Кинетика биохимического процесса проращивания семян сои

Введение . Необычайно полезные ростки сои содержат активный белок и массу незаменимых для человека витаминов – витамины группы В, каротин и витамин С. При помощи этого продукта можно эффективно бороться с авитаминозом. Ростки содержат незаменимую клетчатку и аминокислоты, а также практически все известные микроэлементы. Следует отметить, что лецитин защищает желчные протоки от появления камней и холестериновых бляшек. Пророщенная соя благотворно влияет на обмен веществ, улучшает память, концентрирует внимание, нормализует работу головного мозга в целом. При онкологических заболеваниях ростки сои незаменимы.

Цель исследований : установление закономерностей трансформации биологически активных веществ в проращиваемых семенах сои и аккумуляции в них макро- и микроэлементов.

Объекты, методы и результаты исследований. Полученные результаты необходимы при проектировании и конструировании пище- вых продуктов, содержащих соевый компонент, с заданным составом и свойствами.

Объектом исследования являлись сорта Амурской и Приморской селекции: Октябрь-70, Гармония, Соната, Даурия и др.

О степени разрушения антипитательных веществ сои судили по активности уреазы – показателю, косвенно свидетельствующему об инактивации антипитательных веществ, которую рассчитывали по изменению величины рН раствора в течение 30 мин.

Определение минерального состава проводили методом приближенно-количественного спектрального анализа; определение содержания белков – фотоколориметрическим методом.

Известно, что биохимические воздействия при получении и переработке белков изменяют их структуру и функциональность, что может быть использовано для модификации функциональных свойств соевых белков в заданном (желаемом) направлении [1, 2].

На первой стадии решено проводить структурную и функциональную модификацию соевых белков путем ограниченного протеолиза собственным ферментным комплексом – эндопротеиназами прорастающих семян сои при одновременном их насыщении макро- и микроэлементами.

В качестве минерализованной среды использована вода, показатели которой приведены в таблице 1.

Таблица 1

Показатели минерализованной воды

Показатель	HCO 3	Элемент			pH
		Mg	Ca	Na
Концентрация, мг-экв.%	77–87	20–50	32–55	12–28	5,2–6,1

В образцах соевого сырья определены основные показатели биохимического состава, масса 1000 семян, а также выравненность 2 размерных характеристик сортов. В образцах полученной продукции определялась длина проростков, массовая доля сырья и сухой составляющей продукта.

Изучение новых сортов сои в качестве сырья при производстве соевых проростков показало, что различия изучаемых сортов амурской селекции по биохимическому составу семян были незначительны (табл. 2). При практически оди- наковой всхожести и интенсивности начального роста заметная разница в крупности семян не оказала существенного влияния на выход продукции. При этом самый высокий уровень выхода продукции отмечен у сорта Октябрь-70, который составил 288 %.

При исследовании сортов Дальневосточной селекции, выведенных во Всероссийском НИИ сои, ДальНИИСХе и ПримНИИСХе, отмечена разнокачественность соевого сырья по его биохимическому составу (табл. 2).

Таблица 2

Биохимические показатели семян сои Дальневосточных сортов ( М ± m; р <  0,05)

Сорт	Масса 1000 семян, г	Содержание				Уреазная активность	Энергетическая ценность, кДж/100 г
		белков	липидов	углеводов	минеральных веществ
Даурия	211	38,9	19,0	19,0	5,50	2,15	330
Гармония	177	37,0	18,1	18,9	6,15	2,14	335
Лидия	132	39,3	17,5	18,1	5,00	2,20	340
Салтус	191	37,5	19,5	19,0	5,80	2,50	332
Венера	190	38,0	15,0	19,1	6,20	2,40	330
Примор-ская-13	188	40,0	18,0	17,0	6,10	2,60	345
Октябрь-70	197	39,0	18,0	19,0	6,0	2,40	350

На основании проведенных исследований установлено, что данные сорта сои имеют высокую интенсивность прорастания, равную 0,08– 1,0 мм/ч. При этом изменение влажности зерна идет не равномерно. За первые четыре часа замачивания наблюдается резкое увеличение влажности с 12 до 60 %, а затем насыщение влагой замедляется. Оптимальная влажность для дальнейшего процесса проращивания достигается через 18–20 ч при температуре воды 16–18 °С.

Установлено, что за первые 48 ч проращивания насыпная объемная масса семян сои изменяется незначительно вследствие низкой интенсивности процесса прорастания, а далее заметно уменьшается. То же самое наблюдается и при изменении длины ростков.

