Изменение антиоксидантного статуса ячменя при производстве пивоваренного солода Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

663.421.002.612

ИЗМЕНЕНИЕ АНТИОКСИДАНТНОГО СТАТУСА ЯЧМЕНЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИВОВАРЕННОГО СОЛОДА

В.В. ВЕРХОТУРОВ, В.К. ТОПОРИЩЕВА

Иркутский государственный технический университет

Энергетическое жизнеобеспечение клеток поддерживается достаточно сложным комплексом процессов, среди которых главное место занимают окислительно-восстановительные реакции, использующие 02 как основной окислитель. Несмотря на высокую специфичность основных метаболических реакций, в клетках наблюдается образование продуктов неполного восстановления кислорода (02~, Н202, ОН', 021), а также выявлены органические перекиси, диеновые конъюгаты, альдегиды и кетоны [1].

На образование активных форм кислорода (АФК) влияют различные факторы: температура, ультрафиолетовые лучи, радиация, химические соединения и др. [1, 2]. Накопление АФК в клетках приводит к нарушению протекания биохимических процессов, снижению технологических свойств, ухудшению качества сырья и готовой продукции.

Поддержание на физиологическом уровне свободнорадикальных процессов и защиту от активных форм кислорода осуществляет антиоксидантная система, состоящая из низко- и высокомолекулярных соединений. К группе низкомолекулярных антиоксидантов относятся аминокислоты, аскорбиновая кислота, токоферолы, глутатион и др. В комплекс высокомолекулярных антиоксидантов входят ферменты: супероксиддисму-таза, каталаза, пероксидаза и глутатионредуктаза

[1,2].

В процессе хранения и переработки сельскохозяйственное сырье подвергается различным физическим, химическим и биологическим воздействиям. Выявление механизмов, обеспечивающих сохранение жизнеспособности, технологических и биохимических свойств сырья в производственных условиях, имеет существенное теоретическое и практическое значение. Несмотря на пристальный интерес ученых, данный вопрос при производстве пивоваренного солода практически не изучен.

Цель настоящей работы - изучить изменение активности антиоксидантных ферментов, содержание низкомолекулярных антиоксидантов и продуктов пе-рекисного окисления липидов (ПОЛ) при производстве светлого пивоваренного солода.

Объектом исследования служил ячмень сорта Сигнал (Алтайский край) урожая 2002 г. - ГОСТ 5060 -86. Технологические свойства ячменя исследовали по об-

щепринятым методикам: отбор проб - ГОСТ

13586.3-83, запах и цвет - ГОСТ 10967-75, влажность - ГОСТ 13586.5-85, примеси и крупность - ГОСТ 13586.2-81, жизнеспособность - ГОСТ 12039-82, способность прорастать - ГОСТ 10968-88, вредители -ГОСТ 13586.4-83, белок - ГОСТ 10846-74. Технологические свойства светлого солода исследовали, используя классические методы [3,4].

Активность пероксидазы (ПО) определяли при 25°С по начальной скорости окисления о-дианизидина перекисью водорода при 460 нм [5]. Выделение и определение активности каталазы (КАТ) проводили по методике [6,7]. Активность супероксиддисмутазы (СОД) определяли по ингибированию аутоокисления адреналина при 347 нм в течение 3 мин [8], а активность глу-татионредуктазы (ГР) - по окислению НАДФН2 при 340 нм [9].

Интенсивность перекисного окисления липидов определяли по методике [4]. Содержание малонового диальдегида (МДА) исследовали по реакции с тиобар-битуровой кислотой при X = 532 нм (е = 155 мМ^см'1) с нашими модификациями. Низкомолекулярные антиоксиданты (АО) определяли по реакции с о-фенантро-лином [5].

Опыт проводили в 4-кратной биологической повторности. Статистическую обработку результатов осуществляли по методике [10].

Несмотря на все многообразие физиологических реакций растительного организма на различные типы стрессовых воздействий, в своей основе они являются достаточно сходными между собой, что позволяет предположить наличие общих принципов и механизмов адаптации. Формирование защитного ответа обеспечивается изменением метаболизма клетки и активацией генетического аппарата. Одной из реакций на неблагоприятные условия является интенсификация ПОЛ биомембран, вызванная повышением продукции активных форм кислорода, что может приводить к значительным нарушениям внутриклеточного гомеостаза

[1,2].

