CC BY
57
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10720 УДК 633.14:664.2; 633.14:557.114
ИЗУЧЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИННОВАЦИОННОЙ НИЗКОПЕНТОЗАННОЙ ОЗИМОЙ РЖИ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КРАХМАЛА И КРАХМАЛОПРОДУКТОВ
Л. П. НОСОВСКАЯ, старший научный сотрудник (e-mail: [email protected])
Л. В. АДИКАЕВА, научный сотрудник В. Г. ГОЛЬДШТЕЙН, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Рожь - потенциальный вид сырья для производства крахмала. Основная сложность технологического процесса ее переработки - высокая вязкость, создаваемая белково-пентозанными комплексами, которая оказывает значительное влияние на процесс извлечения крахмала. Исследовали основной химический состав 9 низкопентозанных сортов озимой ржи селекции Всероссийского института растениеводства им. Н. И. Вавилова: Джин, Новая эра, Фаленская универсальная, Рушник, Подарок, Елисейка, Вавиловская универсальная, Этеч, Волга 3. Массовая доля крахмала в образцах изменялась от 61,2 до 63,8 % сухих веществ зерна, белка (по Кьельдалю) - от 9,3 до 11,7 %. Переработка зерна низкопентозанных сортов озимой ржи Подарок и Волга 3 на крахмал и побочные продукты более эффективна, чем использование с этой целью традиционного сорта Крона. Выход крахмала А, который хорошо отделяется от частиц нерастворимого белка благодаря тому, что в его составе преобладают гранулы размером более 10 мкм, при переработке низкопентозанной ржи увеличивается, по сравнению с использованием в качестве сырья традиционного сорта, на 2,5...2,9 %. В крахмале Б с гранулами размером 10 мкм и менее и удельной массой близкой к величине этого показателя у частичек нерастворимого белка массовая доля белка снижается на 1,0...1,6 % СВ, крахмала на 9...10 % СВ, что снижает потери крахмала с побочными продуктами. Массовая доля пентозанов в зерне ржи оказывает влияние на вязкость водных суспензий, повышение которой снижает количество извлекаемого крахмала и увеличивает его массовую долю в побочных продуктах переработки. Вязкость 3 %-ного водного экстракта, образовавшегося при переработке низкопентозанного сорта ржи Подарок, была в 2 раза меньше величины аналогичного показателя при использовании традиционного сорта ржи Крона. Ключевые слова: озимая рожь (Secale cereale), низко-пентозанные сорта, крахмал, пентозаны, вязкость, водный экстракт.
Для цитирования: Носовская Л. П., Адикаева Л. В., Голь-дштейн В. Г. Изучение использования инновационной низкопентозанной озимой ржи как сырья для производства крахмала и крахмалопродуктов //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 7. С. 83-85. DOI: 10.24411/02352451-2018-10720.
Глубокая переработка зерна предусматривает разделение его на отдельные компоненты, включая извлечение крахмала и белковой фракции, а также других побочных продуктов.
Рожь - потенциальный вид сырья для производства крахмала, в некоторых сортах этой культуры содержание крахмала превышает 60 % СВ зерна [1, 2, 3]. Основной фактор, усложняющий технологический процесс его извлечения - высокая вязкость,
связанная с образованием белково-пентозанных комплексов [3, 4]. Обнаружена корреляция между вязкостью водного раствора ржаного экстракта и количественным содержанием водорастворимых пентозанов ржи [5]. Это объясняет технологические сложности переработки ржи, по сравнению с пшеницей, обусловлены отличием качественного и количественного состава пентозанов. Выход их растворимых соединений из измельченной массы зерна составляет 1,76 % и 0,59 % СВ соответственно, отношение ксилозы к арабинозе - 1:36 и 1:16, средняя молекулярная масса 90 000 и 61 000 дальтон. Кроме того, пентозаны ржи показывают более высокую степень полидисперсности в растворе, чем пентозаны пшеницы [6].
Массовая доля пентозанов в образцах зерна ржи выращенной в Канаде, ФРГ, Венгрии, Швеции, США и СССР достигала 9,2...11,5 % СВ, р-глюканов - 1,2.1,6 % СВ [7]. Пентозаны ржи рассматриваются как главный фактор, ограничивающий ее использование в кормлении животных [8, 9, 10]. При этом известны и положительные свойства пентозанов, которые заключаются в функциональном влиянии на состояние желудочного тракта [11].
В связи с продолжающимся сокращением площадей посева озимой ржи исследования по практическому использованию низкопентозанных сортов этой культуры могут способствовать увеличению спроса на ржаное зерно [12].
