Технические решения для эффективного использования продовольственных ресурсов в технологии пищевых систем
Автор: Рождественская Л.Н., Чугунова О.В.
Рубрика: Актуальные проблемы развития пищевых и биотехнологий
Статья в выпуске: 4 т.11, 2023 года.
Бесплатный доступ
Одним из ключевых трендов в пищевой индустрии становится разработка продуктов, которые не только характеризуются высоким качеством, но и соответствуют принципам экологической чистоты и энергетически сбалансированы. Бобовые растения изучаются как способ решения проблемы недостаточности белка и формирования адекватного и качественного питания быстрорастущего населения мира. Цель исследования - поиск решений и оценка имеющихся подходов к технологиям переработки растительных белков на примере горохового белка, включая такие этапы переработки, как: экстрагирование, фракционирование, модификация. Экстрагирование белковой фракции сои и гороха на основе традиционных способов уже получило индустриальное решение. В то же время развиваются экоинновационные подходы, объединяющие сверхкритическую экстракцию диоксидом углерода, субкритическую водную экстракцию, методы, основанные на использовании ультразвука, давления, плазмы и пр. Особое значение для рационального и устойчивого производства имеет проблема фракционирования и модификации получаемых в ходе экстрагирования продуктов. Потенциальный спектр использования этих продуктов определяется их функционально-технологическими свойствами, которые напрямую зависят от молекулярных характеристик отдельных белковых фракций. В работе проведен анализ технических решений в области модификации растительного белка, в т. ч. химических, физических и биологических. В зависимости от сути применяемых методов и достигаемых в ходе модификации эффектов определены основные зависимости и ограничения. Рассмотрены вызовы, обуславливающие сложности при подборе и унификации методов экстрагирования, фракционирования и модификации при их применении к различным видам бобовых и даже сортам одного вида. Установлено на примере продуктов поэтапной переработки гороха (мука, концентрат, изолят, отдельные фракции белка), что функционально-технологические свойства продуктов в значительной степени зависят от методов, используемых для их производства, степени изменений белковой структуры, соотношения отдельных фракций белка и их изначальных физико-химических свойств (аминокислотного профиля, структуры, конформации, заряда, гидрофобности, размера и др.).
Белок бобовых, экстракция белка, фракционирование белка, модификация белка, гороховый белок, изоляты горохового белка
Короткий адрес: https://sciup.org/147242565
IDR: 147242565 | DOI: 10.14529/food230401
Текст научной статьи Технические решения для эффективного использования продовольственных ресурсов в технологии пищевых систем
Для решения вопросов продовольственной безопасности Правительство РФ активно внедряет существенные меры. Эти действия нацелены на создание благоприятных условий для отечественных производителей, включая активное замещение импортных товаров и сырья собственными аналогами. Кроме того, осуществляется поддержка инновационных технологий, направленных на решение проблемы дефицита белка.
Проблема недостатка продовольствия для увеличивающегося населения земли также неоднократно озвучивалась на международной повестке и является основной акцентной мыслью, пронизывающей практически все Цели устойчивого развития [1]. Отдельным вопросом выносится не только энергетическая достаточность совокупно производимого пищевого ресурса, но и его биологическая ценность, поскольку белок является необходимым для выживания человечества макроэле- ментом, а его качество напрямую влияет на качество жизни и функционирование основных систем организма человека, в т. ч. иммунную [2, 3]. Одним из ключевых трендов в пищевой индустрии становится разработка продуктов, которые не только характеризуются высоким качеством, но и соответствуют принципам экологической чистоты и энергетически сбалансированы [4].
Однако необходимо учитывать, что ресурсы планеты достаточно ограничены, особенно в отношении производства животного белка, поэтому последние десятилетия именно растительные белки воспринимаются как многообещающая, более экологически устойчивая и экономически эффективная альтернатива. В то же время активное использование растительных белков сталкивается с целым рядом ограничений и вызовов: наличие анти-питательных веществ, низкое содержание незаменимых аминокислот, низкая функциональность (растворимость, эмульгирование и гелеобразование, пенообразование), а самое существенное – технологии получения и использования при производстве пищевых продуктов растительных белков находятся на этапе формирования [5].
В связи с обозначенной проблемой целью данного исследования являлся поиск решений и оценка имеющихся подходов к технологиям переработки растительных белков на примере горохового белка, включая такие этапы переработки как: экстрагирование, фракционирование, модификация.
