Механодеструкция и механолиз белков фасоли до свободных аминокислот при получении мелкодисперсных замороженных добавок

На сегодняшний день глобальной проблемой в мировой практике является дефицит полноценного белка в рационах питания населения. По статистическим данным, в Украине потребность в белках удовлетворяется всего на 50%. В связи с этим, при выполнении данной работы был проведен подбор нового сырья и инновационных технологических приемов производства белковых добавок и продуктов питания, обогащенных белком. В качестве сырья была выбрана фасоль. Она является важным источником полноценного белка, который не уступает по своей биологической ценности животному. Однако в настоящее время фасоль не нашла должного применения в пищевой промышленности Украины.

Патентный поиск показал, что ассортимент продуктов из фасоли ограничен и представлен несколькими видами консервированной продукции («Фасоль в томате», «Фасоль с грибами консервированная», «Фасоль консервированная обычная»), что касается белковых добавок из фасоли, то их практически не изготавливают. Трудности при переработке и употреблении фасоли связаны с тем, что белок фасоли состоит из высокомолекулярных белково-целлюлозно-минеральных комплексов (или ассоциатов), которые трудно усваиваются организмом человека (на 50…60%) и усложняют процесс получения однородной гомогенной массы при ее переработке [3].

Кроме того бобы фасоли имеют плотную оболочку, которая трудно поддается разрушению и измельчению. В связи с этим актуальным является подбор инновационных технологических приемов, которые позволят получить новые белковые наноструктуриро-ванные добавки из фасоли и белковые продукты на их основе с использованием новых технологических приёмов.

Известно, что в настоящее время одним из перспективных направлений развития науки, техники и технологий в международной практике является применение перспективных 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, которые ведутся на кафедре в рамках научных школ проф. Павлюк Р. Ю. и проф. Погарской В. В. при переработке различного растительного и молочного сырья [1,3]. На кафедре предложено использовать в качестве инноваций при переработке различного сырья мелкодисперсное измельчения в комплексе с замораживанием и без него, которое позволило получить мелкодисперсные добавки в форме пюре, замороженных паст, порошков высокого качества и со свойствами, которые невозможно получить с использованием традиционных методов переработки [2].

Работа проведена на кафедре технологий переработки плодов, овощей и молока в научно-исследовательской лаборатории «Инновационных, нано- и криотехнологий растительных добавок и оздоровительных продуктов» с использованием современного оборудования, которое есть на кафедре и которое только появилось на международном рынке и в элитных ресторанах (пароконвектомат, криогенные замораживатели, низкотемпературный измельчитель, гомогенизатор и др.).

Главным в работе при разработке рецептур, технологических схем раститель- ных добавок и оздоровительных продуктов было максимально сохранить все те ценные вещества, которые есть в растительном сырье и более полно их извлечь из него и полностью исключить при их производстве синтетические компоненты.

Цель работы – разработка технологии мелкодисперсного замороженного пюре из фасоли с использованием в качестве инновации паротермической обработки, замораживания и низкотемпературного измельчения, сопровождающиеся процессами механодеструкции, механоактивации, изучение их влияния на свойства белка, его деструктивные процессы, активацию и трансформацию связанных аминокислот в свободные, которые легко усваиваются живыми организмами.

Объекты и методы исследований

Объектом работы является технологический процесс переработки фасоли в замороженные мелкодисперсные нанострукту-рированные добавки с повышенным содержанием незаменимых аминокислот, которые могут использоваться в качестве основного сырья для приготовления бутербродных намазок, соусов-дипов, холодных закусок, фитоспредов, белковых продуктов для школьников и т.д. В работе были использованы общепринятые и специальные физикохимические, химические, спектроскопические, микроскопические, микробиологические методы исследований, а также метод ионообменной хроматографии и методы математической обработки экспериментальных данных с использованием компьютерных технологий.

Результаты и их обсуждения

Главным при разработке технологии мелкодисперсных замороженных добавок из фасоли с использованием процессов замораживания, механодеструкции и криодеструкции, было максимально разрушить ассоциаты или комплексы биополимеров «белок-целлюлоза-минеральные вещества» сырья, произвести механодеструкцию белков и перевести их в легкоусваиваемую форму (т.е. разрушить до отдельных аминокислот или простых пептидов), исключить использование синтетических компонентов, сохранить максимально биологически активные вещества (БАВ), получить стабильную структуру добавок, которые владеют свойствами структуро-образователей и загустителей [4].

