Криомеханическая переработка грибов шампиньонов в наноструктурированное пюре с рекордными характеристиками

В настоящее время наблюдается ухудшение экологической ситуации в стране и в мире, а также конкуренция на рынке продуктов питания, что приводит к необходимости не только совершенствования существующих технологий получения традиционных продуктов питания, но и к созданию нового поколения пищевых продуктов. К числу таких продуктов относятся продукты со сбалансированным химическим составом, низкой калорийностью, а также продукты функционального назначения с применением для обогащения добавок из нетрадиционного растительного сырья в форме порошков, пюре, паст, концентратов, экстрактов с высоким содержанием биологически активных веществ. За годы независимости в Украине произошло существенное ухудшение структуры рационов питания населения. Уменьшилось потребление основных пищевых веществ, в том числе белков (с 110 г/сутки в 1990 г. до 55 г/сутки в 2010 г.) [1].

В настоящее время одним из перспективных методов переработки пищевого сырья является применение прогрессивных методов измельчения, приводящих к процессам механодеструкции, в том числе криодеструкции и механоактивации, которые особенно проявляются при увеличении степени дисперсности измельченных материалов, в результате чего продукт приобретает новые свойства и находится в наноразмерной легкоусвояемой форме. В настоящее время мелкодисперсное (или тонкодисперсное) измельчение (а это всего несколько микрометров) нашло широкое применение в химической, текстильной, металлургической, авиационной, строительной и других промышленностях. В пищевой промышленности эти процессы практически не изучены, за исключением научно-исследовательских работ научных школ проф. Павлюк Р.Ю. и проф. Погарской В.В. при переработке различного растительного и молочного сырья.

В настоящее время в международной практике в пищевой промышленности стоит проблема разработки высоких технологий, в том числе нанотехнологий, что позволит сделать процесс обработки пищевых продуктов более эффективным (с высоким сохранением биологически активных и питательных веществ), увеличить извлечение целевых компонентов, ввести ресурсосберегающие процессы, безотходные технологии и получить продукт с новыми свойствами. Это в полной мере относится и к технологии переработки грибов.

Объекты и методы исследований

Целью работы является разработка инновационной криогенной технологии получения наноструктурированного пюре из грибов шампиньонов с применением жидкого и газообразного азота и изучение его аминокислотного состава при замораживании и мелкодисперсном измельчении.

Проведенный анализ принятых в международной практике современных технологий переработки грибного сырья показал, что в Украине эти технологии отсутствуют. Не изучено также их влияние на изменение белков, БАВ при переработке грибов.

Результаты и их обсуждение

Важным источником полноценного белка, который не уступает по питательности животному, являются грибы шампиньоны. Однако, известно, что при переработке и потреблении грибов есть трудности, которые связаны с тем, что белок находится в связанной форме с хитином, глюканами и минеральными солями, которые препятствуют всасыванию белка организмом человека.

В связи с этим, актуальным является поиск таких технологических приемов переработки грибов, которые позволят разрушить белок и превратить его в легко усваиваемую форму, тем самым улучшить качество, усвояемость и ассортимент белковых продуктов.

В ХГУПТ на кафедре технологий переработки плодов, овощей и молока разработана технология замороженного мелкодисперсного наноструктурированного пюре из грибов шампиньонов, которая от традиционных отличается использованием криодеструкции и механоактивации до размера частиц продукта порядка нескольких микрометров и механодеструкции нанокомплексов БАВ-биополимеров, их трансформация в низкомолекулярные вещества в мономеры-аминокислоты, которые находятся в свободном состоянии с размером молекул около нанометра. Полученное замороженное наноструктурированное пюре имеет принципиально новые свойства, отличается в 1,5-2,5 раза выше, чем в свежих грибах, содержанием низкомолекулярных БАВ в свободном состоянии, а также более полным извлечением белков из сложных нанокомплексов белки-полисахариды-хитин-минеральные вещества и т.п., т.е. из связанного состояния с другими биополимерами в растительной клетке в свободное состояние, чем и обьясняется слабое усвоение организмом человека составляющих белков грибов шампиньонов.

Исследования проводились на базе научно-исследовательской лаборатории «Инновационных крио- и нанотехнологий растительных добавок и оздоровительных продуктов» кафедры технологий переработки плодов, овощей и молока ХГУПТ. Заморажива-ние грибов шампиньонов проводили на криогенно -программном замораживатели «КПЗ», который разработан и изготовлен вместе со специалистами Харьковского национального аэрокосмического университета «ХАИ» и специалистами кафедры технологий переработки плодов, овощей и молока ХГУПТ. Измельчение замороженного сырья осущест-вляяли на низкотемпературном измельчителе при температуре - 10º С. В работе установлены оптимальные режимы замораживания и низкотемпературной обработки, позволяющие инактивировать окислительные ферменты и увеличить содержание БАВ в пюре по сравнению с исходным сырьем. Характеристика БАВ в замороженном мелкодисперсном пюре из грибов шампиньонов по сравнению со свежим сырьем приведена в табл.1.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика содержания БАВ в свежих грибах шампиньонах и в наноструктурированном пюре из них (на сухое вещество)