Традиционные технологии переработки бобовых в продукты питания предусматривают обязательные технологические операции, в результате которых фракционируются биологически ценные компоненты [6]. Перспективность использования получаемых на разных этапах продуктов напрямую зависит от их функциональных характеристик, с одной стороны, и уровня развития производственной структуры, с другой. Применительно к отечественной индустрии питания важно отметить, что данное направление является перспективным с точки зрения развития собственных биотехнологических решений, поскольку спрос на белковые ингредиенты растительного происхождения (plant-based protein ingredients – PBPIs) в пищевом секторе за последние годы значительно увеличился и имеет стабильную тенденцию к дальнейшему росту. А поскольку эти ингредиенты производятся с использованием широкого спектра технологических процессов, которые влияют на их конечные характеристики, то и перспективы их использования для создания новых видов пищевых и блюд более чем значительны.
Объекты и методы исследований
Для достижения указанной цели нами был осуществлен отбор первичных источников, содержащихся на специализированных сайтах научных публикаций, в отечественных и международных реферативных базах данных PubMed, WoS, Scopus, Global Health, Lancet, ScienceDirect, Elsevier, ResearchGate, eLIBRARY.RU и ScienceDaily, преимущественно за период с 2012 по 2022 гг., удовлетворяющих требованиям научной достоверности и полноты. Ключевые слова для поиска: legume protein, protein extraction, plant proteins, pea protein, pea protein products, plant-based protein ingredients, pea protein isolates. В работе использовались структурно-логический, аналитический и аксиоматический методы. В качестве основного метода анализа использовался традиционный (качественный) контент-анализ обзорных статей и документов, который проводился в рамках кабинетного исследования.
Результаты и их обсуждение
На первом этапе обзора используемой для технологической переработки сырьевой базы проведенный анализ литературных источников и патентной информации показал, что существуют особенности, позволяющие установить терминологические отличия при классификации бобовых в отечественных и зарубежных материалах. Установлено, что Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) признает 11 видов бобовых: dry beans, dry broad beans, dry peas, chickpeas, cow peas, pigeon peas, lentils, Bambara beans, vetches, lupins and pulses nes (бобовые, которые не попадают ни в одну из других категорий). В материалах отечественных исследователей в группу зерновых бобовых растений включают сою, горох, фасоль, чечевицу, бобы, нут, чину, арахис, голубиный горох, бархатные бобы, канавалию и вигну, при этом все перечисленные растения относятся к семейству бобовых, подсемейству мотыльковых [7]. Содержание белка в бобовых значительно разнится в зависимости от культуры, сорта, географического происхождения и применяемых технологий выращивания (от 16 до 44 %) [8] (табл. 1).
Таблица 1
Среднее значение пищевой ценности основных видов бобовых
Вид |
Содержание, % |
||
белок |
углеводы |
жир |
|
Горох |
22,9 |
41,2 |
1,1 |
Фасоль |
21,3 |
40,1 |
1,6 |
Чечевица |
23,5 |
52,0 |
3,4 |
Кормовые бобы |
23,0 |
55,0 |
2,0 |
Нут |
19,8 |
41,2 |
3,4 |
Чина |
23,0 |
55,0 |
1,5 |
Вика посевная |
26,0 |
29,8 |
1,7 |
Люпин желтый |
43,9 |
28,9 |
5,4 |
Люпин белый |
37.6 |
35,9 |
8,8 |
Соя |
34,9 |
17,3 |
17,3 |
* Источник: Зернобобовые России. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций. Москва, 2017. URL: org/3/
На втором этапе исследования в соответствии с целью проведена оценка имеющихся подходов и технологических решений экстрагирования растительных белков.
Существующие технические решения и особенности получения продуктов переработки сои можно условно выделить в отдельную группу, поскольку содержание жира в сое значительно выше, чем в остальных бобовых культурах, и в большинстве источников, отражающих статистику производства сырья в мире, она учитывается, в первую очередь, как масленичная культура. Именно этим обусловлена широкая популярность возделывания сои, наличие достаточного количества генно-модифицированных сортов и широчайший спектр как её промышленного использования, так и получаемых в ходе её переработки продуктов: молоко, соевый творог, соевый соус и масло, соевые сухие сливки, соевый майонез, йогурт, кефир, сыр тофу и окара, мисо-паста, а из структурированной сои или с добавлением соевого белка – вареная и копченая колбаса, гуляш, шницель, бефстроганов, котлеты, сосиски и сардельки [9].
