Влияние ультразвукового воздействия при проращивании зерна пшеницы на синтез -аминомасляной кислоты

Технологии проращивания зерновых культур активно применяются при производстве продуктов питания как эффективный способ повышения их пищевой ценности. Известно, что в процессе проращивания зерна активизируются ферментативные системы, повышается доступность восстанавливающих сахаров, повышается антиоксидантная активность, стимулируется накопление Y-амино-масляной кислоты (ГАМК) [13, 14, 23].

В совокупности химических компонентов, синтезируемых при проращивании зерна, ГАМК занимает особое место как вещество, рекомендованное, для предотвращения неврологических расстройств [9]. ГАМК привлекла больше внимание благодаря биологической активности в отношении снижения артериального давления [14], стимулирования повышения иммунитета [9], улучшения работы мозга и повышения интеллекта [17]. Потребление продуктов питания, обогащенных ГАМК, способствует уменьшению чувства тревожности, часто возникающего на фоне симптомов неинфекционных заболеваний (НИЗ) [10, 11].

По химической природе ГАМК - непротеиновая аминокислота, которая образуется в результате процесса декарбоксилирования L-глутаминовой кислоты, под действием фермента глутаматдекарбоксилазы [19].

В организме человека и животных ГАМК функционирует как основной ингибиторный нейротрансмиттер в центральной нервной системе и оказывает оздоровительный эффект [7]. Клинические исследования ученых [10] доказывают, что потребление ГАМК благоприятно для снижения артериального давле- ния у животных и людей при умеренной гипертонии.

Весьма перспективными в этом направлении, используемыми в последние годы в качестве промышленного инструмента в пищевой индустрии, являются ультразвуковые волны. H. Yang и соавт. показали, что применение ультразвуковой обработки (40 кГц, 300 Вт) во время процесса замачивания семян сои в течение 30 минут приводит к увеличению содержания ГАМК на 43,4 % [24]. В других исследованиях отображена возможность применения пророщенной пшеницы в хлебо булочных изделиях как источник ГАМК [11].

Следовательно, поиск путей синтеза ГАМК в растительном сырье, сохранение ее биоактивности при переработке представляет особый интерес для реализации немедикаментозных подходов в профилактике НИЗ.

Объекты и методы исследований

В качестве объекта исследований было определено зерно пшеницы сортов Любава, выращенное в степной зоне Челябинской области. Годы проведения исследований (2014– 2018 гг.) значительно отличались по метеорологическим условиям, что типично для данного региона. Отбор проб зерна проводили согласно ГОСТ 13586.3-2015.

Проращивание осуществлялось в контролируемых условиях, проводилось предварительное промывание, замачивание и проращивание зерна пшеницы. Длительность процесса составляла 16–20 часов. Температура воды – 20–22 °С. По окончании процесса (длина ростка 1–1,5 мм) зерна пшеницы высушивались до влажности 12–14 % при принудительной конвекции и температуре 30– 40 °С.

Для интенсификации процесса проращивания был использован метод физического воздействия с применением ультразвукового низкочастотного генератора «Волна-Л» модель УЗТА-0,63/22-ОЛ (частота 22 ± 1,65 кГц, интенсивность не менее 10 Вт/см2, рабочий инструмент грибкового типа) [1–6]. Зерно пшеницы обрабатывали в течение 3 минут и мощности 378 Вт.

В качестве контрольного (пророщенного зерна пшеницы) использовалось пророщенное зерно без ультразвукового воздействия.

Содержание ГАМК в пророщенном зерне пшеницы определяли с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии, с использованием автоматизированной системы

Shimadzu Prominence LC-20 с фенилизотиацианатом согласно методам, описанным Rossetti и Lombard [20] и Q.Y. Bai [8]. Характерный вид хроматограмм, полученных на автоматизированной системе жидкостной хроматографии, представлен на рис. 1. Для подготовки пробы зерно пшеницы (1,00 г) измельчали с уксусной кислотой. Гомогенизировали и центрифугировали с добавлением этанола. Очищенный супернатант упаривали и растворяли в дистиллированной воде. Полученную суспензию фильтровали через мембранный фильтр 0,45 мкм. Отфильтрованный супернатанта анализировали. Для построения калибровочного графика была приготовлена серия водных растворов с концентрациями 0,1–5,0 ммоль/л.

Для прогнозирования потенциальной полезности ГАМК был определен индекс биодоступности, предложенный автором [19]. Индекс биодоступности (И БД , %) рассчитывали по формуле:

ИБД = К кон Х 100, (1) где К кон – концентра ^и ц ^сх ия ГАМК после процесса переваривания in vitro; К исх – концентрация ГАМК до процесса переваривания.