В работе разработана инновационная технология получения наноструктурирован-ных добавок из фасоли в форме мелко- дисперсного замороженного пюре, которые могут использоваться в качестве основного компонента для приготовления бутербродных намазок, соусов-дипов, холодных закусок, фитоспредов, белковых продуктов для школьников и т. д. В качестве инновации при переработке фасоли использовали комплексный подход, который включает сочетание воздействия на сырье паротермической обработки, замораживания и низкотемпературного мелкодисперсного измельчения до размеров частиц продукта, который в десятки раз меньше, чем традиционные. Новая технология производства мелкодисперсного наноструктурированного пюре из фасоли позволяет получить принципиально новый белковый легкоусваиваемый натуральный продукт оздоровительного действия в нано-структурированной форме (рис. 1).

В разработанных добавках было определено содержание белка и его аминокислотный состав по свободным и связанным аминокислотам отдельно, а также рассчитан их аминокислотный скор [5]. Показано, что в полученных белковых наноструктурированных добавках содержание белка составляет 24…25%. Показано также, что после мелкодисперсного измельчения в добавке из фасоли 42…45% белка находится в форме свободных аминокислот и 55…58% осталось в связанном состоянии (табл. 1).

Рисунок 1 – Технологическая схема получения замороженного мелкодисперсного пюре из фасоли (ТУ У) с использованием замораживания и низкотемпературного мелкодисперсного измельчения

Таблица 1 – Влияние термообработки и мелкодисперсного измельчения при получении белковых наноструктурированных замороженных добавок из фасоли

Аминокислота	Массовая доля аминокислот
	в связанном состоянии				в свободном состоянии
	о i-Q к cd Щ o\ О Щ - О 3 5 et и У О Ч х £ •& S	2 к о В Ц о 3 о в 2 у в 5 g О ЕН ’в4 Е О m -о О S S 0s-О 8 ° S ° 2 m в в 8 “	о ® 2 х & S о	2" в В В и 2 > X S	& о й 2 3в ci и У О Ч Ki х Й -б4 S	О У Щ У S X о В 3 о ^■ а 5 а в « в 2 ч 2 m В О 2 S « о ’в4 т о	о ® 2 х & 2 В S о	2 о & 5 m В О д >> X и в
Аспарагиновая к-та	2,33	1,59	68,2	1,5	0,15	1,02	680,0	6,8
Триптофан	0,31	0,19	61,3	1,6	0,07	0,39	557,1	5,6
Треонин	0,70	0,50	71,4	1,4	0,30	0,90	300,0	3,0
Серин	0,70	0,55	78,6	1,3	0,30	0,75	250,0	2,5
Глицин	1,29	1,02	79,1	1,3	0,30	0,60	200,0	0,2
Аланин	1,17	0,92	78,6	1,1	0,30	0,65	216,0	2,2
Валин	1,44	1,13	78,5	1,2	0,44	0,75	170,5	1,7
Метионин	1,17	1,00	85,5	1,1	0,30	0,60	200,0	2,0
Изолейцин	1,04	0,82	78,8	1,0	0,15	0,60	400,0	4,0

Лейцин	1,44	1,28	88,9	1,1	0,30	0,78	260,0	2,6
Тирозин	0,88	0,81	92,5	1,1	0,51	0,63	123,5	1,2
Фенилаланин	1,19	0,62	52,1	1,9	0,19	1,07	563,2	5,6
Гистидин	0,33	0,13	39,4	2,5	0,15	0,45	300,0	3,0
Лизин	1,36	0,95	69,9	1,4	0,44	0,98	222,7	2,2
Аргинин	0,70	0,57	81,4	1,2	0,30	0,45	150,0	1,5
Глутаминовая к-та	1,86	1,18	63,4	1,6	0,36	0,86	238,9	2,4
Пролин	0,95	0,40	42,1	2,4	0,20	0,30	150,0	1,5
Цистин	0,32	0,20	62,5	1,6	0,06	0,14	233,3	2,3
∑	20,40	14,08	69,01	1,5	3,92	10,24	261,2	2,6

Выявлено, что при паротермической обработке, замораживании и тонкодисперсном измельчении происходит дезагрегация, деструкция и механолиз белка до отдельных аминокислот (42…45 %). Кроме того, показано, что количество свободных аминокислот увеличивается в 1,5…6,8 раз по сравнению с исход- ным сырьем (рис. 2). Это связано с трансформацией связанных аминокислот в свободные, которые гораздо лучше усваиваются живыми организмами. То есть, впервые был обнаружен эффект механодеструкции, активации и механолиза биополимеров белка в свободные аминокислоты.

Рисунок 2 – Влияние процессов низкотемпературной деструкции, механоактивации и термообработки на трансформацию аминокислот из связанного состояния в свободное при получении наноструктурированных замороженных добавок из фасоли, где 1 - исходное сырье (высушенная фасоль), 2 - фасоль после термообработки и грубодисперсного измельчения, 3 - пюре из фасоли замороженное мелкоизмельченное

Полноценность белка полученных белковых добавок определена с помощью расчёта аминокислотного скора, который приведен в таблице 2.