На следующем этапе исследований определялись наиболее значимые факторы, влияющие на кинетику процесса проращивания семян сои, с целью получения математических моделей, адекватно описывающих данный процесс, и последующей оптимизации основных параметров исследуемого процесса.

В качестве критериев оптимизации параметров кинетики процесса проращивания семян приняты интенсивность роста – Δ М (отклик Y 1 ), содержание аскорбиновой кислоты в пророщенном зерне – Δ С (отклик Y 2 ).

В результате обработки априорной информации и поисковых исследований выделены факторы, оказывающие наибольшее влияние на исследуемый процесс. К таким факторам отнесены: эквивалентный диаметр семян сои _э , температура среды t °C и кратность полива К.

Обозначения и уровни варьирования факторов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Факторы и уровни их варьирования для сорта сои Октябрь-70

Уровень	Фактор
	( Х ) э , мм	( Х ) t, ° С	( Х ) К
Верхний уровень (+)	7,2	32	5
Основной уровень (0)	6,5	28	3
Нижний уровень (-)	5,8	24	1

После реализации эксперимента по матрице плана и получения критериев оптимизации проведена обработка результатов и построение математических моделей процесса.

Данные расчетов дисперсии откликов и проверка их однородности показали, что дисперсии откликов однородны, а, следовательно, можно считать, что влияние ошибок и случайных помех по всем точкам матрицы плана одинаковое, а дисперсии параллельных опытов сравнимы между собой.

Для обоснования оценки влияния факторов по данным эксперимента построены уравнения регрессии, которые после отсеивания незначимых коэффициентов в кодированной форме имеют следующий вид:

– для интенсивности роста

=6,381-0,163 ∙ 0,171∙ Х -

• -0,415∙ Х -0,113∙ Х Х ,

= 6,381-0,163 ∙ Х -

• -0,171∙ Х -0,415∙ Х -–0,113∙ Х Х +0,263∙ Х Х ,

• = 6,381 - 0,163 ∙ Х -0,171∙ Х -

• -0,415∙ Х -0,113∙ Х Х +

+ 0,263 ∙ Х Х -0,267∙ х -- 0,276 ∙ х -0,107∙ х → →     ;

– для содержания аскорбиновой кислоты

= 23,339-0,507 ∙ Х - 1,422∙ Х -

-4,526 ∙ Х -1,688∙ Х Х - 6,305 ∙ х -

• -4,612 ∙ х →     ․

Адекватность моделей подтверждается с вероятностью Р = 0,95 при коэффициентах корреляции = 0,977 и = 0,967 неравенством >     .

Данные по расчету F-критерия (критерия Фишера) приведены в таблице 4.

Перейдя от кодированных значений факторов ( Х ; Х ; Х ) к натуральным ( _э , t, K), получили зависимости показателей приращения массы ростков семян сои Δ и содержания аскорбиновой кислоты (С) в соевых проростках от основных технологических факторов.

В натуральной форме уравнения регрессии имеют следующий вид:

– для интенсивности роста

Δ  =-36,03+8,213∙ э +0,171∙ -

• -    0,551 ∙  –0,40 ∙ э ∙  +0,032∙  ∙-

  • -    0,563 ∙ э - 0,0172 ∙   -0,266∙→

→;

– для содержания аскорбиновой кислоты

Δ = -408,44+14,723∙ э+ +26,341∙  -9,180∙-

• -0,602 ∙ э ∙ + 0,394 ∙-

• -1,153 ∙    →․

Анализ частных коэффициентов корреляции показал, что наибольшее влияние на процесс оказывают эквивалентный диаметр зерна Д и температура.

После получения адекватных математических моделей процесса определялись координаты оптимума и изучались поверхности отклика (табл. 5).

На рисунках 1–6 представлены поверхности откликов =  ( Х ; Х ; Х )→     и сечения этих поверхностей.

Таблица 4

Критерий	а0		0-2	а3	а12	а23	а11	а22	азз	Заключение об адекватности
										F R	Fт
Yr	6,38	–0,16	0,17	0,41	–0,11	0,26	–0,26	–0,27	–0,11	12,23	3,58
y2	23,33	–1,50	1,42	4,52	–1,68	–	–	–6,30	–4,61	15,37	3,73

Таблица 5

Критерий	Х 1	Х 2	Х 3	у
Y 1 →max	–0,47	0,88	1,0	6,920
Y 2 →max	–1,0	0,25	0,49	26,339

Результаты регрессивного анализа ( Y_{t 2} = f( Х_} ; Х ₂; Х ₃) ^ тах)

