Подсолнечник и использование его в безотходной технологии переработки с целью производства продуктов лечебно-профилактического и детского питания

Задача обеспечения населения высококачественными белками является самой актуальной в нынешнем тысячелетии. Дефицит белка у населения России составляет приблизительно 25%. Ликвидировать его можно за счёт увеличения потребления как животного, так и растительного белка. Соевый белок традиционно занимает первое место среди белков растительного происхождения, при этом он представлен на рынке в большом ассортименте – от соевой муки и текстурированных продуктов до продуктов глубокой переработки, изолятов и концентратов [1].

В качестве альтернативы соевому белку в России можно использовать белок подсолнечника, поскольку эта культура занимает особое место в российском агропромышленном комплексе. Белки семян подсолнечника имеют высокую пищевую ценность [2]. Присутствующие в семенах подсолнечника фенольные соединения (о-дифенолы – продукты изменения коричной кислоты) могут при окислении превращаться в хиноны под воздействием кислорода воздуха. Среди этих веществ наибольшее значение имеют хлорогеновая и кофейная кислоты [3–5]. Эти соединения важны для физиологии растений, защищая их от воздействия неблагоприятных факторов, а также полезны для профилактики ряда заболеваний человека благодаря выраженным антиоксидантным свойствам. В то же время присутствие данных кислот в семенах подсолнечника усложняет ведение технологического процесса извлечения белков. В связи с этим актуальными являются исследования по селекции сортов подсолнечника со сниженным содержанием фенольных соединений и повышенным содержанием белка, предназначенных для производства белковых концентратов высокого качества [6, 19]. При этом требуется тщательное изучение физико-химических и биохимических характеристик высокоурожайных сортов подсолнечника, выведенных в последние десятилетия российскими селекционерами, а также оценка влияния ряда факторов (особенности сорта подсолнечника, погодные условия, период вегетации, срок хранения семян и другие) на основные показатели и биохимический состав семян [3]. Так установлено, что увеличение густоты стояния растений крупноплодных сортов с 20 тыс. растений на гектар до 50 тыс. приводит к снижению крупносемянной фракции семян в среднем на 60-65%, масса 1000 семян снижается на 15,5%, урожайность ядер – на 58,7% [7, 8]. Особенности сорта и внешние условия влияют также на содержание в семенах хлорогеновой кислоты, составляющей 43–73% от суммы фенольных соединений [9, 20].

В последние десятилетия проводятся многочисленные исследования по совершенствованию технологии получения пищевого шрота и белковых форм подсолнечника. Украинский научно-исследовательский институт масел и жиров разработал технологию получения пищевого шрота из ядра семян подсолнечника, особенностью которой является прессование ядра методом плющения и последующая экстракция этанолом.

ООО «Спецэлеватормельмаш» предлагает внедрять технологию получения белкового концентрата подсолнечника, включающую калибровку семян по размерам, обрушивание крупных семян, холодное прессование при температуре не выше 50 ℃ с получением белого лепестка и масла первого отжима, и экстракцию лепестка с получением белкового концентрата. В лаборатории Кубанского государственного технического университета предложен инновационный способ экструдирования ядра подсолнечника с целью подготовки его к экстракции биоэтанолом [10].

Во ВНИИМК (Всероссийский научноисследовательский институт масличных культур имени В.С. Пустовойта) изучен белковый комплекс семян новых сортов подсолнечника: СУР, Фаворит, Лакомка, Бородинский, Мастер, Круиз, выращенного в 2002 году на опытных полях института. Результаты исследований свидетельствуют, что наибольшее количество общего азота обнаружено в семенах сорта Круиз, наименьшее – в семенах сорта СУР. Особый интерес при изучении белкового комплекса представляет соотношение альбуминов, глобулинов и глютелинов. Основная часть белка в исследуемых сортах представлена глобулинами и глютелинами, количество альбуминов незначительно [11].

В Кубанском государственном аграрном университете имени И.Т. Трубилина рассмотрена возможность улучшения процесса выделения белковых фракций из семян масличных культур путем совершенствования параметров работы установки РФ-1. Это достигается за счёт использования безреагентного «сухого» концентрирования белков семян подсолнечника и продуктов их переработки, а также получение на их основе пищевых белковых продуктов с повышенной биологической ценностью. Для совершенствования процесса разработана механизированная установка РФ-1, разделяющая массу перемолотых очищенных семян по содержанию белка на фракции [12].