Таблица 2 – Содержание незаменимых аминокислот и величины аминокислотного скора по сравнению со шкалой ФАО/ВОЗ в белке свежей фасоли, фасоли после термообработки, грубодисперсного измельчения и замороженного тонкоизмельченного пюре из фасоли

Аминокислота	О cd d 5 е -cd И § ь У 2 3	й Я Ц О U и и В и S Л и У § S я О °	У хО о ох У 8 О cd о *	” щ S S к к « У О S § § m 5 ей     К S " § о О   Щ У р В о Ю	и о ° « ё м g Й в я § В я S у Ом в g ц s у о 9 S § о g 8 о § о Я я ей У & В " В 2 §   Я я
Содержание белка, %		24,32
Незаменимые аминокислоты
Триптофан	10	15,6	156,0	23,8	238,5
Лизин	55	74,0	134,6	79,4	144,3
Треонин	40	41,1	102,8	57,6	143,9
Валин	50	77,3	154,6	77,3	154,6
Метионин	35	60,4	172,7	65,8	187,9
Изолейцин	40	48,9	122,3	58,4	145,9
Лейцин	70	71,6	102,2	84,7	121,0
Фенилаланин + тирозин	60	105,7	176,1	128,7	214,5
Всего:			1121,3		1350,6

Установлено, что белок добавок из фасоли является полноценным по своему составу и по содержанию всех незаменимых аминокислот значительно превышает «идеальный» белок в 1,2…2,4 раза.

Определение качества новых белковых мелкоизмельченных добавок из фасоли было дополнено использованием спектроскопии-ческого анализа (рис. 3). При сравнение ИК-спектров грубоизмельченной и мелкоизмель-ченной фасоли наблюдается уменьшение интенсивности спектров при частоте υ = 3650...3000 см-1, характерной для валентных колебаний функ-циональных групп -ОН, что свидетельствует о разрушении межмолекуляр- ных и внутримолекулярных водородных связей и увеличении интенсивности при частоте υ = 2920...2850 см-1, υ = 2500...2000 см-1, υ = 1620 см-1, характерных соответственно для валентных колебаний групп СН3, NH2, NH3, CO-, α-аминокислот, а также ненасыщенных двойных связей. Это свидетельствует об увеличении после механического воздействия массовой доли и о переходе низкомолекулярных биологически активных веществ из связанного с биополимерами состояния в свободное, а также о трансформации части биополимеров (белка) в их мономеры (α-аминокислоты).

Волновое число, см-1

Волновое число, см-1
OH	NH	CH	S-H	C=O
3645…2500	3500…3300	3350…2850	2600…2550	1750…1720
Волновое число, см-1
C-O-	COOH	S=S	C=N	CH 3
1300…1000	1750…1700	550…450	1230…1030	1470…1355

Рисунок 3 – Сравнение ИК-спектров фасоли грубоизмельченной (1) и мелкодисперно измельченной (2)

Выводы

Таким образом, на основе экспериментальных исследований разработана безотходная технология замороженных мелкодисперсных добавок из фасоли, которая отличается от традиционных использованием замораживания пюреобразного полуфабриката из фасоли, который прошел паротермическую обработку и грубодисперсное измельчение, и применением мелкодисперсного низкотемпературного измельчения при температуре не выше -10ºС до размеров частиц, которые в несколько раз меньше, чем в традиционных добавках в форме пюре (вместе с оболочкой, без отходов), а также включает фасование, замораживание до -18ºС и холодильное хранение при температуре -18ºС. Установлено, что при паротермической обработке, замораживании и мелкодисперсном измельчении фасоли происходит дезагрегация, механодеструкция и механолиз белка до отдельных свободных аминокислот (42…45%). Кроме того, показано, что количество свободных аминокислот увеличивается в 1,5…6,8 раз, что связано с трансформацией связанных аминокислот белка фасоли в свободные, которые гораздо лучше усваиваются живыми организмами. То есть, впервые был обнаружен эффект механодеструкции, механоактивации и механолиза (разрушения) биополимеров белка фасоли в свободные аминокислоты в результате механокрекинга.

Экспериментально определены и обоснованы рациональные технологические параметры технологии, разработана и утверждена НД (ТУ У 10.3-01566330-283:2013

«Пюре из овощей и грибов замороженные мелкодисперсные»), проведена апробация в производственных условиях на НПФ «ФИПАР», НПП «Криас-1», ТОВ «ХПК».