Известно, что в процессе набухания активизируются метаболические процессы и дыхание в зерне. Нами изучена динамика активности антиоксидантных ферментов, содержание низкомолекулярных антиоксидантов и малонового диальдегида в ячмене в течение 60 ч замачивания при 12°С.

Перед замачиванием зерно предварительно в течение 1 ч промывали водой, 2 ч дезинфицировали гипо-

хлоридом кальция из расчета 150 г/т зерна. Замачивание проводили в течение 60 ч в непрерывном потоке воды и воздуха. Следует отметить, что низкая температура замачивания, а также недостаток в снабжении кислородом приводят к возрастанию окислительных процессов в клетке и образованию продуктов ПОЛ.

Таблица 1

Время набухания, ч

Показатель, ед./г СВ

МДА, мкМ АО, мкг сод, ед. акт. ПО, мкМ/ мин КАТ, мМУ мин

ГР,

мкМ/

мин

12 0,167 182,5 12,5 9,38 0,18 5,11

24 0,184 208,3 37,5 12,4 0,24 7,02

36 0,153 267,6 44,1 11,2 0,45 4,44

48 0,131 242,1 67,6 10,0 0,51 3,85

60 0,127 221,2 77,1 8,22 0,77 3,00

Видно, что содержание малонового диальдегида при набухании возрастает в первые 24 ч замачивания, а затем постепенно снижается (табл. 1). Пик повышения концентрации низкомолекулярных антиоксидантов в ячмене приходится на 36 ч набухания. Во-первых, это обусловлено растворением фенольных ингибиторов роста [11]; во-вторых, активацией гидролитических процессов, в ходе которых образуются аминокислоты и углеводы, обладающие антиоксидантными свойствами [12].

Активность супероксиддисмутазы постепенно повышается в течение всего времени набухания ячменя. Динамика активности ферментов, утилизирующих перекись водорода, - каталазы и пероксидазы постепенно возрастает в течение всего периода замачивания. Возможно, возрастание их активности обусловлено участием в окислении энергетических соединений и ингибиторов роста, накопление которых наблюдается во время покоя семян [11].

Возрастание активности глутатионредуктазы и последующее постепенное ее снижение в процессе замачивания объясняется тем, что для катализа этому ферменту необходим кофермент НАДФНг, содержание которого снижается при возрастании аэробных процессов [9].

После замачивания зерно поступало в солодовню. Проращивание ячменя проводили в ящичной солодовне типа «передвижная грядка», используя для перемешивания ковшовый ворошитель. Высота грядки

0,8-1 м, температура солода 12-14°С. Солодоращение проводили в течение 8 сут, перемешивая зерновую массу 2 раза в сутки. Технологические характеристики солода были следующими:

Влажность

Осахаривание

Кислотность

pH

Цвет ЕВС

Время фильтрации, пр. Вязкость

Экстрактивность Е]/Н2

5,0%

15 мин 1,04 мл 6,03 3,7 мл 1 ч 05 мин 1,565 мПа • с 78,0/82,1%

Диастатическая сила 351 \¥К на СВ

Число Кольбаха 39,0%

Растворимый азот 0,574 г

Аминный азот 183,8 мг/100

Конечная степень сбраживания 73,6%

Полифенолы, антоцианогены 45,9 мг/л

Белок 10,2%

Изменение активности ферментов в процессе проращивания солода, представленное на рисунке (ед./г СВ), свидетельствует, что содержание малонового диальдегида в зерне резко возрастает на 5-е и 8-е сут проращивания. Аналогичная динамика возрастания ПОЛ на 5-е сут проращивания наблюдается и в корнях. Следует отметить, что процессы ПОЛ более активно протекают в корнях.

С целью снижения потерь на дыхание и ростовые процессы солодоращение ведут при слабом освещении, пониженной температуре и высокой влажности. Из этого можно заключить, что замедленный рост и отсутствие освещения не способствуют образованию низкомолекулярных антиоксидантов с участием фото-синтетического аппарата проростка [13].