Проведены исследования по изучению влияния способа подготовки семян подсолнечника на извлечение масла из семян с целью получения шрота, содержащего не более 1 % растительных жиров Для увеличения выхода масла с единицы сырья экстракции подвергали дробленые нешелушеные семена. При экстракции масла гексаном выход масла достигает 600 кг на 1 т сырья и позволяет обеспечить практически полное извлечение жиров из масличного сырья [13, 14].

Изучено влияние активной кислотности и внесения NaCl на повышение общей экстраги-руемости белка. Оптимальными критериями были выход экстрагируемого белка (общие белки, гелиантинин и альбумины), повышение концентрации хлорогеновой кислоты, ковалентно связанной с белками, и снижение концентрация свободной хлорогеновой кислоты в водном экстракте. Показано, что оптимальными условиями экстракции являются значения рН 7,3 при концентрации NaCl 0,3 моль/л, при которых достигается максимальный выход общего белка, альбумина и хлорогеновых кислот, ковалентно связанных с гелиантинином и альбуминами, и минимальная концентрация свободной хлорогеновой кислоты. Изолят белка подсолнечника, полученный в данных условиях обладал хорошей растворимостью (40-80% при рН 5-8), необходимыми функциональными свойствами (пенообразование и эмульгирование) и удовлетворительным цветом [15].

Во ВНИИЖиров проводятся многолетние исследования по разработке технологии получения белков из подсолнечного шрота. Изучен количественный баланс и качественные характеристики продуктов фракционирования промышленных образцов подсолнечного шрота и жмыха, полученных механическим способом по разработанной технологической схеме, по показателям содержания сухих веществ, протеина и клетчатки. В лабораторных условиях выработан концентрат подсолнечного белка с содержанием протеина 81,7% на абсолютно сухое вещество и проведено исследование его функциональных характеристик в сравнении с промышленными образцами подсолнечных и соевых белковых продуктов. Полученные образцы подсолнечных белков уступают по функциональным свойствам соевым белкам [16–18].

Материалы и методы

Водоудерживающая способность определялась по модифицированному методу Sosulski, Cereal Chem. 39, 344 (1962).

Жироудерживающая способность определялась по модифицированному методу Liv. Humbert, Sosulski, J. Food Sci.39, 368–370 (1974)

Жироэмульгирующая способность определялась по модифицированному методу Swift, Lockert C., J. Food Technol.15.468 (1961).

Аминокислотный состав определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Витаминный состав определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии и флуориметрическим методом.

Минеральный состав определяли по стандартным методикам.

Массовая доля влаги по ГОСТ 15113.4.

Массовая доля белка по ГОСТ Р ИСО 16634–1.

Фракционный состав белка (массовая доля водорастворимых, солерастворимых и щёлочерастворимых протеинов) определяли по методам ВНИИЖиров.

Результаты и обсуждение

В настоящее время во ВНИИЖиров совместно с ВИР проводятся исследования по подбору сортов подсолнечника, применяемого в качестве сырья для производства ядра семян, высококачественного шрота и белкового изолята подсолнечника, которые, в свою очередь, служат сырьём в рецептурах и технологиях продуктов лечебно-профилактического и детского питания. К семенам подсолнечника данного назначения предъявляются особые требования, среди которых, в первую очередь, следует отметить следующие:  достаточно высокое содержание белка на уровне 28–30% в пересчёте на абсолютно сухое вещество (а.с.в.); повышенная биологическая ценность, в т. ч. сбалансированный жирнокислотный и аминокислотный состав; соответствие показателей безопасности нормативам технических регламентов.

В таблице 1 приводятся основные характеристики исследуемых семян (весовые показатели приведены на 1000 семян), а в таблице 2 – основные физико-химические показатели. Передовик-сорт масличного направления использования, в данной работе является стандартом.

Из данных таблицы 1 видно, что максимальный показатель вес 1000 семян выявлен для сортов (в порядке убывания) Баяны, торговая смесь «Пятёрочка», Гамбит, Аналогичный минимальный показатель (88–97г) – у сортов Передовик и Баловень. Максимальная доля веса ядра – у стародавнего сорта народной селекции Пузанок (89%) и Передовик (77%). Средние значения этого показателя (67–69%) характерны для сортов Мартин Классик, Баловень, торговая смесь «Пятёрочка» и Баяны. Минимальное содержание ядра (46–53%) – у сорта Гамбит и у сорта Кондитерский (СПК плюс).

