Исследование особенностей биосинтеза бета-глюканов в мицелиальной массе Aspergillus niger и в некондиционном зерне злаковых

Пищевые волокна на сегодняшний день являются одними из самых востребованных и широко применяемых пищевых ингредиентов благодаря их функциональным свойствам [1]. Они используются как технологические добавки, изменяющие структуру и химические свойства пищевых продуктов, и как универсальные функциональные ингредиенты [2].

Потребность населения России в пищевых волокнах примерно 1,5 млн тонн в год, причем удовлетворяется она только на треть за счет муки грубого помола, зерна, овощей и фруктов. Поэтому чрезвычайно актуально создание промышленных технологий получения пищевых волокон [3].

Среди пищевых волокон можно выделить бета-глюканы. Они являются одними из перспективных биологически активных соединений, которые можно использовать для обогащения повседневных пищевых продуктов и придания им новых функциональных свойств [4]. Экстракты, содержащие бета-глюканы, – одни из наиболее изученных растворимых пищевых волокон, известны своим положительным влиянием на здоровье человека [2]. Из-за способности бета-глюканов образовывать вязкие гели эти химические вещества замедляют всасывание сахаров. Благодаря этому наблюдается снижение гликемического индекса продуктов [1].

Перспективным источником глюканов является отход микробиологического синтеза лимонной кислоты – мицелиальная масса микро-мицета Аsреrgillus nigеr . Данный микромицет обладает высоким содержанием хитин-глюканового комплекса (ХГК), а это зависит от субстрата и способа культивирования [5]. Образование глюканов происходит именно в мицелии, а образование хитина – в спорах и спороносцах. Вследствие морфологических и онтогенетических особенностей продуцента, а также в зависимости от используемого источника углерода происходит большее образование глюканов [6].

Бета-глюканы – это водорастворимые пищевые волокна. Они способствуют снижению риска сердечно-сосудистых заболеваний за счет уменьшения уровня холестерина, контролируют содержание глюкозы в крови, улучшают работу кишечника и контролируют аппетит, стимулируя насыщение. В косметологии применяются для улучшения состояния кожи и ее омоложения за счет усиления синтеза коллагена и укрепления кровеносных сосудов [7].

Некондиционное зерно злаковых представляет интерес для пищевой промышленности.

Из него получают сахаро- и белоксодержащие продукты, а также кормовые добавки. Помимо этого оно является источником макро- и микроэлементов, необходимых для роста и развития микроогранизмов [8].

Ранее во ВНИИПД в качестве источника бета-глюканов были исследованы зерно ржи и биомасса, полученная при его ферментации [9].

Цель работы – изучение влияния различных источников углерода (сырье) на биосинтез глюкансодержащих соединений и их производных микромицетом Aspergillus niger .

Объекты и методы

Объектами исследования являлись образцы мицелиальной массы микромицета Aspergillus niger , полученные при ферментации мелассных сред, традиционно используемых в биотехнологическом производстве, и перспективных источников – гидролизатов кукурузного крахмала и помола зерна ржи. Также использовалось измельченное зерно (помол, размер частиц 750 ± 50 мкм) нестандартного качества: рожь озимая Омского региона 4-го класса, овес Ленинградской области и сорго регион произрастания – Краснодарский край, зерно не соответствует требованиям ГОСТ 16990–2017, ГОСТ 28673–90, ГОСТ 53902–2010. По показателям «массовая доля влаги» – 17 ± 2% (более 14%), «сорная примесь» – 8 ± 2% (более 5%), «зерновая примесь» – в основном проросшие зерна и зёрна других культур 45 ± 2% (более 15%), с содержанием крахмала ниже 50%.

Ферментацию углеводсодержащих субстратов микромицетом Aspergillus niger проводили в условиях шейкера-инкубатора Multitron (INFORS, Швейцария): вместимость качалочных колб 750 см³, периодический способ, аэробные условия при перемешивании 160–220 мин^-1, t = 32 ± 1^оС, τ = 120 ч.

Определение бета-глюканов в мицелиальной массе Aspergillus niger и в растительном сырье проводили в соответствии с ГОСТ 57513–2017.

Для проведения ферментативного гидролиза зерновых помолов и микробной биомассы в качестве биокатализаторов использовали β -глюканазу (эндо–1,3(4)–глюканаза) Trichoderma longibrachiatum (Sigma Aldrich, США) для продукции растительного происхождения и ксиланазу Rohament GE (AB Enzymes, Германия) – для продукции микробиологического происхождения.