В то же время известно, что катаболическая фаза стресса играет чрезвычайно важную роль в неспецифическом адаптационном синдроме растений. Это поставщик для клетки различных метаболитов, необходимых для защитно-адаптивных реакций. Важно подчеркнуть, что многие из этих метаболитов выполняют полифункциональную роль в клетке [14]. Поэтому возрастание концентрации низкомолекулярных антиоксидантов на 2-е-З-и сут в зерне и на 4-е сут в корнях с постепенным колебательным снижением объясняется накоплением низкомолекулярных соединений, образующихся в процессе биодеградации белков, полисахаридов и липидов [14, 15].

Активность супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы и глутатионредуктазы ячменя в процессе солодоращения проявлялась в своеобразной динамике и зависела от природы исследуемых частей. Отмечается возрастание в зерне активности супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы в течение всего времени проращивания. Постепенное снижение активности глутатионредуктазы в зерне и корнях можно объяснить преобладанием аэробных процессов над анаэробными, в процессе чего снижается концентрация НАДФН2 в клетке.

Динамика активности супероксиддисмутазы в корнях и зерне постепенно повышается в первые 4 дня. Причем более высокие показатели активности ферментов отмечались в корнях. Каталаза содержится в ячмене в незначительном количестве, но быстро накапливается при проращивании, причем скорость накопления явно зависит от длительности солодоращения. Активность каталазы возрастает меньше, чем активность пероксидазы, так как сродство фермента к малым концентрациям перекиси водорода ниже, чем у пероксидазы [16].

Корни -О— Зетшо

700 -600 -

Указанные ферменты принадлежат к дыхательному комплексу зерна, поэтому повышение их активности в прорастающем ячмене обусловлено также возрастанием дыхания [17]. Увеличение активности пе-роксидазы может быть также вызвано синтезом ее новых изоферментов или накоплением соединений, являющихся субстратами фермента, индуцирующими его синтез, что будет проявляться в возрастании активности пероксидазы [16].

Будучи компонентами единой антиоксидантной системы растений, низко- и высокомолекулярные антиоксиданты способны оказывать взаимное влияние и регуляцию. Например, супероксиддисмутаза катализирует реакцию дисмутации супероксидного радикала в перекись кислорода, которая в свою очередь является субстратом для пероксидазы и каталазы [1, 2]. Низкомолекулярные антиоксиданты (аскорбиновая кислота, фенольные соединения и др.) являются субстратами

500 -2 400 -§ 300 -200 -100 -0 -

Время прорастания, сут

пероксидазы и окисляются в реакциях индивидуального и совместного окисления [16, 18]. Однако высокие концентрации субстратов пероксидазы могут ингибировать фермент [18], способствуя таким образом увеличению концентрации перекиси водорода в клетках. Возможно, этим объясняется падение активности фермента на 3-и и 6-е сут проращивания.

Несомненно, что наряду с участием в подавлении действия свободных радикалов антиоксидантны как соединения, относящиеся к различным классам химических веществ, могут оказывать физиологическое действие на различные процессы в клетке. Снижение содержания низкомолекулярных антиоксидантов можно объяснить использованием их не только на антиок-сидантную защиту, но и на физиологические нужды клетки.

Из-за высокой влажности свежепроросший солод легко портится и должен путем удаления воды переводиться в устойчивое для хранения состояние. Наряду с этим, задачей сушки является устранение запаха и вкуса свежепроросшего солода, создание характерного для каждого типа солода аромата, а также достижение соответствующего окрашивания. Кроме того, при сушке удаляются ростки листа и корешки, которые могут способствовать повторному поглощению влаги высушенным солодом [17].

Несмотря на то, что биохимические изменения в солоде при сушке изучаются довольно давно, в доступной для нас литературе практически отсутствуют публикации, касающиеся исследования антиоксидантной системы. Нами изучено влияние температуры сушки на активность антиоксидантных ферментов, содержание низкомолекулярных антиоксидантов и малонового диальдегида при производстве светлого пивоваренного солода. Сушку проводили в производственных условиях по режиму ЛСХА.

