Влияние щелочной и ферментативной обработки зерна овса и овсяных отрубей на выход бета-глюкана

По своей химической природе β-глюкан является разветвленным полисахаридом, мономеры в котором связаны (1,3; 1,4) и (1,6) β-глюкозидной связью. Это вещество обладает широким спектром биологической активности и, прежде всего, иммуномодулирующим и противовоспалительным.

β–глюкан находят в различных микробиологических сырье: грибах, дрожжах, бактериях, водорослях. Однако, выделение β-глюкана из этого сырья как природного, так и полученного в индустриальных условиях биотехнологическими методами является экономически затратным [1–3].

Перспективным источником β–глюкана являются зерновые культуры: овес, ячмень, пшеница, рож, рис, кукуруза и просо. Повышенный интерес к зерновым культурам связан с высоким содержанием растворимых разветвленных не крахмалистых полисахаридов, из которых возможно получение β-глюкана [4–6].

Значительный интерес как источник биологически активных веществ и энергетической составляющей в питании человека, вызывает овес. В овсе содержатся крахмал и белки, определяющие высокую питательную ценность, изготовленных из овса пищевых продуктов. Кроме того, использование овса дает возможность привнести в пищевые продукты клетчатку, витамины, минеральные вещества, нерастворимые и растворимые не перевариваемые в организме человека пищевые волокна и, в частности β-глюкан [1, 2].

Следует отметить, что роль овса в питании человека и кормлении животных является предметом исследования ученых многих поколений, которыми установлено положительное влияние этой зерновой культуры на организм человека и животных. И как указано выше, применение овса в питании человека и кормлении животных обусловлено энергетической ценностью и содержанием биогенных веществ [7–9]. При этом показано, что в овсе содержание β-глюкана выше, чем других зерновых культурах [10]. Как и во всех зерновых культурах, в овсе молекула линейного гомополисахарида β-глюкана образована D-глюкопиранозой, соединенной β-(1,3 и 1,4) связями.

β-глюкан извлекают из зерновых культур щелочными, кислотными и ферментативными способами. Однако, как общие, так и конкретные рекомендации по извлечению β-глюкана из зерновых культур отсутствуют, что не позволяет оценить эффективность применения существующих способов выделения β-глюкана в промышленных условиях [11].

Цель настоящей работы – определение влияния щелочного и двух ступенчатого щелочного и ферментативного методов обработки зерна овса и овсяных отрубей на эффективность выделения β-глюкана.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• 1.    определение состава зерна овса и овсяных отрубей;

• 2.    определение влияния щелочного способа обработки зерна овса и овсяных отрубей на эффективность выделение β-глюкана;

• 3.    определение влияния двух ступенчатого щелочного и ферментативного способов обработки зерна овса и овсяных отрубей на эффективность выделение β-глюкана;

• 4.    определение содержания β-глюкана в продукте.

Экспериментальная часть

В исследованиях использовали голозерный овес ( Avena nudum ) шлифованный и отруби овсяные (недомол с мельницы).

В голозерном зерне овса и овсяных отрубях определяли содержание:

─ клетчатки по ГОСТ 31675-2012,

─ крахмала по ГОСТ 26176-91;

─ массовой доли жира по ГОСТ 13496.15-97;

• ─ массовой доли сырого протеина по ГОСТ 13496.4-93;

─ массовая доля белка по Барштейну ГОСТ 20083-74;

─ содержание влаги по ГОСТ 31640-2012;

─ содержание золы ГОСТ Р 51411-99

Ферментативную обработку проводили ферментными препаратами:

─ α-amylase AG XXL фирмы «Novozymes» (Швеция). Ферментативная активность 460 AGU/ml. рН = 7.

─ Рrоtеks 6 L фирмы «Genencor» (Финляндия). Ферментная активность 580 DU/g., рН 7–10.

Количество сахаров в конечном продукте определяли методом, указанным в работе [12]. При определении содержания в продукте β-глюкана проводили его гидролиз 2М серной кислотой в течение 30 мин. В гидролизате также определяли содержание редуцирующих веществ. Увеличение содержания в гидролизате редуцирующих веществ соответствовало содержанию β-глюкана в продукте.

Разработанная технологическая схема выделения β-глюкана щелочным методом из голозерного зерна овса и овсяных отрубей представлена на рисунке 1а . Предварительно измельченные зерно овса и отруби обрабатывается этанолом для извлечения жиров. Спиртовой экстракт жиров и твердую фазу разделяли центрифугированием. Из спиртового экстракта жиров регенерируется этанол.

Шрот три раза обрабатывается гидроокисью натрия с отделением щелочного экстракта центрифугированием. Экстракты смешиваются и нейтрализуются HCL до рН = 6,5–7,0. Последующим центрифугированием отделяют клетчатку.

При доведении рН суспензии HCL до 6,5–7,0 происходит осаждение олигомеров белков и крахмала, образовавшихся при щелочной обработке, которые отделяются последующим центрифугированием.