Результаты исследований хлебопекарных свойств муки, полученной из зерна ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов, не выявили существенных отличий от муки, выработанной из зерна ржи стандартного сорта [13]. Установлена высокая кормовая ценность низкопентозанных сортов ржи Подарок и Янтарная [14, 15]. Сорт ржи Янтарная по урожайности и зимостойкости не уступает лучшим районированным сортам. Предполагается, что он пригоден для использования в комбикормовой, хлебопекарной, крахмалопаточной и солодовой промышленности [15].
Цель исследования - определение целесообразности использования низкопентозанных сортов ржи в качестве сырья для производства крахмала и крахмалопродуктов.
Условия, материалы и методы. Для исследований использовали зерно сортов низкопентозанной ржи селекции Всероссийского института растениеводства им. Н.И. Вавилова сортов Джин, Новая эра, Фаленская универсальная, Рушник, Подарок, Елисейка, Вавиловская универсальная, Этеч, Волга 3, выращенных в Ленинградской области, а также традиционного сорта озимой ржи Крона, выведенного в Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны. Работу проводили с учетом требований международной организации по стандартизации ISO (ИСО): массовую долю влаги
Таблица 1. Химический состав зерна низкопентозанных сортов ржи и тра диционного сорта озимой ржи Крона, % СВ зерна
Сорт Массовая доля
крахмала белка золы
Джин 61,9 10,9 1,90
Новая эра 61,2 11,7 1,93
Фаленская универсальная 62,4 10,9 1,95
Рушник 62,0 10,5 1,90
Подарок 63,8 9,3 1,90
Енисейка 62,6 9,9 1,95
Вавиловская универсальная 61,9 10,3 1,96
Этеч 62,6 10,6 1,96
Волга 3 63,2 9,4 1,94
Крона 61,5 10,7 1,94
определяли по ГОСТ 13586, белка - на приборе К-424 (ГОСТ 10842); крахмала - с использованием поляриметра Polartronic-N (ГОСТ 10845); золы - по ГОСТ 7698, вязкость - на вискозиметре Геплера с падающим шариком KF 3.2, в соответствии с инструкцией компании Irtech Group.
Переработку зерна в крахмал и побочные продукты осуществляли с использованием метода «завод на
Ряд исследователей предлагает использовать непрямой метод оценки количества пентозанов путем определения вязкости водного экстракта зернового шрота [16, 17, 18, 19]. Для изучения ее влияния на извлечение крахмала проводили определение вязкости водного экстракта, полученного при размоле зерна ржи. Для этого при измельчении замоченного зерна добавляли в блендер разное количество теплой (39...40 °С) воды до достижения концентрации водного экстракта 3; 4 и 5 % СВ.
Результаты и обсуждение. В состав основных компонентов зерна низкопентозанной ржи входят такие же соединения, как и у традиционных сортов, в том числе (в % СВ зерна): 61,2...63,8 крахмала, 9,3...11,7 белка и 1,90.1,96 золы (табл. 1).
Таблица 2. Результаты переработки зерна
Сорт Выход продуктов переработки зерна, % СВ зерна Массовая доля крахмала, % СВ
ржи экстракт мезга белок и крахмал Б крахмал А процессовая вода мезга белок и крахмал Б
Подарок Волга 3 Крона 3,8 4,2 4,2 19,6 19,8 21,2 23,4 24,8 25,8 39.8 39,6 36.9 13,4 11,6 11,9 23,5 24,1 32,1 61,3 59,9 70,2
столе», разработанного во ВНИИ крахмалопродуктов. Метод заключается в замачивании 75 г исследуемого продукта в 0,4 %-ном растворе пиросульфита натрия в течение 48 ч при температуре 48...50 °С, отделении экстракта от зерна, дроблении продукта на блендере Braun (Type 4184) в течение 3 мин. Затем от образовавшейся зерновой кашки отделяли мезгу (нерастворимую клетчатку) на сите, обтянутом капроновой сеткой № 70. Мезгу промывали на этом сите до полного удаления свободного крахмала, который определяли по йодной пробе, высушивали и измеряли содержание связанного крахмала. Крахмалобелковую суспензию разделяли на наклонном жёлобе длиной 2 м. Полученный крахмал (крахмал А) смывали с жёлоба чистой водой, отфильтровывали на воронке Бюхнера под вакуумом с помощью колбы Бунзена через фильтровальную бумагу и высушивали в сушильном шкафу при 45 °С. Отделенный от крахмала нерастворимый белок с крахмалом (крахмал Б) также отфильтровывали на воронке Бюхнера под вакуумом с помощью колбы Бунзена через фильтровальную бумагу и высушивали в сушильном шкафу при 45 °С.
