Исследование процесса биоконверсии полимеров пшеничных отрубей ферментным препаратом протеолитического действия

При использовании растительного сырья в производстве пищевых продуктов обеспечивается регулярное потребление всеми категориями населения дефицитных микронутриентов [1]. Для повышения пищевой ценности продуктов полимеры растительного сырья подвергают различным модификациям. Ферментативный гидролиз растительных белков и полисахаридов способствует не только увеличению содержания легкоусвояемых веществ, но и обеспечивает экономическую эффективность производства продуктов за счет снижения объема потребления основного вида сырья [2]. Учитывая это, вторичное растительное сырье может быть перспективным, с точки зрения биоконверсии, не только полисахаридов, но и белков для получения продуктов с повышенной биологической ценностью.

Пшеничные отруби – отходы мукомольного производства, их массовая доля – около 20% от массы перерабатываемого зерна. С отрубями при производстве сортовой муки удаляется основная часть клетчатки (93,4%) и пентозанов (80,5%), свыше половины зародышей (51,1%), а вместе с ними и отрубянистыми слоями: 74,2% – минеральных веществ, 62,3% – липидов и заметная часть общего белка – 27,8% [3]. Значительное содержание белка пшеничных отрубей и его низкая биодоступность актуальны для исследования ферментативной обработки растительного сырья препаратами протеолитического действия.

Цель исследования : изучить процесс биоконверсии высокомолекулярных соединений пшеничных отрубей ферментным препаратом протеолитического действия.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись пшеничные отруби ООО «МельКом-Омск» по ГОСТ Р 7169–66. Исследования проводили на базе кафедры продуктов питания и пищевой биотехнологии Омского ГАУ и в центре агрохимической службы «Омский». Определяли массовую долю влаги по ГОСТ 9404–88, содержание азота и сырого протеина – по ГОСТ 13496.4–93 и массовую долю сырой клетчатки – по ГОСТ 31675–2012 [4; 5]. Гранулометрический анализ фракций осуществлен рассеиванием пшеничных отрубей на определенных видах сит рассеивателя фирмы FRITSCH. Кинематическую вязкость устанавливали на ротационном вискозиметре FUNGILAB модификации SMART (производство Испания).

Методом йодометрического титрования по методу Попа – Стивенса определяли аминный азот [6]. Сущность методики заключается во взаимодействии аминокислот в щелочном растворе с ионами двухвалентной меди и последующем йодометрическом титровании. Повторность экспериментов 3–5-кратная. Результаты обработаны методами математической статистики.

Результаты и их обсуждение .

Фракции пшеничных отрубей производства ООО «МельКом-Омск» получали рассеиванием на различных ситах, определяя массу каждой из них. По результатам расчетных данных гранулометрический состав образцов пшеничных отрубей представлен на рис. 1.

Рис. 1. Гранулометрический состав пшеничных отрубей

Фракции с частицами менее 250 мкм, большая часть которых – крахмальные пшеничные зерна, составляют 21,6% от массы отрубей. Определено, что у большей части частиц пшеничных отрубей размер 560 мкм > r < 360 мкм, их доля – 40,5% от общей массы. Высокая степень дисперсности, большая удельная поверхность и разупо-рядочение структуры растительного сырья облегчают доступность субстрата для фер- ментного препарата, что может значительно увеличить степень биоконверсии полимеров пшеничных отрубей.

Определение таких характеристик, как влажность и зольность, а также важных в отношении ферментативного действия компонентов – сырых клетчатки и протеина – необходимый этап любого анализа растительного сырья. По экспериментальным данным следует, что пшеничные отруби производства ООО «МельКом-Омск» содержали: сырую клетчатку (8,5 ± 1,3)%, сырой протеин (14,70 ± 0,46)% и легкогидролизуемые углеводы (крахмал) (16,2 ± 2,8)%. Такой состав растительного сырья позволяет получить продукты с высоким содержанием моно- и дисахаридов под действием препаратов целлюлозного и амилазного действия, а также повысить содержание аминокислот и низкомолекулярных растворимых пептидов в результате гидролитического действия протеаз. Внедрение продуктов биоконверсии растительного сырья как функциональных ингредиентов в инновационные биотехнологии пищевой промышленности позволит повысить пищевую ценность продуктов питания – важнейший показатель качества.

С целью гидролитического расщепления белковых соединений исследуемого растительного сырья для биоконверсии применяли ферментный препарат «Протеаза кислая» производственного объединения «Сиббиофарм». Получают его путем культивирования микромицета рода Aspergillus sp, его протеолитическая активность по ГОСТ Р 53974–2010 – 600 ед. ПС/см3.

