Влияние переработки на белковый комплекс семян конопли

Конопля посевная ( Cannabis sativa L. ) относится к техническим культурам комплексного использования, т. е. в перерабатывающей

промышленности используются различные части растения, как сырье для производства волокнистых изделий, пищевых, медицинских и химических продуктов. По данным ФАО,

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

66                                 БД Agris в настоящее время в мире посевная площадь технической конопли различного назначения составляет около 400 тыс. га. [1].

Крупнейшими производителями технической конопли и продукции из нее являются Китай, Франция, Канада, Египет, Австралия и Чили. В целом страны Азии контролируют около 70–75% общемирового рынка данной сельскохозяйственной культуры. Площади посевов конопли в Евросоюзе в последние 20 лет составляют около 15% от общемировых [3].

По данным Минсельхоза России в последнее десятилетие посевные площади под технической коноплей для производства волокна и масла в стране постоянно увеличиваются [4]. В 2011 г. конопля возделывалась на площади около 2 тыс. га, а в 2021 г. – на уровне 13 тыс. га. В Российской Федерации законодательно разрешено возделывать в промышленных целях сорта конопли посевной ( Cannabis sativa L. ), внесенные в список Госсортокомиссии и содержащие в сухой массе листьев и соцветий растения не более 0,1% тетрагидроканнабинола (ТГК) [5]. Следует отметить, что ТГК, как и другие каннабиноиды, не присутствуют в семенах конопли, а содержатся в соцветиях и листьях конопли.

Благодаря созданию сортов технической конопли с низким содержанием ТГК (0,1–0,3%), легализации возделывания и переработки такого сырья мировой рынок продукции из конопли находится на этапе подъема [2]. Наибольший интерес представляет использование семян конопли для пищевых и медицинских целей. Согласно информации, из базы данных медицинских и биологических публикаций – PubMed, количество статей, связанных с изучением особенностей протеина конопли, резко возросло за последние годы.

В связи с глобальной проблемой ограниченного предложения традиционных белков животного происхождения и растущего спроса на качественный пищевой белок актуальным стал поиск альтернативных источников белка [6,7].

Белки, извлеченные из семян масличных, зерновых, бобовых культур и продуктов их переработки, представляют собой экономически выгодные и быстро возобновляемые альтернативы белкам животного происхождения. Особенно ценными являются растительные белки, характеризующиеся высоким содержанием таких серосодержащих аминокислот как цистеин и метионин, связанных с высокой антиоксидантной активностью [8].

Актуальность использования растительных белков в рационе питания в качестве пищевой добавки определяется необходимостью повышения биологической ценности рационов населения. Современное питание населения характеризуется низкой пищевой ценностью, высокой калорийностью, дефицитом микронутриентов и пищевых волокон, а также избыточным содержанием насыщенных жирных кислот, добавленного сахара. Для сохранения здоровья населения Российской Федерации руководством страны поставлена задача по расширению ассортимента продуктов здорового питания. Это отражено в «Стратегии повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 29 июня 2016 года № 1364-р.

Перспективным сырьем, характеризующимся высоким содержанием биологически активных веществ для создания продуктов здорового питания являются семена конопли.

В семенах конопли содержится около 30% масла, с преобладанием полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК); 20–25% белка, в котором были определены все незаменимые аминокислоты, 20–30% углеводов, 10–15% нерастворимой клетчатки, 5% золы, витамины и минералы [9–13]. Содержание белка значительно различается у разных сортов и, во многом, зависит от условий выращивания культуры (температуры, осадков и пр.) [14]. Запасные белки семян конопли состоят из фракций водорастворимого альбумина (25–37%) и солерастворимого глобулина (эдестина) (67–75%) [15]. Соотношение между данными фракциями также может меняться от условий обработки, выращивания и зависеть от сортовых особенностей культуры.

Для определения качества белкового комплекса используют показатель «биологическая ценность», который можно выразить через индекс незаменимых аминокислот и их аминокислотный скор. В таблице 1 представлено содержание незаменимых аминокислот в белковом комплексе семян конопли [16] и их аминокислотные скоры. Лимитирующей аминокислотой в белковом комплексе семян конопли является лизин. Аминокислотный скор белка семян конопли по нашим расчетам составил 84% по лизину (таблица 1).

Таблица 1.

Аминокислотный состав семян конопли

Table 1.