Таблица 2

Температура сушки, °С Показатели, ед./г СВ

СОД, ед. акт. КАТ, мМ/мин ПО, мкМ/мин ГР, мкМ/мин АО, мкг МДА, мкМ

18 31 0,38 45,1 V) o' 350,4 0,19

55 34 0,44 83,3 0,07 410,1 0,17

80 30 0,18 72,7 0 400,8 0,23

85 ’ 0 0 36,2 0 122,2 0,24

Результаты показывают (табл. 2), что на начальных этапах сушки наблюдается возрастание активности антиоксидантных ферментов с последующим ее снижением. Следует отметить, что ферменты обладают различной термоустойчивостыо. Наибольшая активность при сушке сохраняется у пероксидазы, в молекуле которой находятся два иона кальция, придающие ей стабильность [16]. Инактивация глутатионредуктазы начинается уже при 50°С. Возможно, это обусловлено тем, что в активном центре данного фермента содержатся 8Н-группы, окисление которых приводит к инактивации [9].

Сравнение динамики накопления низкомолекулярных антиоксидантов и малонового диальдегида пока-

ОТТтОФ ТТТ'/~» ГТГЛТУ ГТЛ П ЛТ ГТТГЧП О TTTITI ИЛ^\ГТТ/\ППЛ,ГТ'Л»Г /»тттг»т»лттт»л

juiuu^ I, тхи д|л-1 паилшда^ tnrimcnwc

концентрации последнего на фоне возрастания концентрации первых. Возможно, повышение концентрации антиоксидантов обусловлено активацией гидролитических ферментов, в результате чего образуются соединения, обладающие антиоксидантной активностью [12].

Таким образом, на основании полученных данных видно, что при производстве светлого пивоваренного солода изменяется активность антиоксидантной системы. Можно предположить, что контроль над уровнем ПОЛ во время набухания и прорастания семян ячменя осуществляется с помощью низко- и высокомолекулярных антиоксидантов. Понижение свободнорадикальных процессов в ячмене возможно за счет образования антиоксидантов под действием гидролитических ферментов.

Не исключено, что исследование антиоксидантно-го статуса зерновых культур, применяемых в пивоварении, позволит раскрыть некоторые биохимические процессы, протекающие при хранении, набухании и солодоращении. Таким образом, проведенные7 исследования покажут целесообразность использования антиоксидантной системы в качестве дополнительного критерия оценки растительного сырья при хранении и сушке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.П. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе // Успехи современной биологии. - 1993. - 113. - № 4.

2. Мерзляк М.Н. Активированный кислород и окислительные процессы в мембранах растительной клетки // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Физиология растений. - 1989. - 6.

3. Косиинский Г.И. Лабораторный практикум по техно-химическому контролю производства. - Минск: Дизайн ПРО, 1998.

4. Химико-технологический контроль производства солода и пива / П.М. Мальцев, Е.И. Великая, М.В. Зазирная и др. - М.: Пищевая пром-сть, 1976.

Г Рлглмччг Т> о DAnvnr^,n„n IJ I) ТТ

«>, 1 Ш U/niin ULJJAU1 jj/VO X . JL . AI1XHUA*

сидантная система в прорастании семян пшеницы // Изв. АН РФ. Сер. Биология. - 2001. - № 2.

6. Цагарели М.Л., Пруидзе Г.Н. Выделение каталазы из чайного листа // Физиология и биохимия растений. - 1990. - 22. -№ 5.

7. Максименко А.В., Тищенко Е.Г. Модификация каталазы хондроитсульфатом // Биохимия. - 1997. - 62. - Ха 10.

8. Сирота Т.В. Новый подход в исследовании процесса аутоокисления адреналина и использование его для измерения активности супероксиддисмутазы // Вопр. мед. химии. - 1999. - К» 3.

9. Smith I.K., Vierheller T.L., Thorne С.А. Properties and functions of glutathione reductase in plants // Physiol. Plant. -1989. - 77. - № 3.

10. Лакин Г.Ф. Биометрия. - М.: Высш. школа, 1990.

И. Кефели В.И. Природные ингибиторы и фитогормоны. -М.: Наука, 1974.

12. Савчук Т.К. Физиолого-биохимические изменения в зерновках пивоваренного ячменя при хранении: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 2003. - 23 с.

13. Salin M.L. Toxic Oxygen Species and Protective Systems of the Chloroplast // Physiol. Plant. - 1988. - 72.

14. Тарчевский И.А. Регуляторная роль деградации биополимеров и липидов // Физиология растений. - 1992. - 39. - № 6.