Результаты и их обсуждение

В настоящее время большое внимание уделяется условиям обработки зерновых культур при замачивании, проращивании и сохранении после проращивания, поскольку они играют важную роль в улучшении пищевой ценности сырья. Такие факторы, как гипоксия, гидратация, отсутствие света, температура, pH и ультразвуковое воздействие (УЗВ) играют решающую роль в накоплении ГАМК в зерновых культурах, что было отмечено в многочисленных исследованиях при производстве обогащенных ГАМК зерновых продуктов и продуктов на их основе [16].

Результаты определения ГАМК при проращивании пшеницы и оценка индекса био- доступности после процедуры моделирования Анализируя данные рис. 2, можно ска-процесса переваривания представлены на зать, что процесс проращивания после ультрарис. 2. звуковой обработки зерна позволяет увели-

Рис. 1. Характерный вид полученных хроматограмм при определении ГАМК в пророщенном зерне пшеницы

в8

^ 6

■ Содержание ГАМК, мг/100г  ■ БД, %

Рис. 2. Результаты определения содержания ГАМК зерна пшеницы (мг/100 г) и ее потенциальная биодоступность в условных индексах И БД (%)

-5

чить содержание ГАМК в среднем в 7,3 раза, тогда как в пророщенном зерне без ультразвуковой обработки количество ГАМК увеличилось всего в 2,4 раза.

Решающим фактором, по которому возможно судить о полезном эффекте потребления ГАМК потребителями, является его остаточное количество после процесса переваривания. Так, после проведения процедуры переваривания в модели in vitro количество ГАМК зерна пшеницы имеет достаточно высокие значения, что обусловливает хорошую величину индекса биодоступности.

Увеличение ГАМК во время проращивания пшеницы объясняется Baranzelli J., Kringel D.H., Colussi R. и их коллегами увеличением активности глутамат-декарбоксилазы, которая декарбоксилирует L-глутамат, активирует фермент глутамат декарбоксилазу и высвобождает ГАМК [9].

Рядом исследователей Junzhou Ding, Gary G. Hou, Boris V. Nemzer и другими [12, 15] отмечается, что именно использование ультразвукового воздействия позволяет активизировать процесс образования ГАМК при проращивании зерновых культур. Так, как спровоцированный стресс ультразвуковым воздействием вызывает активацию эндогенных ферментов (в частности глутаматдекарбоксилазы), что и приводит к резкому увеличению

ГАМК в пророщенном зерне [21]. Так, Junzhou Ding, A.V. Ulanov, Mengyi Dong и их коллеги [21–24] в своих работах предлагают следующее обоснование процесса накопления ГАМК в зерновых культурах при обработке их УЗВ (рис. 3).

При проращивании в зерне ГАМК в первую очередь метаболизируется по короткому пути, называемому «ГАМК-шунт», где ГАМК синтезируется из L-глутамата, катализируемого глутаматдекарбоксилазой (ключевым ферментом для синтеза ГАМК). Также L-глутамат продуцирует пируват с помощью аланинаминотрансферазы и синтезирует аланин и α-кетоглутаровую кислоту. При этом ГАМК также может быть синтезирована в обратном направлении в янтарный полуальдегид с помощью ГАМК-трансаминазы [21].

По результатам своих исследований Junzhou Ding, Gary G.Houb, Shanbai Xiong и их коллеги [12, 15, 21] отмечают, что ультразвуковая обработка увеличивает содержание янтарной кислоты, также наблюдается одновременное увеличение метаболитов, связанных с шунтированием ГАМК, таких как глутаминовая кислота, аланин и трикарбоновая кислота, в зерне после ультразвуковой обработки. Это говорит о том, что усиление разложения полиаминов и ингибирование глутамата переаминирования может способство-

Янтарный полуальдегид

Рис. 3. Механизм накопления ГАМК после УЗВ при проращивании (голубым цветом отмечен усиленный путь образования ГАМК при УЗВ воздействии) [15, 21]

вать накоплению ГАМК в зерне при его ультразвуковой обработке. Таким образом, ультразвуковое воздействие (воспринимаемое зерном как стресс) может повысить энергетический метаболизм прорастания зерна пшеницы, что приводит к усилению накопления ГАМК за счет усиления активности глутаматдекарбоксилазы и обеспечения большего количества L-глутамата [15 – 21].

Полученные результаты собственных исследований позволяют сказать, что существует потенциал для производства хлебобулочных изделий, обогащенных ГАМК путем внесения в рецептуру сырьевых ингредиентов из пророщенного зерна пшеницы после УЗВ.

Статья выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011 и при финансовой поддержке государственных заданий № 40.8095.2017/БЧ и гранта РФФИ 18 53-45015.