Для изучения эффективности переработки низкопентозанной ржи на крахмал и побочные продукты были выбраны наиболее крахмалистые сорта Подарок и Волга 3, а также сорт традиционной озимой ржи Крона.
Таблица 3. Вязкость водных экстрактов, полученных при размоле замо ченного зерна ржи, мПа-с*
Сорт ржи
Концентрация зернового экстракта, % СВ
4
Подарок Крона
8,0 16,0
16,0 41,3
Относительная погрешность полученных результатов не превышала 0,73
Результаты лабораторной переработки зерна ржи на крахмал и побочные продукты показали более высокую эффективность использования на эти цели низкопентозанной ржи (табл. 2). Так, выход крахмала А в этом случае увеличивается, по сравнению с традиционным сортом, на 2,5...2,9 %. Благодаря уменьшению массовой доли крахмала в таком побочном продукте, как мезга, его выход сокращается. Несмотря на уменьшение содержания растворимых пентозанов, выход зернового экстракта при переработке остался на одном уровне. Выход белка с крахмалом Б в вариантах с использованием низкопентозанных сортов был меньше, чем при переработке ржи сорта Крона, на 1,0...1,6 %, а массовая доля крахмала в этом продукте - на 9...10 %. Улучшение технологических показателей при переработке низкопентозанных сортов ржи может быть объяснено способностью пентозанов впитывать большое количество влаги [11], набухать, пептизироваться, образуя вязкий слизеобразный раствор. Основные структурные элементы пентозанов - пятиуглеродные сахара - арабиноза и ксилоза (арабиноксиланы), которые могут формировать высоковязкие водные растворы при относительно низкой концентрации [12].
В результате эксперимента по определению влияния вязкости водных суспензий на извлечение крахмала установлено, что у водных экстрактов, полученных при
переработке низкопенто-занного сорта ржи Подарок, значительно ниже, чем в варианте с традиционным сортом Крона (табл. 3). Причем по мере роста концентрации экстракта различия увеличиваются с 2 до 3 раз.
35,9 110,1
Выводы. Использование низкопентозанных сортов озимой ржи повышает технологичность и эффективность переработки зерна культуры на крахмал, по сравнению с традиционными сортами. Массовая доля пентозанов в зерне ржи оказывает
значительное влияние на вязкость водных суспензий. В свою очередь, ее увеличение снижает количество извлекаемого крахмала и увеличивает его массовую долю в побочных продуктах переработки стандартных сортов ржи.
Литература.
1. Андреев Н. Р., Лукин Н. Д., Папахин А. А. Рожь как альтернативное сырье в производстве крахмалопродуктов // Инновационные исследования и разработки для научного обеспечения производства и хранения экологически безопасной сельскохозяйственной и пищевой продукции: материалы Международной научно-практической конференции. Краснодар: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий Российской академии сельскохозяйственных наук, 2015. С. 290-293.
2. Андреев Н. Р., Лукин Н. Д., Филиппова Н. И. Рожь - сырье для производства сахаристых и белковых продуктов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2008. № 11. С. 248-253.
3. Андреев Н. Р., Лукин Н. Д., Папахин А. А. Глубокая переработка зерна озимой ржи//Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2014. № 6. С. 9-12.
4. Studies on Rye Starch Properties and Modification. Part I: Composition and Properties of Rye Starch Granules / F. Schierbaum, S. Radosta, M. Richter, etc. // Starch. 1991. Vol. 43. Iss. 9. Pp. 331-339.
5. Исмагилов Р. Р., Гайсина Л. Ф. Сравнительная оценка хлебопекарных качеств зерна и гибридов озимой ржи // Зерновое хозяйство России. 2015. Т. 41. № 5. С. 1-7.
6. Girhammar U., Nair B. M. Isolation, separation and characterization of water soluble non-starch polysaccharides from wheat and rye // Food Hydrocolloids. 1992. Vol. 6. No. 3. Pp. 285-299.
7. Saastamoinen M., Plaami S., Kumpulainen J. Pentosan and -glucan content of Finnish winter rye varieties compared with rye of six other countries. Journal of Cereal Science. 1989. Vol. 10. No. 3. Pp. 199-207.
8. Antoniou T., Marquardt R. R., Cansfield P. E. Isolation, Partial Characterization, and Antinutritional Activity of a Factor (Pentosans) in Rye Grain. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1981. Vol. 29 (6). Pp. 1240-1247.
9. Chotinsky D. The use of enzymes to improve utilization of nutrient in poultry diets. Bulgarian Journal of Agricultural Science. 2015. Vol. 21. № 2. Pp. 429-435.
10. Fengler A. I., Marquardt R. R. Water-soluble pentosans from rye: II. Effects on rate of dialysis and on the retention of nutrients by the chick// Cereal Chemistry. 1987. Vol. 65. Pp. 298-302.