Среди остальных бобовых наибольший интерес, как относительно новый вид растительного белка, с точки зрения пищевого промышленного использования получил горох. Это обусловлено двумя факторами. Во- первых, несмотря на перспективность возделывания таких высокобелковых культур, как, например, люпин, горох стабильно последние десятилетия занимает ведущее место среди всех отечественных возделываемых бобовых культур и является одной из пяти ключевых экспортных позиций. Так, в 2022 году Россия собрала 3,6 млн т гороха, а в 2023 году, по предварительным данным Росстата, посевные площади гороха в России составили 1899,6 тыс. га, что на 17,1 % (на 277,9 тыс. га) больше, чем в 2021 году. Это наибольший показатель с 1993 года. Во-вторых, горох содержит достаточно полноценный комплекс аминокислот, включая наиболее редкие для растительного сырья незаменимые аминокислоты (лизин, треонин и серосодержащие цистеин и метионин).
Гороховый белок является одним из немногих коммерчески доступных растительных белков, которые все чаще применяются в промышленности, благодаря своей экономической эффективности, физической доступности, высокой пищевой и биологической ценности, функциональности и тому, что он не является генетически модифицированным организмом (ГМО), не содержит глютена и имеет низкую аллергенность [10]. На современном мировом рынке PBPIs гороховый белок представлен в формах гороховой муки, концентратов, изолятов, экструдатов и гидролизатов горохового белка. Независимо от итоговой формы семена гороха перед переработкой подвергаются предварительной подготовке, включающей очистку, сушку, сортировку, шелушение и измельчение.
Полученные из анализа открытых источников научной литературы данные позволили выделить следующие традиционные методы, применяемые для экстрагирования белка гороха (табл. 2): экстрагирование методом сухого фракционирования; влажная экстракция (щелочная); солевая экстракция (мицеллиза-ция) [11–13].
Следует отметить, что несмотря на распространенность описанных традиционных методов экстрагирования и наличие их реализации уже не в лабораторных условиях, а производственном исполнении, экстремальные условия экстракции, такие как высокая температура или высокая щелочность, могут влиять на термические, конформационные и функционально-технологические свойства белковых фракций, снижая их пищевую
Таблица 2
Название метода |
Суть метода |
Основные этапы |
Выход белка, % |
Сухое фрак-ционирова-ние/ воздушная классификация |
Принцип сухого фракционирования заключается в разделении муки на частицы различного размера и химического состава после помола. Сухая экстракция состоит из измельчения с последующим фракционированием частиц муки на такие составляющие, как крахмал, клетчатка или белок Воздушная классификация гороховой муки осуществляется в спиральном воздушном потоке разделяя измельченный продукт на легкую мелкую фракцию, содержащую концентрат белка и тяжелую грубую фракцию – крахмал |
Измельчение, в т. ч. валиковое, молотковое, каменное, штифтовое и струйное, и последующее воздушное фракционирование. После измельчения некоторая часть крахмала остается прикрепленной к белковой матрице, а некоторые белковые соединения все еще соединены с крахмальными гранулами. Разделение белка и крахмала можно улучшить, повторяя методы воздушной классификации и измельчения [14] |
50–77 |
Щелочная экстракция/ изоэлектрическое осаждение |
Наиболее часто используемый традиционный метод получения изоля-тов белков гороха (высококонцентрированных белковых фракций), основанный на использовании высокой растворимости белков в щелочных условиях. В то же время минимальная растворимость проявляется в их изоэлектрической точке (pI) в районе pH 4–5 и использует те же свойства растворимости для вицили-на и легумина. Щелочеподобные NaOH и КОН обычно используются для поддержания основного pH, разрывая дисульфидные связи в белке, что увеличивает извлечение белка [14] и его выход |
