Технология получения пищевых волокон рапса на основе твердого отхода экстракции белков

DOI:

*Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ), г. Москва, Россия; e-mail: , ORCID:

Дегтярев И. А. и др. Технология получения пищевых волокон рапса на основе твердого отхода экстракции белков. Вестник МГТУ. 2025. Т. 28, № 3. С. 385–392. DOI: 10.21443/1560-9278-2025-28-3-385-392.

*Russian University of Biotechnology (ROSBIOTECH), Moscow, Russia; e-mail: , ORCID:

Degtyarev, I. A. et al. 2025. Technology for the production of rapeseed dietary fibers based on solid waste from protein extraction. Vestnik of MSTU, 28(3), pp. 385–392. (In Russ.) DOI:

Численность мирового населения к 2050 г. достигнет 9 млрд человек, в связи с чем актуализируется проблема поиска новых сырьевых источников для производства продовольствия с целью удовлетворения базовых биологических потребностей людей ( Sim et al., 2021 ).

Одним из важнейших макронутриентов в питании человека является белок. Традиционные источники белка требуют значительных площадей земель и объемов затрачиваемых ресурсов. Для возможного решения проблемы дефицита белка предложены технологии получения белка с использованием исходного растительного сырья и продуктов его переработки. На основе соевых бобов получают соевую муку, белковый концентрат и изолят белка ( Preece et al., 2017 ). Среди бобовых культур наибольшее распространение получил горох, белки которого обладают высокой питательной ценностью, низкой аллергенностью и хорошими функциональнотехнологическими свойствами, преимущественно высокими стабильностью пены и жироэмульгирующими свойствами ( Nowacka et al., 2023 ). Из злаковых выделяют глютен, зеин и рисовые белки ( Boukid et al., 2020 ). Также растительные белки могут быть получены из недорогих вторичных сырьевых ресурсов, включая жмыхи и шроты, о чем свидетельствуют исследования, посвященные использованию отходов переработки масличных культур в качестве источников для производства продуктов питания ( Singh et al., 2022 ).

В процессе выделения белков на различных стадиях образуются жидкие и твердые отходы. Жидкие отходы содержат растворимые фракции углеводов и не выпавшие в осадок в ходе изоэлектрического осаждения белки. Примером такого отхода, образующегося в большом количестве на производствах, является соевая сыворотка. Она содержит около 9,5 г/л углеводов и 0,3–3,0 г/л белков ( Chua et al., 2019 ). Сыворотка может быть использована в составе ферментационных сред при культивировании различных микроорганизмов. Ферментация соевой сыворотки является наиболее предпочтительным способом ее утилизации, так как она имеет высокий уровень биохимического потребления кислорода (БПК) (8 000– 9 800 мг/л) и химического потребления кислорода (ХПК) (17 000–26 000 мг/л), что не позволяет осуществлять ее непосредственный сброс в составе сточных вод ( Irawan et al., 2020 ).

Твердые отходы образуются в результате экстракции белков и представлены преимущественно нерастворимыми волокнами, которые не находят целесообразного применения. Пищевые волокна (ПВ) имеют высокую доступность, низкую стоимость и большой потенциал в профилактике различных заболеваний ( Betoret et al., 2011 ). Потребление продуктов питания с высоким содержанием пищевых волокон способствует снижению гликемического индекса, нормализации и регуляции роста микроорганизмов ЖКТ, сорбции эндотоксинов и подавлению канцерогенов, регуляции уровня холестерина в крови и снижению веса ( Han et al., 2017 ). Использование волокон, образующихся в ходе экстракции белков, в пищевой промышленности ограничено их внешним видом, чаще всего они имеют темный цвет и непривлекательные органолептические свойства.