Таблица 1.

Характеристики семян подсолнечника (на 1000 семян) из коллекции ВИР и торговой смеси (магазин «Пятёрочка»)

Table 1.

Characteristics of sunflower seeds (per 1000 seeds) from the VIR collection and commercial mix (Pyaterochka store)

Название Name of the variety	Происхождение Origin of the variety	Год сбора семян Year of seed harvest	Место репродукции Place of cultivation	fi m У GO	8 "N	& s ^ tt £	W) S'! и	1 8 ^ ^
Пузанок Puzanok	Краснодарский край Krasnodar Krai	2017	г. Геленджик	128,4	41,8	10,6	86,6	89,4
Передовик | Peredovik	ВНИИМК | VNIIMK	2016	КОС ВИР | KOS VIR	88,8	20,1	22,6	68,1	77,4
Кондитер | Konditer	ВНИИМК | VNIIMK	2019	ВНИИМК | VNIIMK	136,7	40,2	29,4	96,3	70,6
Мартин Классик Martin Klassik	Краснодарский край Krasnodar Krai	2018	Краснодарский край Krasnodar Krai	142,2	43,9	30,9	98,1	69,1
Баловень Baloven	Сибирская опытная станция Siberian Experimental Station	2013	Сибирская опытная станция Siberian Experimental Station	96,6	30,7	31,8	62,9	68,2
Гамбит Gambit	Краснодарский край Krasnodar Krai	2018	Краснодарский край Krasnodar Krai	144,9	68,8	47,5	72,3	52,5
Баяны Bayany	Краснодарский край Krasnodar Krai	2017	г. Геленджик Gelendzhik	163,9	54,1	33,0	109,2	67,0
Кондитерский (СПК плюс) Konditerskij (SPK plyus)	ВНИИМК VNIIMK	2019	ВНИИМК VNIIMK	137,9	74,1	53,7	63,8	46,3
Смесь торговая Commercial mix	Магазин Пятёрочка Pyaterochka store	2021	–	163,0	52,8	32,4	110,2	67,6

Таблица 2.

Физико-химические показатели семян подсолнечника из коллекции ВИР и торговой смеси (магазин «Пятёрочка»)

Table 2.

Physico-chemical characteristics of sunflower seeds from the VIR collection and commercial mix (Pyaterochka store)

Название Name	Массовая доля влаги, % Humidity, %	Массовая доля сырого протеина на а.с.в.% Protein content per dry substance, %	Массовая доля жира на а.с.в., % Oil content per dry substance, %
Пузанок | Puzanok	4,19	28,67	55,24
Передовик | Peredovik	4,05	28,98	54,89
Кондитер | Konditer	3,77	25,29	55,09
Мартин Классик Martin Klassik	4,06	29,22	54,10
Баловень | Baloven'	3,37	27,05	60,71
Гамбит | Gambit	4,03	27,13	50,24
Баяны | Bayany	4,13	27,88	53,84
Кондитерский (СПК плюс) Konditer-skij (SPK plyus)	4,37	30,91	52,75
Смесь торговая | Commercial mix	4,36	27,65	51,30

Анализ данных исследований физикохимических показателей (таблицу 2) показывает, что все образцы семян, кроме сорта «Кондитер», содержат не менее 27% белка на абсолютно сухое вещество (а.с.в.). Самое высокое содержание белка (около 29–31%) выявлено у семян следующих сортов (в порядке убывания): Кондитерский (СПК плюс), Мартин Классик, Пузанок и Передовик. Минимальное содержание белка (около 27%) у сортов Баловень и Гамбит. Самая высокая масличность (массовая доля жира на а.с.в.) (около 55–60%) характерна для сортов (в порядке убывания): Баловень, Пузанок, Кондитер. Самая низкая масличность (50%) – у сорта Гамбит.

С учётом массовой доли ядра, показателя массы 1000 семян и содержания белка в семенах подсолнечника приоритет при выборе сырья для производства белковых форм продуктов для лечебно-профилактического и детского питания следует отдать следующим сортам из коллекции ВИР: Мартин Классик, Пузанок и Кондитерский (СПК плюс). Возможно также использование сорта «Передовик», хотя при высоком содержании ядра и белка у этого сорта низкие значения показателя массы 1000 семян (88,8 г).

Были выработаны опытные партии подсолнечного шрота и концентрата подсолнечного белка из семян отобранных сортов и проведены исследования ряда показателей данных продуктов: аминокислотный, минеральный и витаминный состав, фракционный состав и функциональные свойства белкового подсолнечного концентрата.