Продукт	Массовая доля
	фенольных веществ (по рутину)		ароматических веществ (по числу аромата)		L-аскорбиновой к-ты
	мг в 100 г до СB	% к исходному сырью	мл Na 2 S 2 O 3 в 100 г до СВ	% к исходному сырью	мг в 100 г до СВ	% к исходному сырью
Грибы шампиньоны свежие	2941,2	100	264,7	100	157,4	100
Замороженное мелкодисперсное наноструктурированн ое пюре из грибов шампиньонов	5026,5	170,9	672,2	253,9	237,0	150,6

Показано, что в условиях «шоковой» заморозки и низкотемпературного измельчения сырья, которые сопровождаются процессами криодеструкции и механоактивации, происходит более полное извлечение БАВ из связанного с биополимеры состояния в свободное. Увеличение составляет в зависимости от вида БАВ от 1,5 до 2,5 раз относительно исходного свежего сырья. Кроме того, полученное по инновационной технологии наноструктурированное пюре имеют принципиально новые потребительские свойства и высокое содержание БАВ.

Механизм увеличения извлечения низкомолекулярных БАВ из клеток и перехода их из связанного с биополимерами состояния в свободное связан с тем, что при быстром замораживании и низкотемператур- ном измельчении внутри клеток образуются мелкие кристаллы льда, разрушающие межмолекулярные водородные связи между низкомолекулярными БАВ и биополимерами и количество БАВ в свободном состоянии увеличивается [2].

В работе получено замороженное мелкодисперсное пюре из грибов шампиньонов с высоким содержанием БАВ. При этом установлено, что при мелкодисперсном низкотемпературном измельчении грибов шампиньонов происходит деструкция белокхитинминеральних комплексов, механическое разрушение (механолиз) белков, часть белка трансформируется в легко растворимую форму - в свободные аминокислоты, которые легко усваиваются организмом человека (рис. 1, табл. 2).

Таблица 2 - Влияние криогенного измельчения на деструкцию белокхитинового комплекса грибов шампиньонов и механолиз белка до свободных аминокислот при получении мелкодисперсного пюре

Название аминокислоты	Аминокислоты белков (в связанном состоянии)				Аминокислоты (в свободном состоянии)			н о м S Ч о О 2 м Р §! -s ® S Й ~ 1 О У у ° 2, S § § Soy, ало 2 я cd
	X В л Л ^ В § Ут г СО О Ри X S CQ	Р 8 к о g a g я 5'2 о 3 ” | й м щ О О Й & Я	Во” Л 8 g 2' о о м 2 5 5 В о О 5 н g 5 о о о о о g м в в 8 8 о У я в И о " 8 0 8^8 т т о о . о о О л я ^ я S | & S 5 н d и Я 5 х х 5 у 2 8 В О Я В О 8 В Ц ® 5 й i О g ” s	3 а X s я В et Я О ю о О X т 3 и щ я в я cd	в Я tH в § Ут bQ г со О ри X S CQ	X 2 S к о я Во ® 5 о 3 т | « м щ О N g 1 О g & Я	о ^ § о 5 о в 8 в л в 5 й 5» g » у о 2 о в § 5 и 5 g Й S в 2 в л 5 Я 5 и s 2. cd U о
Аспараг. к-та	1,14	1,61	140	1,4	0,22	0,76	3,5	47,2
Треонин	0,48	0,54	112	1,1	0,06	0,36	6,0	66,7
Серин	0,52	0,73	140	1,4	0,05	0,45	9,0	61,6
Глутам. к-та	1,34	1,86	138	1,4	0,56	1,86	3,3	100
Пролин	0,42	0,58	138	1,4	0,33	0,68	2,1	117,2
Глицин	0,57	0,74	130	1,3	0,04	0,25	6,3	33,8
Аланин	0,52	0,70	135	1,4	0,05	0,55	11,0	78,6
Цистеин	0,06	0,08	133	1,3	0,06	0,09	1,5	112,5
Валин	0,54	0,68	125	1,3	0,05	0,51	10,2	75
Метионин	0,32	0,96	300	3,0	0,07	0,66	9,4	68,8
Изолейцин	0,47	0,80	170	1,7	0,06	0,86	14,3	107,5
Лейцин	0,72	1,33	185	1,9	0,27	0,87	3,2	65,4
Тирозин	0,48	0,62	129	1,3	0,09	0,24	2,7	38,7
Фенилаланин	0,42	0,71	169	1,7	0,04	0,38	9,5	53,5
Гистидин	0,33	1,04	315	3,2	0,43	0,74	1,7	71,2
Лизин	1,24	1,52	122	1,2	0,56	0,83	1,5	54,6
Аргинин	0,32	0,91	284	2,8	0,08	0,53	6,6	58,2
Триптофан	0,25	0,55	220	2,2	0,14	0,54	3,9	98,2
Сумма	10,14	15,96	-	-	3,16	11,16	-	72,7
Среднее значение	-	-	171,4	1,7	-	-	5,9	-