Области экстремальных значений Y_{t 2} = f( Х_± ; Х ₂; Х ₃) ^ тах

Рис. 1. Поверхность отклика = ( Х = -0,8; Х ; Х )→

Рис. 2. Сечения поверхности отклика = ( Х = -0,8; Х ; Х )→

Рис. 3. Поверхность отклика =   ( Х ; Х = 0,42; Х )→

Рис. 4. Сечения поверхности отклика Y= = f( Х _± ; Х ₂ = 0,42; Х ₃) ^ тах

Рис. 5. Поверхность отклика Y= = f( Х _± = -0,8; Х ₂; Х ₃) ^ тхх

Рис. 6. Сечения поверхности отклика Y= = f( Х _± = -0,8; Х ₂; Х ₃) ^ max

Проведенный анализ и решение полученных уравнений регрессии позволили определить оптимальные значения параметров: _э =5,9 мм ;

= 29–30 ℃; =5․ При указанных выше значениях параметров интенсивность роста составляет 6,7 г на 100 г в час, а содержание ас- корбиновой кислоты – 24,934 мг/100 г за этот же промежуток времени.

На рисунке 7 представлена зависимость содержания аскорбиновой кислоты в соевых проростках от продолжительности проращивания _пр и доращивания _д .

Рис. 7. Зависимость содержания аскорбиновой кислоты в соевых проростках от продолжительности т _пр и доращивания т д

Данная зависимость аппроксимирована выражением следующего вида:

С =25,934-25,87∙е 0, 032т , где т= пр+тд – общее время получения ростков высокого качества.

Преобразование данного выражения при известных значениях С позволило установить кинетику биохимического процесса накопления аскорбиновой кислоты:

т = 100,621 - 30,929 ∙ ln(25,934 - С ) .

С целью установления зависимости изменения уреазной активности Δ pH от времени проращивания т _пр и времени доращивания т д проведены эксперименты, результаты которых представлены на рисунке 8.

Рис. 8. Зависимость изменения активности уреазы Δ рН от времени проращивания т пр и времени доращивания т _д семян сои

Данная зависимость аппроксимирована выражением следующего вида:

^pH = 2,2 • е°°,002т, где – продолжительность проращивания семян сои, ч.

Анализ данной зависимости показывает, что в процессе проращивания происходит мета-болизация ингибиторов трипсина. При этом ее интенсивность в значительной степени зависит от сорта сои.

В этой связи получена формула, позволяющая корректировать продолжительность проращивания _пр и доращивания _д в зависимости от сорта сои:

=2,3∙lg(Δ⁄Δ), где     – коэффициент, учитывающий интен сивность метаболизации ингибитора трипсина

Таблица 6

Зависимости содержания основных макро- и микроэлементов (К) от продолжительности проращивания семян сои ( т )

Катион	Зависимости содержания макро-и микроэлементов от продолжительности проращивания	Зависимости продолжительности проращивания семян сои от требуемого содержания макро- и микроэлементов
Нартий	=694,7-284,6∙ ,	=258,0-45,6∙ln(694,7-[  ])
Калий	=2902,9-897,9∙ ,	=359,0-52,8∙ln(2902,9-[ ])
Фосфор	=796,2-86,1∙ ,	=273,0-61,2∙ln(796,2-[ ])
Магний	=29,9-9,9∙ ,	=203,8-88,7∙ln(29,9-[   ])
Марганец	=8900,9-900,9∙ ,	=322,0-47,3∙ln(8900,9-[   ])
Кальций	=771,0-361,0∙ ,	=339,5-57,6∙ln(771,0-[  ])

Анализ данных зависимостей показывает, что в процессе проращивания семян сои со- держание данных макро- и микроэлементов увеличивается в 1,5–2,5 раза по сравнению с их содержанием в исходном сырье.

Выводы . Таким образом, обоснована кинетика биохимического процесса проращивания семян сои путем установления закономерностей и получения зависимостей, характеризующих процессы аккумуляции воды, аскорбиновой кислоты, а также минеральных веществ в проращиваемых семенах сои.

Результаты исследования положены в основу разработки новых способов приготовле-

(определяется экспериментально). Для сорта сои Октябрь-70     = 0,002;

Δ     – исходная активность уреазы в семенах сои, зависящая от сорта;

Δ    – допустимое значение активности уреазы.

Скорость метаболизации ингибитора трипсина в процессе проращивания и доращивания семян сои определили как

^т   ^^pH0 • ^пр • ^{е  п}? .

На основании проведенных исследований получены математические модели, характеризующие кинетику накопления макро- и микроэлементов при проращивании семян сои, которые представлены в виде математических зависимостей в таблице 6.

ния соевых продуктов повышенной биохимической ценности [3–6].