Обезжиренная мука растворяется в воде в процессе щелочной экстракции / изоэлектрического осаждения. Затем pH доводят до щелочного уровня с помощью NaOH или КОН и оставляют на 30–180 минут для максимизации растворимости белка. Затем температуру повышают до 50–60 °C, и смесь разделяют центрифугированием, затем собирают надосадочную жидкость и доводят до изоэлектрического значения pH. Осажденный белок собирают центрифугированием, затем промывают, нейтрализуют и сушат лиофилизацией |
62–80 |
Солевая экстракция/ мицеллиза-ция |
Заключается в явлениях всаливания и высаливания белков с последующим процессом обессоливания, который снижает ионную силу белковой среды. Метод мицеллизации вызывает осаждение белка путем добавления к воде холодной воды в соотношении от 1:3 до 1:10 (по объему) высокосолевого белкового экстракта. Разбавление белкового раствора заставляет солюбилизированные белки регулировать низкую ионную силу посредством серии реакций диссоциации [14] с образованием низкомолекулярных агрегатов |
Гороховую муку перемешивают в растворе соли в течение 10–60 мин с заданной ионной силой в соотношении 1:10 (по массе / объему). Нерастворимые вещества удаляют отстаиванием, сливом, просеиванием и центрифугированием. При достижении критической концентрации белка белковые агрегаты объединяются в виды со сравнительно низкой молекулярной массой, называемые мицеллами, осаждаемые из растворов. Чтобы максимизировать образование мицелл, разбавленный раствор отстаивают. Затем осажденный белок можно извлечь центрифугированием, промыванием и распылительной сушкой |
68–75 |
Методы экстракции
ценность и разрушая их биологически активные соединения. Поэтому современные исследования сосредоточены на поиске нетермических экологически чистых технологиях, базирующихся на экоинновационных подходах. Такие инновационные методы не только не токсичны для природы и человека, но и могут повысить выход белка, улучшить питательные и функционально-технологические свойства выделяемого белка, а также раскрыть его потенциал в качестве источника биоактивных пептидов. В качестве прорывных технологий экстрагирования, применяемых при работе с бобовым сырьем, активно изучаются возможности следующих методов [15]:
-
• субкритическая водная экстракция (SWE) - это метод, основанный на использовании горячей воды в диапазоне от нормальной температуры кипения воды (100 °C) до критической температуры воды (374 °C) при использовании высокого давления для поддержания воды в жидком состоянии при этих температурах (обычно 220-230 бар);
-
• ферментативно-ассистированная экстракция (EAE) - это «зеленая» технология, основанная, во-первых, на действии ферментов, разрушающих основные компоненты клеточной стенки, таких как целлюлоза, гемицеллюлоза и/или пектины, что приводит к разрушению стенки и высвобождению клеточных белков;
-
• микроволновая экстракция (MAE) - это новый метод разрушения клеток, в котором используются электромагнитные волны с частотой от 300 МГц до 300 ГГц;
-
• методы, основанные на применении сверхкритической экстракции диоксидом углерода (SC-CO 2 ) - это технология разделения, в которой для экстракции используется сверхкритический жидкий растворитель. В настоящее время доступно несколько технологий SC-CO 2 для формирования частиц, кап-сулирования и сушки широкого спектра материалов.
В отношении фракционирования можно отметить следующее: в отдельных источниках фракционирование рассматривают как вариант, совмещенный с процессом экстрагирования белка, а в других его выделяют в отдельный метод переработки. В этом случае разделение высокомолекулярных и низкомолекулярных белков осуществляется через систему фильтров.
Вопрос фракционирования имеет значительный интерес для дальнейшего создания пищевых продуктов, поскольку именно от того, какая фракция будет преимущественно присутствовать в выделенном продукте переработки и разделения горохового белка, будет зависеть и его функционально-технологические характеристики, и возможность целевого использования. Поэтому целесообразно разделять различные фракции растительного белка для конкретного применения или с целью получить белковые ингредиенты, обогащенные отдельными фракциями, которые потом в различных пропорциях использовать для достижения целевых функционально -технологических задач.