Для повышения потребительских, органолептических и технологических свойств отходов переработки растительного сырья разработаны способы отбеливания, позволяющие значительно осветлить растительные волокна. Наиболее простым и экономически целесообразным способом для внедрения в производство является отбеливание с помощью перекиси водорода. В научной литературе описаны условия отбеливания женьшеня 17%-м раствором перекиси водорода при уровне pH 11,0 в течение 30 мин при комнатной температуре, что позволяет примерно на 30 % увеличить водо- и жиросвязывающие способности, а также улучшить цветовые характеристики и повысить пористость ( Jiang et al., 2021 ). Разработан способ отбеливания отработанной пивной дробины при концентрации перекиси водорода 5 % при температуре 70 °С в течение 40 мин и уровне pH 12–12,5 ( Mussatto et al., 2008 ). Описан процесс отбеливания льняной муки при концентрациях перекиси водорода 1-3 %, уровне pH 3, 7 и 9 в течение 10-30 мин ( Aider et al., 2012 ). В ходе исследования было отмечено изменение цвета льняной муки с коричневого до светло-желтого, также отбеливание позволило снизить содержание фенолов, однако не до конца изучено влияние перекиси водорода на содержание незаменимых аминокислот.

Рапс является одной из наиболее широко используемых масличных культур; ежегодно в мире производится примерно 70 млн т рапса ( Raboanatahiry et al., 2021 ). В процессе переработки рапса образуется масло и побочные продукты – жмых и шрот; остаточное содержание белка в них составляет около 35–45 % ( Arntfield et al., 2011 ). На основе жмыха и шрота были разработаны и интегрированы в промышленное производство технологии получения белков рапса, а продукция зарегистрирована под коммерческими названиями SuperteinTM, Puratein, Isolexx и Vitalexx ( Raboanatahiry et al., 2021 ). Однако отсутствуют технологические решения, позволяющие получать пищевые ингредиенты на основе отходов, образующихся в ходе получения белковых препаратов рапса, в частности пищевых волокон из отработанного жмыха после экстракции белка.

Целью настоящего исследования являлось определение параметров отбеливания твердого отхода экстракции белков рапса с использованием перекиси водорода для получения пищевых волокон.

Материалы и методы

В исследовании использовали твердый отход экстракции белков рапса, полученный согласно патенту № 2815553 посредством последовательного обезжиривания гексаном, кислотной экстракции белков, ферментативной деструкции некрахмальных полисахаридов жмыха рапса и щелочной экстракции белков ( Degtyarev et al., 2024 ).

Для сравнения качественных показателей в работе использовали коммерческие препараты пищевых волокон сои (МЭЗ "Амурский", Россия) и пшеницы "Биоцель XL200" ("Биофабрика", Россия), являющиеся традиционными добавками при производстве мясных и колбасных изделий.

Отбеливание пищевых волокон рапса осуществляли путем приготовления 10- и 15%-й водной суспензии при массовой доле перекиси водорода 2, 4 и 6 %, температуре 70, 80 и 90 °С в течение 2–6 ч. По окончании отбеливания пищевых волокон проводили центрифугирование при 4 000 об/мин в течение 20 мин, промывку двумя объемами дистиллированной воды и повторное центрифугирование при тех же условиях.

Определение содержания сырого протеина выполнялось по ГОСТ 13496.4-20191; сырой клетчатки – по ГОСТ 31675-20122; сухих веществ – по ГОСТ 31640-20123.

Высушивание пищевых волокон рапса осуществляли в сушильном шкафу ШС-80-01-СПУ ("Смоленское СКТБ СПУ", Россия) при 70 °С в течение 24 ч и в лиофильной сушильной установке ProfLyo Т50.6 ("Профлаб", Россия). Лиофильное высушивание состояло из 4 этапов: замораживание образца, вакуумирование, сублимация и десорбция (повышение температуры и одновременное понижение давления в камере). Основные этапы и условия лиофильного высушивания представлены в табл. 1.