В таблице 3 приведены сравнительные данные по аминокислотному составу выработанного белкового подсолнечного концентрата, семян подсолнечника (производственная смесь), шрота подсолнечника и эталона согласно шкале ФАО ВОЗ.

Анализ данных таблицы 3 показывает, что лимитирующими аминокислотами в семенах подсолнечника, шроте и концентрате являются лизин, валин, треонин, лейцин и серосодержащие

(метионин + цистин). Для белкового концентрата подсолнечника аминокислотный скор незаменимых аминокислот в порядке возрастания составил 37% для лизина, 70% – для валина и треонина, 74% – для лейцина, 91% – для суммы метионин + цистин.

Результаты анализа аминокислотного состава семян крупноплодных сортов подсолнечника, полученные в наших исследованиях, сравнимы с данными сотрудников ВНИИМК [21].

В таблице 4 приведены данные исследований витаминного и минерального состава семян подсолнечника, шрота и белкового концентрата подсолнечника.

Таблица 3.

Сравнительный аминокислотный состав семян подсолнечника, шрота и белкового концентрата подсолнечника

Table 3.

Comparative amino acid composition of sunflower seeds, meal and sunflower protein concentrate

Аминокислота Amino acid	Содержание, г/100 г. Белка | Content, g/100 g protein
	Семена Seeds	Шрот Sunflower meal	Белковый концентрат Protein concentrate	эталон (шкала ФАО ВОЗ) amino acid standard (FAO WHO scale)
Глутаминовая кислота + глутамин Glutamic acid + glutamine	18,46	17,12	16,2	–
Серин | Serin	3,83	3,62	3,3
Аланин | Alanin	4,14	4,33	3,2
Аспарагиновая кислота + аспарагин Aspartic acid + asparagine	8,16	7,65	7,2
Гидроксипролин | Hydroxyproline	–	–	–
Пролин | Proline	5,22	4,13	3,3
Метионин | Methionine	2,50		2,0	3,5 (метионин + цистин) methionine + cystine
Цистин | Cystine	1,91	1,67	1,2
Глицин | Glycine	4,97	4,21	3,5	–
Тирозин | Tyrosine	2,63	2,36	1,99
Аргинин | Arginine	8,14	7,78	5,6
Валин | Valin	4,69	4,87	3,5	5,0
Фенилаланин | Phenylalanine	4,58	4,34	3,8	2,8
Треонин | Threonine	4,36	–	2,8	4,0
Триптофан | Tryptophan	1,65	–	1,1	1,0
Лейцин | Leucine	6,00	5,64	5,2	7
Лизин | Lysine	3,43	3,34	2,7	5,5
Гистидин | Histidine	2,53	2,11	1,9	–

Таблица 4.

Витаминный и минеральный состав семян подсолнечника, шрота и белкового концентрата подсолнечника Table 4.

Vitamin and mineral composition of sunflower seeds, sunflower meal and protein concentrate

Nutrient	Содержание в мг на 100 г | Content, mg per 100 g
	Семена | Seeds	Шрот | Sunflower meal	Белковый концентрат | Protein concentrate
Витамин А (каротин в пересчёте на вит.А) Vitamin A (carotene in terms of vitamin A)	0,005	0,003	0,0022
Витамин В1 | Thiamine	1,84	1,58	0,63
Витамин В2 | Riboflavin	0,18	0,16	0,16
Витамин В9 (фолиевая кислота) | Folic acid	0,23	0,22	0,24
Витамин Е | Tocopherol	34,21	4,00	3,17
Железо | Iron	6,1	6,4	7,1
Калий | Potassium	647	540	540
Кальций | Calcium	367	360	330
Магний | Magnesium	317	310	156
Марганец | Manganese	1,95	1,84	1,13
Медь | Copper	1,80	1,90	3,64
Натрий | Sodium	125	137	1770
Селен | Selenium	0,05	0,03	0,08
Фосфор | Phosphorus	683	635	570
Цинк | Zinc	5,0	6,2	8,3

Семена подсолнечника и шрот содержат достаточное количество витаминов группы В, минеральные вещества (калий, магний, фосфор, медь). В белковом концентрате и шроте снижается содержание жирорастворимых витаминов (каротин, витамин Е), что обусловлено переходом их в масло при отжиме и экстракции. В белковом концентрате также уменьшается содержание минералов (магний, марганец, селен) по сравнению с семенами, что, по-видимому, связано с переходом их в белково-углеводную фракцию (подсолнечную «сыворотку») после осаждения белка коагулянтом (соляной кислотой). Значительное увеличение содержания натрия (в 12–14 раз) в белковом концентрате по сравнению с семенами и шротом обусловлено использованием гидроокиси натрия для экстракции белка из шрота и нейтрализации белковой пасты, полученной кислотной коагуляцией.