Фракционирование растительных белков осуществляется на основе молекулярных характеристик его отдельных фракций. С точки зрения своего состава белки семян гороха состоят из основных глобулинов (65-80 %), альбуминов, проламинов и глютелинов. Глобулярные белки состоят из полипептидных цепей, которые сворачиваются в плотно упакованную форму благодаря гидрофобным эффектам, водородным связям, электростатическим силам, силам Ван-дер-Ваальса и дисульфидным связям [16]. Структуры проламинов и глютелинов сходны по соотношению пролина и глутамина и аминокислотным последовательностям; но они различаются по молярной массе, а также внутри- и межмолекулярной структуре [16]. Альбумины и глобулины преимущественно присутствуют во всех зернобобовых (>50 %), при этом в гороховом белке на долю глобулинов приходится 6580 % [17]. В свою очередь глобулины состоят из трех разных белков: легумина, вицилина и конвицилина. Глобулярные белки действуют как хорошие эмульгаторы и пенообразователи благодаря неполярным участкам на их поверхности, которые способствуют адсорбции на границах раздела масло-вода или воздух-вода. Глобулярные белки также можно использовать в качестве гелеобразующих агентов, поскольку при нагревании они разворачиваются, открывая неполярные и сульфгидрильные группы для окружающей водной фазы, вызывая агрегацию посредством образования гидрофобных и дисульфидных связей.
Альбумин представляет собой водорастворимый белок, на долю которого приходится 18-25 % от общего белка в семенах гороха. В семенах гороха различают два альбумина с небольшой молекулярной массой (6 кДа), который содержит 53 аминокислоты, и второй с более низкой молекулярной массой (4кДа), содержащей 37 аминокислот [18]. Альбумины гороха имеют более низкие общие эмульгирующие свойства, чем глобулины, из-за низкой молекулярной гибкости и гидрофобности. Соотношение глобулина и альбумина в продуктах переработки горохового белка варьируется в зависимости от генетических вариантов и условий обработки, которые далее влияют на их физико-химические и функционально-технологические свойства.
Проламины представлены в семенах гороха в небольшом количестве (4–5 %), растворимы только в растворах крепкого спирта (70–80 %), легких кислот и щелочей, при нагревании проламин не коагулирует, а гидролизуется до пролина и аммиака. Глютелин, нерастворимый белок, обнаруженный в незначительном количестве в семенах гороха (3–4 %), является основным компонентом белкового композита, такого как глютен, растворим в разбавленных кислотах или основаниях, и богат гидрофобными аминокислота- ми, такими как фенилаланин, валин, тирозин и пролин [14].
Альбумины, глобулины, глютелины и проламины могут образовывать изотропные (например, йогуртоподобные) или анизотропные (например, волокнистые структуры) гели, но в большинстве случаев для этого они требуют физических, химических или ферментативных модификаций.
На следующем этапе исследования проведен анализ технических решений в области модификации растительного белка.
Под модификацией нами понимается процесс трансформации молекулярной структуры или химических групп белка с целью улучшения функциональных свойств конкретными методами, что позволяет обеспечить способность растительных белков выступать в качестве многофункциональных компонентов пищевых систем. В общем виде применяемые для модификации методы делятся на химические, физические и биологические [14, 19]. Более подробное описание сути методов и достигаемых в ходе модификации эффектов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Методы модификации для улучшения функциональных свойств горохового белка
Название метода |
Суть метода |
Основные изменения функциональных характеристик |
Физические методы |
||
Термическая обработка |
Термическая обработка белков гороха для осуществления модификации предполагает воздействие от 30 минут и температуре от при 95 °С. Высокотемпературная обработка вызывает необратимые изменения в структурах белков, в том числе гидрофобных, дисульфидных и электростатических связей, что приводит к снижению растворимости из-за агрегации и осаждения белков |
Увеличивается способность белка к эмульгированию, но снижает пенообразующие свойства |
Использование высокого гидростатического давления/ High hydrostatic pres sure (HHP)/ High-pressure processing (HPP) |
Обработка высоким давлением – это совокупность методов нетермической обработки, при котором пищевые продукты подвергаются воздействию высокого гидростатического давления (100–800 МПа) и выдерживаются в течение определенного времени (3–5 минут) [16]. Процессы HHP и HPP помогают улучшить гидрофобность белка, при снижении растворимости из-за его способности обнажать скрытые сульфгидрильные группы после разворачивания белка, денатурации с последующей агрегацией и коагуляцией, что и улучшает его функционально-технологические свойства |