Таблица 1. Этапы и условия лиофильного высушивания пищевых волокон Table 1. Stages and conditions of lyophilic drying of dietary fibers

Условие высушивания	Этап 1	Этап 2	Этап 3	Этап 4
Длительность	2 ч	10 ч	8 ч	15 мин
Давление в камере, мбар	6,00	1,50	0,50	0,10

Водосвязывающую способность (ВСС) образцов пищевых волокон определяли как количество воды, удерживаемое образцом после центрифугирования (Stone et al., 2015). Для этого отбирали 0,5 г пищевых волокон, добавляли 5 см3 дистиллированной воды. Суспензию перемешивали в течение 30 мин, после чего центрифугировали при 1 000 g в течение 15 мин. Значение ВСС определяли по формуле a - с)

ВСС = (----) 100,                                      (1)

(b - c)

где ВСС – водосвязывающая способность, %; a – масса гидратированного образца с центрифужной пробиркой, г; b – масса сухой навески с центрифужной пробиркой, г; c – масса центрифужной пробирки, г.

Для определения значения жиросвязывающей способности (ЖСС) пищевых волокон отбирали 0,5 г образца, смешивали с 5 см3 подсолнечного масла, перемешивали в течение 30 мин, затем центрифугировали при 1 000 g в течение 5 мин (Stone et al., 2015). Значение ЖСС определяли по формуле a - c}

ЖСС = (----) 100,                                    (2)

(b - c)

где ЖСС – жиросвязывающая способность, %; a – масса навески с центрифужной пробиркой после отделения фугата, г; b – масса сухой навески с центрифужной пробиркой, г; c – масса центрифужной пробирки, г.

Результаты и обсуждение

Отбеливание пищевых волокон осуществляли с использованием перекиси водорода в щелочных условиях. Экстракцию белков рапса проводили при уровне pH 9,0 ( Degtyarev et al., 2024 ). У водной суспензии твердого отхода экстракции pH составляет около 8,5–9,0 в зависимости от концентрации пищевых волокон рапса. В исследовании изучали влияние концентрации субстрата на эффективность отбеливания пищевых волокон рапса при различном содержании перекиси водорода в суспензии, температуры и длительности обработки. Для корректировки pH использовали 20%-й раствор NaOH.

Оценку эффективности отбеливания пищевых волокон проводили по условной шкале, где знак "+++" соответствует белым волокнам, "++" – волокнам светло-желтого цвета, "+" – отбеленным волокнам, имеющим темный цвет, "–" – неотбеленным волокнам. В табл. 2 представлены результаты отбеливания пищевых волокон рапса при концентрации субстрата 15 %.

Из данных, представленных в табл. 2, следует, что концентрация субстрата 15 % не позволяет получить светлые пищевые волокна. Волокна светло-желтого цвета были получены при массовой доле перекиси 6 %, температуре отбеливания 80 °С в течение 6 ч и при 90 °С в течение 4 и 6 ч.

Таблица 2. Визуальная оценка эффективности отбеливания пищевых волокон рапса при концентрации субстрата 15 %

Table 2. Visual assessment of the effectiveness of bleaching of rapeseed dietary fibers at a substrate concentration of 15 %

Массовая доля перекиси водорода, %	Температура отбеливания, °С	Длительность отбеливания, ч	Визуальная оценка пищевых волокон
2	70	2	–
		4	–
		6	–
	80	2	–
		4	–
		6	–
	90	2	–
		4	–
		6	–
4	70	2	–
		4	–
		6	–
	80	2	–
		4	–
		6	–
	90	2	–
		4	+
		6	+
6	70	2	–
		4	–
		6	+
	80	2	+
		4	+
		6	++
	90	2	+
		4	++
		6	++

Для проведения отбеливания осуществляли приготовление водной суспензии пищевых волокон, ее нагрев до соответствующей температуры и периодическое внесение 37 % перекиси водорода марки А до заданной массовой доли в суспензии. При внесении сразу всего необходимого объема перекиси будет происходить обильное и трудно контролируемое пенообразование, сопровождающееся уносом продукта, ввиду чего такой способ подачи перекиси не является рациональным.