15. Larson R. The antioxidants of Higher Plants // Phytochemistri. - 1988. - 27.

16. Андреева В.А. Фермент пероксидаза. - М.: Наука, 1988.

17. Хорунжина С.И. Биохимические и физико-химические основы технологии солода и пива. - М.: Колос, 1999.

18. Рогожин В.В., Верхотуров В.В. Влияние антиокекдаїь тов (дигоксина, кверцетина и аскорбиновой кислоты) на каталитические свойства пероксидазы хрена // Биохимия. - 1998. - 63. - № 6.

Кафедра пищевой технологии

Поступила 20.10.03 г.

664.5.668.5.(Ш.002.612

ОПТИМИЗАЦИЯ АМИНОКИСЛОТНОГО СОСТАВА ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ШРОТА АМАРАНТА

А.Н. ОСТРИКОВ, А.С. ПОПОВ, и.ю. СОКОЛОВ

Воронежская государственная технологическая академия

Получаемые в большинстве случаев экструдированные продукты являются несбалансированными по аминокислотному составу, поскольку основаны чаще всего на одном компоненте (рис, кукуруза и т. п.), поэтому для повышения качества готовой продукции необходима разработка новых поликомпонентных смесей.

В ходе процесса горячей экструзии под действием значительных скоростей сдвига, высоких температуры (140-190°С) и давления (до 25 МПа) происходят качественные изменения в перерабатываемом сырье (денатурация белков, клейстеризация крахмала и другие биохимические изменения). Свойства конечного продукта стабильны в течение длительного срока хранения из-за проведенной высокотемпературной обработки, это позволяет рекомендовать экструдаты как экологически безопасные продукты питания.

В качестве компонентов смеси были выбраны шрот амаранта, рисовая крупа и нут, состав незаменимых аминокислот которых представлен в табл. 1. Белки всех трех объектов исследования имеют свои лимитирующие аминокислоты: белок шрота амаранта - лейцин и валин, белок нута - метионин + цистин, белок риса - лизин и треонин.

Амарант является перспективной культурой, при довольно высокой урожайности (35-60 ц/'га) он отличается высокой сбалансированностью аминокислотного состава, повышенным содержанием витаминов (А, группы В, С, Е, Р), макро- и микроэлементов. Применение шрота, а не зерен амаранта обусловлено технологическими требованиями к производству экструдированных продуктов питания, поскольку рекомендуемое содержание жиров в исходной смеси должно быть не более 5% [1].

Таблица 1

Незаменимая аминокислота Содержание, мг/г белка

Шрот амаранта Нут Рисовая крупа ФАО/ ВОЗ

Валин 41,0 45,3 60,0 50,0

Изолейцин 37,0 67,5 47,1 40,0

Лейцин 56,0 74,9 88,6 70,0

Лизин 59,0 ■ 75,8 37,1 55,0

Метионин + цистин 43,0 30,8 42,2 35,0

Треонин 39,0 38,9 34,3 40,0

Триптофан 9,0 10,9 14,3 10,0

Фенилаланин + тирозин 71,0 77,7 94,3 60,0

Рис - один из наиболее распространенных видов сырья при производстве зерновых завтраков, что связано с наличием в нем большого количества крахмала, основного структурообразующего элемента экструдированных продуктов питания.

Нут - это самая засухоустойчивая зернобобовая культура, отличающаяся устойчивостью к большинству болезней и вредителей, к которым в значительной степени восприимчивы другие культуры семейства бобовых. По питательной ценности нут превосходит все другие виды зерновых бобовых культур, включая горох, чечевицу и сою. Семена нута содержат много фосфора, калия и магния.

Для разработки состава комбинированной смеси использовали следующую методику расчета [2].

1. В разработанную программу внесли данные химического состава компонентов смеси (табл. 1,2).

Таблица 2

Химический состав Содержание, %

Шрот амаранта Нут Рисовая крупа

Вода 10,5 9,3 14,0

Белки 21,1 18,3 7,0

Жиры 2,5 4,7 1,0

Углеводы общие 50,7 54,4 70,7

Зола 5,2 4,3 0,7

Клетчатка 3,8 3,94 0,4