Amino acid profile in hempseed

Наименование The name	Стандарт ФАО/ВОЗ г/100 г белка [17] FAO/WHO requirement, g/100g protein [17]	Семена конопли г/100 г белка [16] Whole hempseed [16]	*Аминокислотный скор семян конопли, % *Amino Acid Score of hemp seed, %
Валин | Valine	4,0	5,36	134,00
Изолейцин | Isoleucine	3,0	3,76	125,33
Лейцин | Leucine	6,1	7,00	114,75
Лизин | Lysine	4,8	4,04	84,17
Метионин + Цистин Methionine + Cysteine	2,3	4,56	198,26
Треонин | Threonine	2,5	4,75	190,00
Триптофан Tryptophan	0,7	1,08	154,29
Фенилаланин + Тирозин Phenylalanine + Tyrosine	4,1	8,04	196,10
Гистидин | Histidine	1,6	2,58	161,25

*аминокислотный скор рассчитан по [16] | Amino Acid Score is calculated according to source [16]

Индекс незаменимых аминокислот для белкового комплекса семян конопли определенный по уравнению (1) составил 1,46.

ИНАК = 9

Вал  Иле     Гис

----а. х---- а х-Х---- а ,  (1)

Вал  Иле     Гис где а, б – содержание аминокислот в изучаемом и эталонном белке, соответственно

Тогда как данный показатель для пшеничного белка – 0,96, белка соевых бобов – 0,94 [18]. Всё это свидетельствует о высокой биологической ценности белкового комплекса конопли.

Белок конопли используется как пищевая добавка в рецептах для повышения качества белка целевой продукции. Он обладает низкой аллергенностью по сравнению с большинством других растительных белков, что позволяет заменять им другие белковые компоненты в составе пищевых продуктов [10]. В связи с ростом населения, заинтересованного в здоровом и устойчивом питании, рынок растительного белка, по прогнозам экспертов, будет расти быстрее, несмотря на то что белки животного происхождения имеют преимущества [7].

Пептиды, полученные при гидролизе белков семян конопли, проявляют широкий спектр биологической активности. Так, например, пептиды из белкового изолята семян конопли обладают антиоксидантными [19], антигипертензивными [20], противомикробными [21], антитромботическими [22], гипохолестери-немическими [23], иммуномодулирующими и цитомодулирующими свойствами [14].

При наличии значительной информации о составе белков семян конопли, их пользе для здоровья человека, остается нерешенным большой круг вопросов, связанных с изучением влияния технологической переработки семян на биохимический состав получаемого продукта, в том числе, на изменение фракционного состава белкового комплекса.

Цель работы – исследование изменения соотношения белковых фракций в процессе переработки семян конопли.

Материалы и методы

Исследования семян конопли и продуктов переработки проводили на базе лаборатории переработки лубяных культур Федерального научного центра лубяных культур.

В качестве объекта исследования использовали семена конопли посевной сорта Сурская, полученные из лаборатории агротехнологий обособленного подразделения «Пензенский ИСХ» ФГБНУ ФНЦ ЛК. Шрот из семян конопли был получен двукратной экстракцией в гексане при соотношении сырье: растворитель – 1:5, при температуре 60 °C и продолжительности 5 часов. После отделения растворителя от шрота, сырье обрабатывали диэтиловым эфиром для удаления остатков масла и дальнейшей сушки при комнатной температуре. В процессе обезжиривания была выделена более легкая мелкодисперсная белковая фракция шрота (продукт 1К) путем фильтрования мисцеллы через бумажный фильтр. Конопляная мука, полученная по технологии «холодного» прессования представлена ООО «Макошь».

Для анализа семян конопли и продуктов их переработки использовали стандартные методы: белок определяли по ГОСТ 10846–91, содержание жира – по ГОСТ 10857–64, влаги – по ГОСТ 10856–96.

Фракционный состав белкового комплекса семян конопли определяли по методу Ермакова:

последовательной экстракцией дистиллированной водой, 7%-м раствором NaCl и 0,1 М раствором NаОН [24].

Математический анализ данных проводили с использованием пакета программ MS Ехсеl©.

Результаты и обсуждение

При анализе исходного сырья и продуктов его переработки получены следующие показатели, представленные в таблице 2.

Таблица 2.

Показатели семян конопли и продуктов экстракции гексаном

Table 2.

Indicators of hemp seeds and products of hexane extraction

Образец Samples	Сырой протеин, % Crude protein, %	Сырой жир, % Crude fat, %	Влажность, % Humidity, %
Семена конопли Whole hempseed	18,72 ± 0,94	26,70 ± 1,34	3,37 ± 0,17
Конопляная мука Hemp flour	38,14 ± 1,91	17,63 ± 0,88	5,67 ± 0,28
Продукт 1К Product 1K	28,25 ± 1,41	1,40 ± 0,07	6,13 ± 0,31
Шрот конопли Hemp meal	19,17 ± 0,96	1,60 ± 0,08	4,10 ± 0,21

Содержание влаги в сырье и продуктах варьировалось от 3,37 до 6,13%. Самое высокое значение было у продукта 1К, что может быть связано с его мелкодисперсной структурой и высоким содержанием углеводов, поскольку сахара легко поглощают влагу из окружающей среды. После процесса обезжиривания измельченных семян конопли, содержание жира в шроте и продукте 1К уменьшилось до близких значений: 1,60 и 1,40% соответственно. При получении пищевых масел из растительного сырья нередко используют гексан, так как данный тип растворителя имеет узкий диапазон температур кипения (60–69 °C), а также является хорошим растворителем масел с точки зрения их избирательности. При экстракции гексаном вместе с маслом способны переходить в раствор олигосахариды и другие низкомолекулярные экстрактивные вещества, а основные фракции белков остаются в нерастворимом состоянии [25].