Однако при концентрации субстрата 10 % были получены пищевые волокна белого цвета с массовой долей перекиси водорода 6 %, температуре отбеливания 80 °С в течение 6 ч и температуре отбеливания 90 °С в течение 2, 4 и 6 ч (табл. 3). Отбеливание пищевых волокон рапса целесообразно осуществлять при концентрации субстрата 10 %, массовой доле перекиси водорода 6 %, температуре отбеливания 80 °С в течение 6 ч.

Далее проводили подбор способа высушивания пищевых волокон рапса. Сушка образцов осуществлялась в сушильном шкафу на поддонах при температуре 70 °С и в лиофильной сушильной установке с предварительным замораживанием в течение 2 ч.

В ходе высушивания пищевых волокон в сушильном шкафу образовывалась твердая корка, которая затрудняла дальнейший процесс сушки и могла являться причиной снижения их функциональнотехнологических свойств (водо- и жиросвязывающей способности).

Таблица 3. Визуальная оценка эффективности отбеливания пищевых волокон рапса при концентрации субстрата 10 % Table 3. Visual assessment of the effectiveness of bleaching of rapeseed dietary fibers at a substrate concentration of 10 %

Массовая доля перекиси водорода, %	Температура отбеливания, °С	Длительность отбеливания, ч	Визуальная оценка пищевых волокон
2	70	2	—
		4	—
		6	—
	80	2	—
		4	—
		6	—
	90	2	—
		4	+
		6	+
4	70	2	—
		4	—
		6	+
	80	2	–
		4	+
		6	++
	90	2	+
		4	++
		6	++
6	70	2	+
		4	+
		6	++
	80	2	+
		4	++
		6	+++
	90	2	+++
		4	+++
		6	+++

В случае использования лиофильной сушильной установки удается получить однородные пищевые волокна без корки; также отмечены нейтральные органолептические свойства пищевых волокон рапса после отбеливания в сравнении с исходным твердым отходом экстракции, для которого характерен растительный аромат и привкус. Внешний вид пищевых волокон рапса до и после отбеливания, высушенных в лиофильной сушильной установке, представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид исходных и отбеленных пищевых волокон, высушенных в лиофильной сушильной установке

Fig. 1. Appearance of the raw and bleached dietary fibers dried in a freeze-drying unit

В настоящее время большое значение растительные волокна имеют в пищевой промышленности. Рекомендуемая суточная норма потребления пищевых волокон в Европе составляет 25 г, а в России этот показатель составляет 20–25 г/сут согласно MP 2.3.1.0253-21⁴, при этом рацион значительной части населения не может удовлетворить эту потребность ( EFSA…, 2010 ). Их включение в рецептуры мясных и колбасных изделий позволяет улучшить функционально-технологические свойства, стабилизировать структуру продукта в процессе замораживания или дефростации, а также снизить потерю массы при приготовлении ( Mishra et al., 2023 ). Особое внимание уделяется способам снижения содержания холестерина в мясных изделиях, что может быть достигнуто за счет включения пищевых волокон в их рецептуры ( Younis et al., 2022 ). Было отмечено, что использование муки из проса в рецептуре мясных котлет позволило снизить процент усадки и увеличить высоту подъема в ходе тепловой обработки ( Kumar et al., 2015 ). Аналогичные эффекты наблюдались при использовании пшеничной муки в составе куриных наггетсов, бобовой муки в говяжьих сосисках и соевой муки в котлетах для гамбургеров ( Talukder, 2015 ). Полученные результаты объясняются более высокой водо- и жиросвязывающей способностью мясных изделий с добавлением источников пищевых волокон.

Оценка химического состава, а также значений ВСС и ЖСС пищевых волокон рапса, высушенных в сушильном шкафу и с использованием лиофильной сушильной установки, проведена в сравнении с коммерческими препаратами пищевых волокон сои (МЭЗ "Амурский", Россия) и пшеницы "Биоцель XL200" ("Биофабрика", Россия). Результаты сравнения отражены в табл. 4.