Давление выше 300 МПа вызывает необратимую денатурацию и агрегацию и может привести к превращению одной вторичной структуры в другую. Изменения структуры белка, изменяет такие его функциональнотехнологические свойства, как: растворимость, водо удерживающая способность, склонность к эмульгированию и пенообразованию, а также образованию гелей |
Продолжение табл. 3
Название метода |
Суть метода |
Основные изменения функциональных характеристик |
Гомогенизация под высоким давлением / High- pressure homogenization (HPH) |
HPH – это технология, которая обеспечивает однородное распределение частиц по размерам, взвешенных в жидкости, путем пропускания через узкое отверстие или клапан. Механические силы HPH приводят к кавитации и фрагментации макромолекул за счет уменьшения размера частиц растительных белков [16] |
Увеличивается растворимость белка, а также повышаются эмульгирующие и пенообразующие свойства из-за уменьшения размера частиц |
Экструзия |
Экструзия – это процесс, при котором материал при различных условиях смешивания, нагрева и сдвига пропускается через матрицу, предназначенную для формирования или сушки ингредиентов. Процесс осуществляется путем сочетание механического сдвига, давления и тепла, при котором ингредиенты последовательно смешиваются, а высокие механические напряжения создаются большим вращающимся шнеком при высокой температуре (90–200 °C) и давлении (1,5–30,0 МПа) |
Экструзия заставляет белковые молекулы разворачиваться, денатурировать и перестраиваться, что не только улучшает их функционально-технологические свойства, но и формирует текстуру, поэтому широко используется для текстурирования растительных белков |
Ультразвуковая обработка/ Sonication/ Ultrasound processing |
Ультразвуковая обработка — это нетермическая зеленая технология, которая может изменять конформацию и структуру белка за счет разрушения нековалентных связей. В этом процессе применяется звуковая энергия чрезвычайно высоких частот (>20 кГц) для разрушения крупных частиц в растворе посредством физической вибрации с использованием либо ультразвукового зонда [16] (например, ультразвукового аппарата), либо ультразвуковой ванны |
В процессе разрушается вторичная структура белка, а также частично денатурирует третичная и четвертичная структуру белка без каких-либо изменений первичной структуры, что эффективно улучшает растворимость, пенообразующие свойства и эмульгирующую активность |
Обработка холодной атмосферной плазмой/ Cold atmos pheric plasma processing (CAPP) |
Обработка холодной атмосферной плазмой основана на применении холодной плазмы, четвертого состояния вещества, и осуществляется путем слияния источников тепловой, механической, ядерной и электрической энергии в широком диапазоне температур и давлений, вызывает разрыв химических связей или инициирование химических изменений, используется для улучшения функциональных свойств и уменьшения размера молекул и агрегатов растительных белков |
Улучшает растворимость, эмульгирующую и водоудер-живающщую способности, улучшает гелеобразующие свойства горохового белка, позволяя ему образовывать гели при нагревании ниже 90 °C. |
Химические методы |
||
Гликирование |
Гликирование — представляет собой неферментативную реакцию гликозилирования, приводящую к изменению функциональных возможностей белка и не требующую экзогенных химических веществ. Гликирование может быть достигнуто химически посредством реакций Майяра или может быть получено с помощью ферментов сшивания, таких как трансглутаминаза или лакказа. Гликирование растительных белков может осуществляться методами нагревания в сухом или влажном состоянии |
Связь между структурой гликированных белков гороха и их функциональностью четко не установлена, но есть исследования, подтверждающие увеличение пенообразующей способности и стабильности пены |
Окончание табл. 3
Название метода |
Суть метода |
Основные изменения функциональных характеристик |
Ацилирование/ Сукци- нилирование |
Ацилирование - это добавление ацильной группы к белку с помощью ацилангидридов и галогенидов. В случае ацилирования, добавляется уксусный ангидрид. Сукцинилирова-ние проводят добавлением янтарного ангидрида; при этом сукцинильные группы встраиваются в белок. В результате этой реакции в остатках лизина происходит смена заряда с положительного на отрицательный |
При ацилировании обнажаются гидрофильные группы, и, следовательно, улучшая растворимость. Влияние сукцинилирования на вторичную структуру помогает улучшить растворимость, пенообразующие свойства, стабильность эмульсии и водоудерживающую способность горохового белка |
Деамидирование |