В таблице 5 приведены данные исследований физико-химических показателей и фракционного состава белков в шроте и белковом концентрате подсолнечника.

Таблица 5.

Физико-химические показатели и фракционный состав белков в шроте и белковом концентрате подсолнечника

Table 5.

Physico-chemical parameters and fractional proteins composition of sunflower meal and protein concentrate

Массовая доля, % Percentage, %	Шрот Sunflower meal	Белковый концентрат Protein concentrate
Влага и летучие вещества, % | Moisture and volatile substances, %	7,8	3,9
Протеин в пересчёте на а.с.в. % | Protein content per dry substance, %	38,2	81,7
Водорастворимые протеины, % | Water-soluble proteins, %	14,4	10,1
Солерастворимые протеины, % | Salt - soluble proteins, %	38,5	1,8
Щёлочерастворимые протеины, % | Alkali - soluble proteins, %	18,4	31,3
Суммарнорастворимые протеины, % от массовой доли протеина Total mass of soluble proteins/total mass of protein, %	71,3	43,2
Зола, % | Ash content, %	6,8	8,0
Клетчатка, % | Fiber content, %	21,9	9,1

Анализ данных таблицы 5 позволяет сделать заключение о перераспределении белковых фракций в процессе экстракции их из шрота щелочным раствором и последующего осаждения кислотной коагуляцией. Наблюдается значительное повышение (в 1,7 раза) массовой доли щёлочерастворимых протеинов и значительное снижение (в 21,3 раза) массовой доли солерастворимых протеинов в белковом концентрате по сравнению со шротом.

В таблице 6 приведены данные исследований функциональных свойств белкового концентрата подсолнечника в сравнении с изолятами соевого белка марки Arcon (Нидерланды).

Таблица 6.

Сравнительные данные функциональных свойств белкового концентрата подсолнечника и изолятов соевого белка марки Arcon (Нидерланды)

Table 6.

Comparative data of functional properties of sunflower protein concentrate and soy protein isolates of Arcon brand (Netherlands)

Показатель Indicator	Концентрат подсолнечного белка Sunflower Protein Concentrate	Концентрат соевого белка АrсоnF Soy Protein Concentrate ArconF	Концентрат соевого белка АrсоnS Soy Protein Concentrate АrсоnS
Влагоудерживающая способность, % Moisture-holding capacity, %	410	285	469
Жироудерживающая способность, % Fat-holding capacity, %	83,0	88,0	122,0
Жироэмульгирующая способность, % Fat-emulsifying ability, %	56,4	54,6	94,1
Стабильность эмульсии, % Emulsion stability, %	52,8	57,9	93,2

При изучении функциональных свойств подсолнечного концентрата показано, что он обладает высокой влагоудерживающей способностью, лишь незначительно уступая функциональному концентрату соевого белка марки АrсоnS. Показатели жироудерживающей и жироэмульгирующей способности и стабильности эмульсии примерно соответствуют показателям концентрата соевого белка марки Arcon F, но значительно уступают соответствующим показателям белка марки Arcon S.

Заключение

Семена крупноплодных сортов подсолнечника являются важным источником высококачественного белка, который может и должен использоваться не только для приготовления комбикормов, но и в питании человека.

Критериями селекции и отбора сортов подсолнечника для производства белкового концентрата является значительное содержание белка в семенах и пониженное содержание хлорогеновой и кофейной кислот, продукты окисления которых, могут изменять окраску конечного продукта (белка).

Исследование показателей выработанного на опытном производстве белкового концентрата показало, что функциональные свойства белкового концентрата подсолнечника не уступают таковым свойствам концентрата, полученного из семян сои. Белковый концентрат подсолнечника содержит незаменимые аминокислоты (кроме лизина) со скором серосодержащих аминокислот 91%, витамины группы В и ценные минеральные вещества.

Полученный белковый концентрат семян подсолнечника можно рекомендовать в качестве белкового обогатителя и функциональной добавки в продуктах лечебно-профилактического и детского питания.