глюкан в ячмене распределен равномерно по всему эндосперму. В овсе в-глюкан также находится в эндосперме овсяного зерна, но в отличие от ячменя он располагается больше во внешних слоях эндосперма.

Молекулы в-глюканов состоят из около 2500 остатков в-(1^4)-связанных D-глюкопираноз, которые разделены в-(1^3)-связями. Фрагменты блоков являются тримерами или тетрамерами [8]. В глюкане они известны как целлотрио-зил (трисахарид) и целлотетраозил (олигосахарид из четырех остатков глюкозы). Их соотношение может быть разным. Например, в ячмене больше 1→4 связей, имеющих полимеризацию со степенью выше 4. В зерне овса молярное отношение тримеров и тетрамеров составляет обычно 1,5:2,3 [4, 6].

При растворении в-глюканы и аробиноксила-ны образуют гидроколлоиды с высокой вязкостью [9]. Чем ниже соотношение целлотриозил-целлотетраозил, тем выше вязкость в-глюкана в растворе. Также вязкость зависит от молекулярной массы и уровня растворимости. Овсяный β-глюкан состоит по большей степени из растворимой клетчатки, но при высокой концентрации β-глюканы овса становятся нерастворимыми. Молекулярная масса растворимых β-глюканов овса составляет около 500000 г/моль, а молекулярная масса нерастворимых – менее 200000 г/моль [10].

Более вязкий внутренний раствор β-глюкана обычно приводит к положительным физиологическим эффектам, включая более выраженный гипогликемический эффект и снижение уровня холестерина, а также снижение уровня глюкозы в крови после приема пищи.

В исследованиях ряда авторов показано, что растворимые β-глюканы обладают большей физиологической активностью, чем нерастворимые [11, 12].

Содержание β-глюкана в граммах сухого веса зерновых культур варьируется в зависимости от вида зерна. В 100 г овса содержится от 3 до 8 г β-глюкана (82 % растворимых в воде фракций), в ячмене – от 2 до 20 г (65 % растворимых в воде фракций), во ржи – от 1,3 до 2,7г, в сорго – от 1,1 до 6,2; в тритикале – от 0,3 до 1,2; в пшенице – от 0,5 до 1,0, в рисе – около 0,13 г.

Количество β-глюкана также может варьироваться в зависимости от его строения. Например, в цельном зерне овса содержание β-глюкана примерно на 8 % меньше, чем в овсе без оболочки.

Способность β-глюкана связывать содержимое в кишечнике позволяет также использовать данный полисахарид в качестве пищевой добавки как загуститель и заменитель молочного жира [13].

Вышеизложенное определяет актуальность данной работы, посвященной разработке способа получения β-глюкана из овсяных отрубей и его наиболее физиологически активной – водорастворимой формы.

Цель исследования – получение концентрата β-глюкана из овсяных отрубей для использования в функциональных пищевых продуктах.

Материалы и методы. Использованные в исследованиях овсяные отруби получены при переработке овса голозерного шлифованного (Avenanudum) в муку. Состав отрубей определяли стандартными методами: массовую долю клетчатки – по ГОСТ 31675-2012; крахмал – по ГОСТ 26176-91; массовую долю жира – по ГОСТ29033-91; массовую долю сырого протеина – по ГОСТ 13496.4-93; массовую долю белка – по ГОСТ 10846-91; содержание влаги – по ГОСТ 13586.5-2015; содержание золы – по ГОСТ Р 51411-99; содержание β-глюкана – по ГОСТ 57513 «Продукция пищевая специализированная. Методы определения β-глюканов».

Также в работе для получения концентратов β-глюкана использовали ферментный препарат: Saczyme ^® Yield (Novozymes, Дания), содержащий глюкоамилазу, кислую α-амилазу и целлюлолитический комплекс, позволяющий увеличить выход β-глюкана за счет разрушения крахмала и частичного гидролиза целлюлозы (декларации ТС N RU Д-DK АЯ46 В 79027) [14].

Результаты и их обсуждение. Получение чистого β-глюкана является довольно дорогостоящим и сложным процессом, так как клеточные стенки зерна овса, помимо бета-глюкана, содержат крахмал, липиды и белки. Поэтому чаще всего при производстве специализированной продукции используется недорогая овсяная мука или отруби [15].

Извлечение β-глюкана из овсяных отрубей имеет научный и практический интерес для пищевой промышленности и индустрии питания. Способы получения β-глюкана из овса основаны на применении ферментативного, кислотного и щелочного гидролиза белков и крахмала с последующим разделением твердой и жидкой фаз фильтрованием, ультрафильтрацией и центрифугированием [16].

Получение водорастворимой формы β-глюкана из овсяных отрубей осуществляется в несколько этапов. На первом этапе сырье измельчали на лабораторной мельнице ЛЗМ-1 до частиц размера 0,5 мм и просеивали. С целью удаления жировой фазы, способствующей возникновения процесса прогоркания при хране- нии, сырье дополнительно обрабатывали 50 %-м этанолом в соотношении 1:10 в течение 30 минут, при температуре 60 °С. Далее полученную смесь центрифугировали и оставшееся сырье подвергали сушке при комнатной температуре. Спиртовой экстракт жиров использовали для регенерации этанола.

На втором этапе из обезжиренного сырья удаляли крахмал, для этого использовали препарат Saczyme ® Yield (Novozymes, Дания), содержащий глюкоамилазу, кислую α-амилазу и целлюлолитический комплекс, позволяющий увеличить выход β-глюкана за счет разрушения крахмала и частичного гидролиза целлюлозы. Это простое решение для достижения минимально возможного остаточного крахмала.