Как было отмечено, пищевые волокна рапса, высушенные в сушильном шкафу, покрываются твердой коркой. Значение ВСС для ПВ рапса, полученных данным способом высушивания, составило 6,25 г воды/г ПВ, ЖСС – 3,52 г масла/г ПВ. Однако для ПВ рапса, высушенных в лиофильной сушильной установке, значение ВСС было выше на 32 %, а ЖСС – на 23 % и составило 8,27 г воды/г ПВ и 4,35 г масла/г ПВ соответственно.

Таблица 4. Сравнение химического состава, ВСС и ЖСС пищевых волокон рапса с коммерческими препаратами пищевых волокон сои и пшеницы

Table 4. Comparison of the chemical composition, moisture-binding and fat-binding capacity of rapeseed dietary fibers with commercial preparations of soy and wheat dietary fibers

Влажность, %	Сырой протеин, % от массы ПВ	Сырая клетчатка, % от массы ПВ	Сырой жир, % от массы ПВ	Зола, % от массы ПВ	ВСС, г воды/г ПВ	ЖСС, г масла/г ПВ
Пищевые волокна рапса, высушенные в сушильном шкафу при 70 °С
8,35 ± 0,20  \	11,79 ± 0,29  \	74,00 ± 1,85  \	0,68 ± 0,05   \	5,18 ± 0,12  \	6,25      \	3,52
Пищевые волокна рапса, высушенные в лиофильной сушильной установке
7,58 ± 0,19  \	11,53 ± 0,28  \	75,04 ± 1,87  \	0,69 ± 0,05   \	5,16 ± 0,13  \	8,27      \	4,35
Пищевые волокна сои (МЭЗ "Амурский")
7,63 ± 019  \	18,68 ± 0,46  \	67,31 ± 1,68  \	0,58 ± 0,02   \	5,8 ± 0,14  \	8,98      \	4,98
Пищевые волокна пшеницы "Биоцель XL200"
8,54 ± 0,21  \	1,14 ± 0,11   \	84,57 ± 1,93  \	0,21 ± 0,06   \	5,54 ± 0,13  \	9,42	5,18

ПВ рапса, высушенные в лиофильной сушильной установке, незначительно уступают по величине ВСС и ЖСС коммерческому препарату сои (МЭЗ "Амурский"). При этом ПВ пшеницы "Биоцель XL200" превосходит ПВ рапса по ВСС на 14 % и ЖСС – на 19 %. Также было определено, что образцы пищевых волокон рапса содержали меньшее количество сырого протеина, чем соевые волокна (примерно на 60 %) и пищевые волокна пшеницы (на 90 %).

Заключение

В рамках проведенного исследования:

• –    определены условия отбеливания твердого отхода экстракции белков из жмыха рапса с использованием перекиси водорода, позволяющие значительно улучшить его цветовые характеристики, а также получить пищевые волокна с высокими значениями ВСС, ЖСС и нейтральными органолептическими свойствами;

• –    рассчитаны рациональные параметры отбеливания: концентрация субстрата 10 %, массовая доля перекиси водорода 6 %, температура отбеливания 80 °С, длительность обработки 6 ч;

• –    установлено, что сушку отбеленных пищевых волокон рапса целесообразно осуществлять с использованием лиофильной сушильной установки. Значение ВСС при данном способе высушивания составило 8,27 г воды/г ПВ, ЖСС – 4,35 г масла/г ПВ, т. е. увеличилось на 32 и 23 % соответственно в сравнении с ПВ рапса, высушенными в сушильном шкафу.

Дальнейшие исследования могут быть посвящены изучению технологии включения пищевых волокон рапса в рецептуры мясных изделий и их влияния на функционально-технологические, реологические и органолептические свойства данных продуктов. Способ получения ПВ рапса на основе твердого отхода экстракции белков имеет большой потенциал при организации производства в промышленных масштабах, позволяя предприятиям осуществлять валоризацию продуктов переработки семян рапса.