Деамидирование - это процесс превращения амидных групп остатков глутамина и аспарагина в карбоксильные группы за счет увеличения отрицательного заряда белка. Поскольку при дезамидировании процесс можно проводить в мягких условиях и без использования каких-либо дополнительных молекул, то этот метод модификации белка в пищевых системах считается безопасным Дезаминирование можно проводить различными методами, такими как обработка щелочью, кислотой, ферментативной обработкой (протеин-глутаминаза) и обработкой катионообменной смолой |
Улучшает растворимость и функционально-технологические свойства горохового белка, уменьшает неприятный бобовый вкус, горечь и комковатость |
Биологические методы |
||
Ферментация |
Для ферментации растительных белков используются различные закваски, такие как молочнокислые бактерии, дрожжи, плесени и штаммы палочек, среди которых наиболее распространены молочнокислые бактерии |
Ферментация помогает улучшить растворимость белка, водо- и жироудерживающую способность, а также формовочные и питательные свойства и усвояемость горохового белка |
Ферментативный гидролиз |
Ферментативный гидролиз осуществляется путем каталитической реакции между протеолитическими ферментами и белковыми субстратами, которая приводит к разрыву пептидных связей и расщеплению субстрата на короткоцепочечные пептиды и аминокислоты с более низкой молекулярной массой |
Поскольку снижается молекулярная масса, увеличивается количество ионизируемых групп и обнажаются гидрофобные группы, скрытые в ядре белка, потенциально улучшается растворимость, гидрофобность, эмульгирующие и пенообразующие свойства белка |
Ферментативное сшивание |
Ферментативное сшивание достигается за счет образования ковалентных связей с помощью трансглутаминазы, катализируя реакцию ацильного переноса между у-карбоксамидной группой связанного с белком глутамина и е-аминогруппой лизина |
В общем случае добавление трансглутаминазы способствовует сшиванию белковых молекул и повышению способности к гелеобразованию Обработка микробной трансглутаминазой (MTG) фракции альбумина и глобулина горохового белка дала разные результаты, например, невозможность гелеобразования фракции альбумина |
В отношении методов модификации также для придания растительным белкам лучших функциональных характеристик существует ещё целый ряд химических модификаций, объединенных термином – дериватиза-ция, включающая реакции с химическими агентами и модификацию путем изменения pH и объединяющую такие процессы, как: ацилирование, фосфорилирование, этерификацию и дезаминирование. Однако применение этих методов в пищевом секторе серьезно ограничено из-за использования многих опасных химикатов и, как следствие, неизвестной достоверности потребления модифицированных белков или их побочных продуктов, поэтому нами был выделен для детального рассмотрения только метод, имеющий практическое применение – ацилирование/сукцинили-рование.
Выводы
Полученные из анализа открытых источников научной литературы данные в отноше-
нии имеющихся подходов к технологиям экстрагирования, фракционирования и модификации белковых концентратов и изолятов, полученных на основе гороха, позволяют говорить, что их функционально-технологические свойства в значительной степени зависят от методов, используемых для их производства, их изначальных физико-химических свойств (например, аминокислотного профиля, структуры, конформации, заряда, гидрофобности, размера и др.) и уровня происходящих изменений белковой структуры в целом и отдельных фракций в частности. Величина влияния различных методов обработки на функционально-технологические свойства белков очень затрудняет сравнение характеристик бобовых белков в разных исследованиях и требует дополнительного исследования функционально-технологических свойств применительно к отечественным сортам гороха, а также полученных из него гороховой муки, концентратов и изолятов.
Список литературы Технические решения для эффективного использования продовольственных ресурсов в технологии пищевых систем
- Daniel Lopez de Romaña, Alison Greig, Andrew Thompson, Mandana Arabi. Successful delivery of nutrition programs and the sustainable development goals // Current Opinion in Biotechnology. 2021. Vol. 70. P. 97–107. ISSN 0958-1669. URL: https://doi.org/ 10.1016/j.copbio.2021.03.004
- Munteanu Camelia, Schwartz Betty. The relationship between nutrition and the immune system // Frontiers in Nutrition. 2022. 9. DOI: 10.3389/fnut.2022.1082500. URL: https://www.fron-tiersin.org/articles/10.3389/fnut.2022.1082500.
- Wu G. Dietary protein intake and human health // Food Funct. 2016 Mar; 7(3):1251-65. DOI: 10.1039/c5fo01530h. PMID: 26797090.
- Экотехнологии для эффективного использования продовольственных ресурсов в технологии пищевых систем. Часть 2: Технология бифункциональных пищевых систем на основе эмульсий Пикеринга / И.Ю. Потороко, Н.В. Науменко, А.М.Я. Кади, А.В. Паймулина // Вестник ЮУрГУ. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2022. Т. 10, № 3. С. 55–63. DOI: 10.14529/ food220306.