Связанные аминокислоты

Свободные аминокислоты

Рисунок 1 - Влияние криогенного измельчения на трансформацию связанных аминокислот в свободные при криогенном замораживании и криоизмельчении грибов шампиньонов, где 1 – исходные грибы шампиньоны; 2- мелкодисперсное пюре с грибов шампиньонов после криогенного измельчения

Впервые обнаружено, что использование механоактивации при криогенном механическом измельчении грибов шампиньонов в мелкодисперсное пюре приводит к криодеструкции и механолизу белков грибов до их мономеров - свободных аминокислот на 70 ... 75%, то есть белок трансформируется (модифицируется) в наноструктурированную форму, которая на 2/3 состоит из свободных аминокислот и значительно лучше растворяется и усваивается организмом человека.

Известно, что размер молекулы мономера протеинов аминокислот составляет около одного нанометра. Таким образом, криомеханоактивация за счет криомеханодеструкции приводит к значительным изменениям структуры белковой глобулы и билокхитинових комплексов, потери их нативной конформации и их формированию в отдельные свободные аминокислоты, увеличивает их растворимость в воде и обеспечивает высокую усвояемость живыми организмами [3]. Показано также, что при криогенном измельчении разрушается протеин-хитиновые комплексы, из которых дополнительно высвобождается 65,0 ... 73,0% связанных аминокислот. Так, например, в исходных грибах массовая доля связанных аминокислот составляет 10,14%, а после криогенного измельчения – 15,96% (табл. 2). Также обнаружено, что увеличение количества отдельных аминокислот колебалось в 1,3 ... 3,2 раза по отношению к исходным грибам (рис. 1).

Разная степень образования разного количества аминокислот при криогенном измельчении, на наш взгляд, связана со спецификой аминокислотного состава белков.

Механизм этого процесса связан, на наш взгляд, с тем, что белковые вещества в сырье (грибах шампиньонах) находятся в трудно растворимых и трудно усваиваемых организмом человека комплексах с хитином и полисахаридами, а также солями (чаще всего солями кремния, кальция, магния и др.). Криогенное измельчение разрушает эти комплексы, высвобождает белок из них и способствует их активации и механолизу белка до отдельных аминокислот. Впервые установлено, что во время криогенного измельчения происходит дезагрегации и деструкция труднорастворимых билокхитинминеральних комплексов, механическое разрушение белков до свободных аминокислот [4]. Увеличение свободных аминокислот происходит в 1,5 ... 10 раз по отношению к исходному сырью, то есть часть связанных аминокислот трансформируется в свободные аминокислоты, которые легко усваиваются организмом человека (табл. 2 , рис. 1).

Механизм этого процесса связан с тем, что при криогенном механическом измельчении возникают критические энергетические напряжения, которые приводят к механокрекингу, деструкции и механолизу билокхитино-вого комплекса, которые приводят к разрушению последних и более полному извлечению белка из комплексов с хитином и его механолизу по месту пептидных, водородных связей в комплексах и др. Происходит разрушение макромолекул белков и уменьшение их молекулярной массы. Пюре из грибов шампиньонов после механического измельчения, которое сопровождается процессами механоактивации, имеет качественно новый химический состав и высокую растворимость, приобретает новые свойства и значительно лучше усваиваются белки организмом человека [5].

Вывод

Таким образом, разработана инновационная криогенная технология получения нано- структурированного пюре из грибов шампиньонов, которое по химическому составу, а именно по содержанию низкомолекулярных БАВ, превышает исходное сырье (свежие грибы шампиньоны) в 1,5…2,5 раза. Нанострук-турированное пюре из грибов шампиньонов имеет размер частиц в десятки раз меньше размера частиц традиционного пюре. Кроме того, оно имеет принципиально новые потребительские свойства по сравнению со свежим сырьем. Установлено, что при криогенном измельчении грибов происходит разрушение белокхитинових комплексов, высвобождение белка из комплексов (на 70 ... 75% выше чем в исходном сырье). Конечным результатом работы является то, что разработана и утверждена нормативная документация на «Пюре с овощей и грибов замороженные мелкодисперсные» (ТУ У 10.3-01566330-283:2013) и проведена апробация в промышленных условиях на предприятиях г. Харькова: НПФ «КРИАС ПЛЮС», НПФ «ФИПАР».