Содержание глюкозы, мальтозы, декстринов (углеводный состав) в гидролизатах зерновых помолов и гидролизатах микробной биомассы определяли методом Зихерда-Блэйера, в модификации Смирнова [10].

Результаты и обсуждение

В результате проведенного опыта была засвидетельствована высокая эффективность использования Aspergillus niger для получения бета-глюканов, в особенности на гидролизате кукурузного крахмала.

В процессе онтогенеза Aspergillus niger изменяется как количественное содержании ХГК, так и его состав. Исследования проводились на питательных средах различного состава, а именно крахмалсодержащих (гидролизаты кукурузного крахмала и помола зерна ржи) и мелассных. При этом отмечено, что наибольшее количество ХГК образуется на питательной среде – гидролизате крахмала.

По литературным данным отмечена следующая тенденция: наряду с увеличением содержания ХГК при ферментации гидролизата крахмала наблюдается увеличение содержания бета-глюкана в клетках продуцента [6].

Результаты исследований показали, что содержание бета-глюкана больше в биомассе на кукурузном крахмале по сравнению с биомассой на мелассной среде (Рисунок 1. ) .

Рисунок 1. Общее содержание бета-глюканов

Figure 1. Summary content of beta-glucans

В научном и практическом аспекте интерес представляют растворимые формы углеводов. Ранее полученные результаты исследований показали [9], что в жидкой фракции после гидролиза ХГК содержание бета-глюканов больше в гидролизате биомассе, полученной при ферментации кукурузного крахмала (таблица 1).

Для сравнения приведены данные, полученные при культивировании аспергилла на средах, содержащих сахарозу (мелассная и сахарозоминеральная) (таблица 2). Сахар кристаллический и меласса содержат в основном дисахарид сахарозу. Вероятно, для биосинтеза бета-глюканов предпочтительнее наличие полисахаридов, в частности амилозы и амилопектина, в случае использования гидролизата крахмала. Биомасса, полученная при культивировании аспергилла на гидролизате помола зерна ржи, представляет собой сложную систему, которая содержит микробные бета-глюканы и растительные глюканы, не усвоенные самим микромицетом в процессе роста и развития.

Таблица 1.

Содержание растворимых углеводов в жидкой фракции гидролизата ХГК из биомассы микромицета Aspergillus niger β -глюканазой T. Longibrachiatum

Table 1.

Соntеnt of soluble carbohydrates in liquid fraction of HCG hydrolyzate from biomass of Aspergillus niger micromycete β -glucanase T. Longibrachiatum

Компонент Component	Содержание сахаридов от общего количества растворимых углеводов, % Saccharide content of total soluble carbohydrates, %
	Моно- и дисахариды Mono- and disaccharides	Бета-глюканы Beta-glucans
Гидролизат крахмала Starch hydrolysate	47 ± 3	50 ± 1
Меласса свекловичная Molasses	65 ± 2	34 ± 1
Сахар кристаллический Crystalline sugar	57 ± 2	41 ± 2

В сравнительном аспекте помимо биомассы микробного происхождения исследовали содержание бета-глюканов в природном сырье: измельченном зерне злаковых, а именно, ржи, овса и сорго (таблица 2).

Таблица 2. Химический состав крахмалосодержащего сырья Table 2.

Chemical composition of starch-containing raw materials

Компонент Component	Содержание компонентов в сырье, % от СВ* Content of components in raw materials, %
	Овес Oat	Рожь Rye	Сорго Sorghum
Литературные данные (зерно стандартного качества) [15-16] Reference data (standard quality grain)
Крахмал Starch	61	65	70
Бета-глюканы Beta-glucans	7,4	8,5	6,2
Растворимые углеводы Soluble carbohydrates	4,5	3,5	3,5
Экспериментальные данные Experimental data
Крахмал Starch	48	45	42
Бета-глюканы Beta-glucans	7,2	10,2	6,5
Растворимые углеводы Soluble carbohydrates	5,0	6,5	4,0

Зерновое сырье содержит значительное количество как альфа-глюканов, так и бета-глюканов. Результаты исследований показали, что наибольшее количество глюкана образуется в зерне ржи, а в зерне сорго – наоборот (рисунок 1). Возможно, зерно ржи является более доступным источником субстратов для используемых в эксперименте ферментов с различной специфичностью действия, чем зерно сорго. Кроме того, в состав оболочек зерна сорго входят дубильные вещества – танины, которые могут негативно влиять на процесс ферментативного гидролиза.

Заключение

В результате проведенного опыта было установлено следующее:

• • биосинтез глюканов происходит продуктивнее в сырье микробиологического происхождения;