Перед процессом внесения ферментного препарата в реакционную смесь проведена гидродинамическая обработка пшеничных отрубей с целью увеличения реакционной способности сырья. При замачивании пшеничных отрубей в теплой воде (50 ± 2)ºС происходит набухание оболочек и образование в клетках алейронового слоя множества мелких и одной или двух крупных вакуолей (рис. 2–3). Набухшая оболочка клетки становится стекловидно-прозрачной и растягивается, препятствуя чрезмерному набуханию и лизису клеток. Замоченные в теплой воде отруби увеличивают свой объем в 2–3 раза за счет набухания полисахаридов и клеток алейронового слоя.

Рис. 2. Клетки алейронового слоя отрубей

Рис. 3. Набухшие оболочки алейронового слоя пшеничных отрубей и вакуоли клеток

Определение изменения растворимости белка пшеничных отрубей осуществлено после ферментации препаратом «Протеаза кислая» с дозировкой 1,0% на массу сырья в сравнении с действием другими ферментных препаратов («Биоферм» и «ЦеллоЛюк-сА») при условиях: гидромодуль 1 : 8, рН = 4,5, температура (50 ± 2)°С.

Применение ферментного препарата «Протеаза кислая» повышает содержание аминного азота в реакционной смеси в 2,8 раза в сравнении с контролем. Увеличение его содержания до 64,4 мг% свидетельствует о повышении количества свободных ами- ногрупп, растворенных аминокислот, пептидов, белков и других азотсодержащих соединений, что может косвенно служить показателем растворимости и биодоступности белковых соединений. Переход белков в растворимое состояние в результате снижения молекулярной массы важно при получении белковых концентратов и изолятов [7].

Гидролиз белковых полимеров зернового сырья препаратом «Протеаза кислая» не только изменяет содержание легкоусвояемых питательных веществ пшеничных отрубей, но и может оказывать влияние на реологические свойства реакционной смеси. На рис. 4 представлено изменение кинематической вязкости реакционной смеси в результате процесса ферментации пшеничных отрубей препаратом «Протеаза кислая» с дозировкой 1% к массе сырья.

—Пшеничные     отруби без ферментативной обработки

—Пшеничные     отруби после ферментации препаратом Протеаза кислая

Рис. 4. Изменение кинематической вязкости ферментативно обработанных пшеничных отрубей препаратом «Протеаза кислая»

Кинематическая вязкость реакционной смеси значимо снижалась в результате действия препарата «Протеаза кислая» в сравнении с пшеничными отрубями, не подвергнутыми процессу биоконверсии.

Изменение реологических свойств реакционной смеси при ферментации может оказывать воздействие на механизацию процесса кормления сельскохозяйственных животных гидролизованными пшеничными отрубями.

Заключение

Таким образом, ферментный препарат протеолитического действия эффективно осуществляет гидролиз сложных белковых соединений растительного сырья до усвояемых пептидов и аминокислот, а также частично гидролизует антипитательные факторы (ингибиторы эндоферментов), снижает вязкость пшеничных отрубей. Актуальны дальнейшие исследования с целью изучения ферментативного препарата «Протеаза кислая» в комплексе с ферментами амилолитического действия на пшеничные отруби.

N.A. Pogorelova, E.A. Moliboga, N.A. Sarnizckaya

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

T he study of the process of polymer bioconversion of wheat bran enzyme preparation of proteolytic activity

All starchy crops can be processed to produce sugars and are a valuable annually renewable raw material resource. Well-known methods of starch hydrolysis to produce sugars, acid and enzymatic, may be the most promising in further studies. Recently, bioconversion with enzyme preparations of hydrolytic action deserves more attention, both from experimental studies and practical implementation. In this study was observed the possibility of adapting existing technologies to the secondary plant raw materials and to more accessible to the enzymes. The process of bioconversion of high-molecular compounds of wheat bran by enzyme preparation of proteolytic action of protease acidic production “Sibbiopharm” was studied. The mass fraction of moisture, the content of crude fiber and crude protein of wheat bran was determined by conventional methods. The content of amine nitrogen was determined by the method of Pape-Stevens. This method is the interaction of amino acids in an alkaline solution with bivalent copper ions. Grain size fractions of the raw material dispersion of wheat bran in certain types of sit of the lens of the company FRITSCH was determined. The process of enzymatic hydrolysis was carried out under the following conditions: temperature 50 ± 2°C, hydromodule 1 : 8 and pH = 4.5. The preparation of Protease acidic increases the content of amine nitrogen in the reaction mixture to 64.4 mg%, which is 2.8 times more in comparison with the control. The introduction of the enzyme 1% to the mass of wheat bran changes the rheological properties, the viscosity decreases as a result of the destruction of colloidal protein formations.