При изучении фракций выделенных при обезжиривании семян конопли методом экстракции выявлено, что содержание белка в семенах конопли, продукте 1К, шроте и муке составило 18,72%, 28,25%, 19,17% и 38,14%, соответственно.

Химический состав семян конопли сорта Сурская и соотношение в них белковых фракций представлены на рисунке 1.

В семенах конопли преобладающей фракцией являются глобулины (69,44%). Глобулин семян конопли в основном состоит из двух типов белка, а именно 11S глобулина (легуминоподоб-ный) и 7S вицилиноподобного белка, на долю которых приходится 60–80% и 5% от общего количества белка семян, соответственно [15]. Фракция глобулина в белке семян конопли имеет более высокое содержание сульфоаминокислот, особенно метионина, а также более высокое содержание гидрофобных, ароматических аминокислот и аминокислот с разветвленной цепью по сравнению с альбуминовой фракцией [13]. Более высокое соотношение аргинин / лизин в глобулине определенное в работе [13] по сравнению с альбумином свидетельствует о большом потенциале использования глобулина в рецептуре пищевых продуктов, способствующих укреплению здоровья сердечно-сосудистой системы.

Вследствие переработки семян конопли изменяются соотношения белковых фракций. Полученные результаты представлены на диаграммах рисунков 2 и 3.

Рисунок 1. Химический состав и соотношение белковых фракций в семенах конопли

Figure 1. Chemical composition of hemp seed and ratio of protein fractions

Рисунок 2. Химический состав и соотношение белковых фракций в шроте (А) и продукте 1К (Б)

Figure 2. Chemical composition of hemp seed meal (A) and product 1К (B) and their ratio of protein fractions

Рисунок 3. Химический состав и соотношение белковых фракций конопляной муки

Figure 3. The chemical composition and the ratio of protein fractions of hemp seed flour

В процессе обезжиривания семян конопли методом экстракции были получены шрот и мелкодисперсная фракция – продукт 1К, содержащий более 28% белка. Содержание белка во фракции шрота ниже, так как при разделении шрота и продукта 1К часть белковых соединений переходит в продукт 1К. После разделения продуктов экстракции в них, как следует из рисунка 2, произошло перераспределение белковых фракций. Содержание глобулинов в легкой мелкодисперсной фракции белков конопли составило 81% (рисунок 2, Б). В шроте содержание глобулиновой и глютелиновой фракций стало одинаковым. Значительно снизилось содержание альбуминов по сравнению с исходными семенами.

На рисунке 3 представлен химический состав и соотношение белковых фракций муки из семян конопли. В отличие от шрота, мука была получена после обезжиривания семян конопли методом «холодного» прессования.

Из всех полученных образцов в конопляной муке содержание белка от массы продукта самое высокое – 38,14%.

В конопляной муке присутствуют все 3 фракции аналогично белкам масличных. По сравнению с исходными семенами конопли в муке все 3 белковые фракции содержатся практически, в равных соотношениях с незначительным преобладанием глютелиновой.

Следует отметить, что в процессе переработки семян конопли, как механическим, так и химическим методами происходит в разной степени изменение соотношения белковых фракций. При всех методах обработки наблюдается значительное увеличение глютелиновой фракции и снижение суммы водо- и солерастворимых фракций, что можно объяснить протеканием процессов денатурации, которые сопровождаются изменением четвертичной либо третичной структуры белковой молекулы.

Так при получении муки механическим методом «холодного» прессования происходит прирост глютелинов с 2,78 до 38,98%, а в шроте и продукте 1К (после химической обработки) до 43,10 и 17,29, соответственно.

Заключение

В результате проделанной работы: определен химический состав семян конопли сорта Сурская и продуктов их переработки, свидетельствующий о повышении содержания белка после процесса экстракции и механического воздействия. Установлено соотношение белковых фракций в семенах конопли и продуктах и переработки. Преобладающей фракцией в семенах конопли является глобулиновая, содержание которой составляет 70%.

Химическая и механическая обработка сырья приводит к увеличению глютелиновой фракции белка с 2,78 до 43,10 и 38,98%, соответственно, и снижению суммы водо- и солерастворимых фракций.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют, что процессы механического и химического обезжиривания семян конопли обеспечивают получение сырья с высоким содержанием белка, содержащего все незаменимые аминокислоты и характеризующегося преобладающим содержанием суммы водо-и солерастворимых фракций, повышающих усвояемость белка.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания ФГБНУ ФНЦ ЛК (FGSS-2022–0007)