Надосадочная жидкость содержит простые сахара, аминокислоты и β-глюкан, который осаждали 95% этанолом в соотношении 1:3, при температуре 4–5 °С в течении 12 часов. Затем центрифугированием отделяли β-глюкана и высушивали при температуре 80 ± 1 °С.

Технологическая схема выделения β–глюкана щелочной и ферментативной двух ступенчатой обработкой представлено на рисунке 1б . Технологическим процессом по данному способу предусматривается щелочную обработку голозерного зерна овса и отрубей овса и отделение клетчатки. Далее производится нейтрализация надосадочной жидкости и последующую ее обработку амилолитическими и протеолитическими ферментами. Центрифугированием разделяют олигомеры белка и крахмала. Дальнейшее выделение β-глюкана проводят описанным выше методом.

Обсуждение результатов

Изучение состава использованного в экспериментах сырья показало, что отруби овса по сравнению с зерном овса голозерного шлифованного содержат большее количество сырой клетчатки, сырого жира, азота, сырого протеина и белка по Барштейну (истинного белка), простых сахаров и зольных элементов. Влажность отрубей ниже, чем зерна овса. Содержание крахмала в отрубях овсяных ниже по сравнению с зерном овса голозерным шлифованным (таблица 1). Установленные различия в составе зерна овса голозерного шлифо- ванного и овсяных отрубях объясняется технологией получения муки овсяной. При этом следует, прежде всего, подчеркнуть, что в овсяных отрубях содержится больше белковых веществ, чем в зерне овса.

Из результатов, представленных в таблиц е 2 видно, что на выход β -глюкана из зерна овса голозерного шлифованного и овсяных отрубей влияет способ выделения. Сочетание щелочного и ферментативного способов выделения β -глюкана из использованного в экспериментах сырья является более эффективным, так как выход β -глюкана выше по сравнению с щелочным способом обработки. При этом выход β -глюкана из овсяных отрубей выше, чем из зерна овса шлифованного голозерного.

Способ выделения и исходное сырье также влияет на содержание β-глюкана в конечном продукте после сушки. Двухступенчатый щелочной и ферментативный способ выделения β-глюкана из овсяных отрубей позволяет получить конечный продукт с более высоким содержанием β-глюкана по сравнению с щелочным способом. В продукте, полученном сочетаем щелочной и ферментативной обработки овсяных отрубей, содержится меньшее количество сопутствующих веществ, в частности, простых сахаров.

а)

б)

Рисунок 1. Технологическая схема выделения β -глюкана из голозерного шлифованного овса и овсяных отрубей методами: а) щелочным, б) двухступенчатым щелочным и ферментативным

Figure 1. Technological scheme for the isolation of β -glucan from ground hulless oats and oat bran methods: a) alkaline b) two-stage alkali and enzyme

Таблица 1.

Состав голозерного зерна овса шлифованного и овсяных отрубей

Table 1.

The composition of the grain-sized grain of oat grinded and oat bran

Массовая доля, % Mass fraction, %	Зерно овса голозёрного шлифованного Grain oats naked ground	Овсяные отруби из зерна овса голозёрного шлифованного Oat bran from oat grain
Сырая клетчатка	0,6	4,9
Крахмал	55,0	21,2
Сырой жир	6,3	6,2
Сырой протеин	13,1	16,1
Белок по Барштейну	12,5	15,2
Влага	14,0	11,1
Зола	1,8	2,9

Таблица 2.

Влияние способа обработки шлифованного голозерного зерна овса и овсяных отрубей на выход и содержание β –глюкан в готовом продукте *

Table 2.

Influence of the method of processing the grinded grain-ice grain of oats and oat bran on the yield and content of β -glucans in the finished product *

Показатели | Indiсаtоrs	Шлифованный голозерный овса Polished of naked oats		Отруби овсяные Oat bran
	Способы обработки |		Ways of processing
	Щелочной Alkaline	Щелочной-фермен-тативный Alkaline enzymatic	Щелочной Alkaline	Щелочной-фермен-тативный Alkaline enzymatic
Выход β -глюкана, %	3,3	3,9	7,2	9,6
Содержание β –глюкана в продукте, %	48,5	55,2	79,4	81,9
Содержание простых сахаров в продукте, %	8,1	16,8	1,8	5,1

* Прочие компоненты или вещества: белки, аминокислоты, олигосахара, минеральные вещества (Other components or substances: proteins, amino acids, oligosaccharides, minerals)

Более высокий выход β -глюкана из овсяных отрубей можно объяснить высоким содержанием в них веществ алейронового слоя по сравнению с зерном овса голозерного шлифованного, что подтверждается высоким содержанием белка в отрубях. Видимо, алейроновый слой содержит больше β -глюкана, чем эндосперм. Предварительное растворение белков алейронового слоя и эндосперма в гидроокиси натрия, а также крахмала с последующим их ферментативным гидролизом приводит к высвобождению β -глюкана.

Выводы

Сочетание щелочного и ферментативного способов выделения β -глюкана из зерна овса голозерного шлифованного и овсяных отрубей эффективней щелочного метода.