- The problems and prospects of developing food products from high-protein raw materials / E. Bychkova, L. Rozhdestvenskaya, E. Podgorbunskikh, P. Kudachyova // Food Bioscience. 2023. 103286. ISSN 2212-4292. DOI: 10.1016/j.fbio.2023.103286. URL: https://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S2212429223009379
- Кандроков Р.Х., Бекшоков К.С. Влияние соотношения зерновой помольной смеси на кру-пообразующую способность и выход тритикалево-ржаной муки // Индустрия питания. 2022. Т. 7, № 4. С. 50–58. DOI: 10.29141/2500-1922-2022-7-4-6.
- Зерно бобовых растений. Общая характеристика и применение в технологии пищеконцен-тратов / А.А. Королев, С.А. Урубков, И.С. Коптяева, Л.Я. Корнева // Ползуновский вестник. 2020. № 2. С. 35–39. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2020.02.007.
- Зернобобовые культуры в структуре функционального питания (фасоль зерновая и овощная, горох овощной, нут) / Н.Г. Казыдуб, С.П. Кузьмина, О.А. Коцюбинская и др. // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада. 2019. № 133. С. 157–167. DOI: 10.36305/0513-1634-2019-133-157-167. EDN: TJABKA
- Перспективы применения зернобобовых в инновационных технологиях функциональных продуктов питания / Н.С. Родионова, И.П. Щетилина, К.Г. Короткова и др. // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2020. Т. 82, № 3 (85). С. 153–163. DOI: 10.20914/2310-1202-2020-3-153-163
- Pea protein isolates: Structure, extraction, and functionality / Lam, Angie Che Yan, Aslı Can Karaça, Robert T. Tyler and Michael T. Nickerson // Food Reviews International. 2018. 34. P. 126–147. DOI: 10.1080/87559129.2016.1242135
- Advances in the plant protein extraction: Mechanism and recommendations / M. Kumar, M. Tomar, J. Potkule et al. // Food Hydrocoll. 2021.115.106595. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2021.106595
- Caren Tanger, Johannes Mertens, Ulrich Kulozik. Influence of extraction method on the aggre-gation of pea protein during thermo-mechanical treatment // Food Hydrocolloids. 2022. Vol. 127. 107514. ISSN 0268-005X. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2022.107514. URL: https://www.science-direct.com/science/article/pii/S0268005X22000340)
- Emkani M., Oliete B., Saurel R. Pea Protein Extraction Assisted by Lactic Fermentation: Im-pact on Protein Profile and Thermal Properties // Foods. 2021. 10. 549. URL: https://doi.org/10.3390/ foods10030549
- The Current Situation of Pea Protein and Its Application in the Food Industry / P. Shantha-kumar, J. Klepacka, A. Bains et al. // Molecules. 2022, 27, 5354. URL: https://doi.org/10.3390/mo-lecules27165354
- Franca-Oliveira Giselle, Tiziana Fornari and Blanca Hernández-Ledesma. A Review on the Ex-traction and Processing of Natural Source-Derived Proteins through Eco-Innovative Approaches // Pro-cesses. 2021. 9(9): 1626. URL: https://doi.org/10.3390/pr9091626
- Plant Proteins for Future Foods: A Roadmap / S.Y.J. Sim, A. Srv, J.H. Chiang, C.J. Henry // Foods. 2021. Aug 23. 10(8). 1967. DOI: 10.3390/foods10081967. PMID: 34441744; PMCID: PMC8391319
- Boye J., Zare F., Pletch A. Pulse proteins: Processing, characterization, functional properties and applications in food and feed // Food Res. Int. 2010. 43. P. 414–431. DOI: 10.1016/ j.foodres.2009.09.003
- A reference genome for pea provides insight into legume genome evolution / J. Kreplak, M.A. Madoui, P. Cápal et al. // Nat. Genet. 2019. 51. P. 1411–1422. DOI: 10.1038/s41588-019-0480-1
- The health benefits, functional properties, modifications, and applications of pea (Pisum sativum L.) protein: Current status, challenges, and perspectives / J. Ge, C.X. Sun, H. Corke et al. // Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2020. 19. P. 1835–1876. DOI: 10.1111/1541-4337.12573