11. Knudsen K. E. B., Laerke H. N. Rye arabinoxylans: Molecular structure, physicochemical properties and physiological effects in the gastrointestinal tract // Cereal Chemistry. 2010. Vol. 87. Pp. 353-362.
12. Изучение инновационной зернофуражной низкопентозанной озимой ржи / В. Д. Кобылянский, О. В. Солодухина, Г. Н. Потапова и др. // Пермский аграрный вестник. 2014. № 1(5). С.10-14.
13. Хлебопекарные свойства муки из зерна ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов / Н. С. Лаврентьева, Л. И. Кузнецова, В. Д. Кобылянский и др. //Хлебопечение России. 2016. № 6. С. 32-34.
14. Кормовые достоинства озимой ржи Подарок / М. Л. Понаморева, С. Н. Понаморев, Г. С. Маннапова и др. // Нива Татарстана. 2016. № 2-3. С. 8-10.
15. Потапова Г. Н., Ткаченко И. В., Галимов К. А. Новый зернофуражный сорт озимой ржи Янтарная // Теория и практика мировой науки. Екатеринбург: Свердловское отделение Международной общественной организации «Международная академия аграрного образования», 2017. № 10. С. 66-69.
16. Гончаренко А. А., Тимошенко А. С. Анализ корреляционной зависимости признаков, определяющих потенциал вязкости водного экстракта зерна озимой ржи //Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2010. № 3. С. 3-6.
17. Гончаренко А. А. Новые направления в селекции озимой ржи на целевое использование // Зернобобовые и крупяные культуры. 2016. № 2 (18). С. 25-31.
18. Extract Viscosity as an Indirect Assay for Water-Soluble Pentosan Content in Rye / D. Boros, R. R. Marquardt, B. A. Slominski, etc. // Cereal Chemistry, 1993. Vol. 70 (5). Pp. 575-580.
19. Prediction of rye flour baking quality based on parameters of swelling curve / S. Stgpniewska, E. Siowik, G. Cacak-Pietrzak, etc. // European Food Research and Technology. 2018. Vol. 244. Pp. 989-997.
USE OF INNOVATIVE WINTER RYE WITH A LOW CONTENT OF PENTOSANS AS A RAW MATERIAL FOR THE PRODUCTION OF STARCH AND STARCH PRODUCTS
L. P. Nosovskaya, L. V. Adikaeva, V. G. Gol'dshtein
All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation Abstract. Rye is a potential raw material for starch production. The main complexity of a technological procedure of its processing is high viscosity due to the complexes of proteins and pentosans, which significantly affects the process of starch extraction. The authors investigated the basic chemical composition of nine varieties of winter rye with the low content of pentosans, originated in the N. I. Vavilov All-Russian Research Institute of Plant Growing: Dzhin, Novaya Era, Falenskaya Universalnaya, Rushnik, Podarok, Elisejka, Vavilovskaya Universalnaya, Etech, Volga 3. The mass fraction of starch in the samples varied from 61.2 to 63.8% of dry matter, the mass fraction of protein, according to the Kjeldahl's method, varied from 9.3 to 11.7%. Processing of grain of winter rye varieties Podarok and Volga 3 with the low content of pentosans for starch and by-products is more effective than of the traditional variety Krona. The output of starch A, which is well separated from the insoluble protein particles due to the fact that granules of more than 10 micrometers in size prevail, increased by 2.5-2.9% when rye with the low content of pentosans is processed in comparison with the use of the traditional variety as raw material. In starch B with granules of 10 micrometers or less and with a specific gravity close to the value of this parameter in insoluble protein particles, the protein mass fraction reduced by 1.0-1.6% of dry matter, starch - by 9-10% of dry matter, which reduces the losses of starch with by-products. The mass fraction of pentosans in rye grain affects the viscosity of aqueous suspensions, the increase of which reduces the amount of starch extracted and increases its mass fraction in by-products of processing. The viscosity of three-percent aqueous extract obtained during the processing of Podarok variety with the low content of pentosans was two times less than the value of the similar parameter for the traditional variety Krona.
Keywords: winter rye (Secale cereale); varieties with low content of pentosans; starch; pentosans; viscosity; water extract. Author Details: L. P. Nosovskaya, senior research fellow (e-mail: [email protected]); L. V. Adikaeva, research fellow; V. G. Gol'dshtein, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow.
For citation: Nosovskaya L. P., Adikaeva L. V., Gol'dshtein V. G.Use of Innovative Winter Rye with a Low Content of Pentosans as a Raw Material for the Production of Starch and Starch Products. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 7. Pp. 83-85 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10720.