Оптимизация параметров ферментолиза обезжиренных овсяных отрубей и определение оптимальной дозировки ферментного препарата SaczymeYield осуществлялись на подготовительном этапе исследования. В эксперименте варьировали длительность обработки, дозировку препарата SaczymeYield по преобладающей глюкоамилазной (глюкан-α-1,4-глюкозидазной) активности. Гидромодуль процесса ферменто-лиза составлял 1:5, это соотношение обеспечивает эффективное перемешивание субстрата без образования застойных зон.

Длительность ферментолиза варьировали в диапазоне от 30 до 90 мин с дискретностью 5 мин, дозировку глюкоамилазы от 10 до 100 ед. ГлС/г с дискретностью 10 ед. ГлС/г. В качестве отклика использовали содержание β-глюкана в получаемом сухом концентрате муки из овсяных отрубей. Результаты представлены на рисунке 2.

35   40   45

20     30

50   55   60   65   70

^обраб

40     50     60     70

75    80   85   90

80     90     100

Рис. 2. Зависимость значения содержания β-глюкана в овсяных отрубях от дозировки препарата и длительности обработки

В результате проведенных исследований были установлены оптимальные параметры: время ферментации – 60 минут, температура – 60 °С, дозировка препарата – 70 ед./г, гидромодуль – 1:5. При этом выход β-глюкана увеличи- вается до 60 %. Дальнейшее увеличение времени ферментации и дозировки препарата не дает существенных результатов. Схема получения овсяного концентрата изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Принципиальная схема получения концентрата β-глюкана из овсяных отрубей

Проведение ферментативного гидролиза овсяных отрубей комплексом ферментов Saczyme ^® Yield осуществляется в ферментаторе НПК Агромаш с добавлением цитратного буфера для создания рН 6,5 в заданном соотношении (сырье; экстрагент) при заданной температуре в течение заданного времени. В схеме указаны параметры без их значений.

Из 100 г овсяных отрубей получается 60 ± 1 г концентрата β-глюкана. Соответственно выход концентрата β-глюкана составляет 60 %.

Внешний вид используемых овсяных отрубей, опытного образца концентрата β-глюкана из овсяных отрубей представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид используемых овсяных отрубей (1), опытного образца овсяного концентрата (2)

Как видно из рисунка 4, образец овсяных отрубей намного светлее опытного образца концентрата β-глюкана, возможно, это связано с высоким содержанием крахмала в его составе так как его не удаляли.

Органолептические и физико-химические показатели муки из овсяных отрубей и концентрата в-глюкана

Показатель	Мука из овсяных отрубей		Концентрат β-глюкана
	Органолептические показатели
Внешний вид	Серовато-желтые с оттенками белокремового измельченные отруби		Цвет золотисто-коричневый, частицы разной формы и размера
Запах	Свойственный овсяным отрубям, со специфическим слабым привкусом горечи без кислого и других посторонних привкусов		Выраженный, приятный, характерный для свежих высококачественных отрубей
Вкус	Свойственный овсяным отрубям, без плесневелого затхлого и других посторонних запахов		Чистый, ярко выраженный, характерный для свежих высококачественных отрубей
	Физико-химические показатели, %
	Собственные исследования	Литературные данные [8,16,17]	Собственные исследования
Клетчатка	11,5±0,1	9,8-11,4	11,6±0,2
Крахмал	39,7±0,8	24,5-39,3	13,2±0,3
Содержание амилозы в крахмале	19,9±0,2	16,2-21,0	12,4±0,1
Жир	7,9±0,1	7,5-8,2	0,9±0,1
Белок	13,0±0,2	15,0-15,2	17,3±0,1
Влага	10,8±0,2	8,5-11,1	9,5±0,2
Зола	5,8±0,1	4,6-7,9	5,2±0,2
Содержание  β- глюкана	2,2±0,1	4,6-5,2	34,2±0,1**

*Содержание β-глюкана определялось в соответствии с ГОСТ 57513.

Показано, что опытные образцы концентратов содержат больше основного биологически активного вещества – β-глюкана, чем в исходном сырье. Кроме того, крахмал в опытном образце концентрата содержит большее количество амилозы, что повышает резистентность крахмала по отношению к ферментам. Такой крахмал так же, как и β-глюкан, выполняет роль пищевых волокон в питании человека и является биологически активным веществом [17].

Заключение . Выявлено, что для интенсификации β-глюкана можно использовать препарат SaczymeYield при дозировке 70 ед./г, гидромодуле 1:5. Сравнительный анализ органолептических и физико-химических показателей показал, что полученный концентрат β-глюкана обладает более высоким содержанием белка (на

• 2,3 %) β-глюкана (на 32,0 %), золотистокоричневым цветом (см. табл.).

Таким образом, полученные концентраты по содержанию биологически активных веществ могут использоваться в качестве функционального пищевого ингредиента в рецептурах широкого спектра продуктов питания. Например, при производстве макаронных и хлебобулочных изделий, мюсли, при выпечке кексов и пирожных. Также его возможно добавлять в молочные и мясные продукты с низким содержанием жира, различные соусы, супы, напитки. Однако стоит помнить о том, что β-глюкан влияет на характеристики продукции, особенно на водопоглотительную функцию продуктов, внешний вид и текстуру [8].