CC BY
82
УДК 664.2:557.15 ^01: 10.24411/0235-2486-2019-10067
0 ферментативной атакуемости различных видов крахмала
З.М. Бородина, канд. техн. наук; Н.Д. Лукин, д-р техн. наук, профессор; А.А. Папахин, канд. техн. наук; В.А. Гулакова ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, п. Красково, Московская обл.
Реферат
Крахмалы, полученные из наиболее известных крахмалсодержащих растений, культивируемых в РФ, характеризовали по химическому составу, морфологии и некоторым физико-химическим свойствам и сравнивали по отношению к действию амилолитических ферментов, традиционно используемых в крахмалопаточном производстве при получении сахаристых крахмалопродуктов (альфа-амилаза, глюкоамилаза). Ферментативную атакуемость испытуемых крахмалов оценивали по накоплению редуцирующих веществ в процессе ферментативного гидролиза 1 %-ной суспензии крахмала в клейсте-ризованном или нативном состоянии до достижения максимальной степени гидролиза. Схемы опытов соответствовали традиционной технологической схеме получения глюкозы, включающей стадию клейстеризации и разжижения крахмала с использованием термостабильной бактериальной альфа-амилазы с последующим осахариванием в присутствии глю-коамилазы, а также разработанной во ВНИИК схеме низкотемпературного биокатализа (50...55 С) нативного крахмала в присутствии глюкоамилазы с одновременным получением двух продуктов: глюкозного сиропа с ГЭ 98-99% и модифицированного пористого крахмала. Установлено, что в процессе клейстеризации и разжижения крахмала наибольшую восприимчивость к действию альфа-амилазы проявляли овсяный и ячменный крахмалы (ГЭ = 25,6% и 28,6% соответственно), наименьшую - картофельный, ржаной, рисовый и гороховый (ГЭ = 18,7; 18,2; 18,3%). Для кукурузного, обычного и ами-лопектинового, пшеничного и соргового крахмалов степень гидролиза при разжижении составила 20-22%. Максимальная ферментативная атакуемость глюкоамилазой для всех испытуемых образцов крахмала в клейстеризованном состоянии составила 96,5±0,5% в пересчете на СВ крахмала. При низкотемпературном биокатализе крахмала глюкоамилазой в не-клейстеризованном состоянии максимальную атакуемость (ГЭ = 73,7%) проявил крахмал кукурузный амилопектиновый, минимальную (ГЭ = 11,7%) - картофельный крахмал, пониженную (Гэ = 32,0-34,1%) - гороховый и ячменный крахмалы. Для остальных зерновых крахмалов ферментативная атакуемость в заданных условиях колебалась в пределах ГЭ = 35-52% в последовательности: ржаной-пшеничный-тритикалевый-сорговый-овсяный-рисовый-кукурузный. Исследования обладают актуальностью и практической пользой при выборе альтернативных видов сырья для получения и переработки крахмала на сахаристые крахмалопродукты и модифицированные крахмалы.
Ключевые слова
амилолитические ферменты, виды крахмала, клейстеризованный крахмал, нативный, степень гидролиза крахмала, ферментативная атакуемость
Цитирование
Бородина З.М., Лукин Н.Д., Папахин А.А., Гулакова В.А. (2019) О ферментативной атакуемости различных видов крахмала // Пищевая промышленность. 2019. № 5. С. 27-32.
About enzymatic susceptibility of different starch types
Z.M. Borodina, Candidate of Technical Sciences; N.D. Lukin, Doctor of Technical Sciences, Professor; A.A. Papakhin, Candidate of Technical Sciences; V.A. Gulakova
All-Russian Scientific Research Institute of Starch Products - Branch of the Federal Research Science Center of Food Systems V.M. Gorbatov RAS, Kraskovo, Moscow region Abstract
The starches obtained from the most well-known starch-containing plants cultivated in the Russian Federation were characterized by chemical composition, morphology, and some physicochemical properties and compared with the action of amylolytic enzymes traditionally used in starch industry in the production of sugary starch products (alpha-amylase, glucoamylase). The enzymatic susceptibility of the tested starch was estimated by the accumulation of reducing substances in the process of enzymatic hydrolysis of a 1% suspension of starch in a gelatinized or native state up to the maximum degree of hydrolysis. The experiments scheme corresponded to the traditional technological scheme of glucose producing, including the stage of starch gelatinization and dilution using thermostable bacterial alpha-amylase with the following saccharification by glucoamylase, as well as the scheme of low-temperature biocatalysis (50...55 °C) of native starch by glucoamylases, developed in VNIIK, with simultaneous production of two products: glucose syrup with DE 98-99% and modified porous starch. It was established that in the course of starch gelatinization and dilution the greatest susceptibility to the action of alpha-amylase showed oat and barley starches (DE - 25,6% and 28,6% respectively), the lowest - potato, rye, rice and pea (DE - 18,7, 18,2, 18,3%). For corn starch, normal and amylopectin, wheat and sorghum starch, the degree of hydrolysis during dilution was 20-22%. The maximum of enzymatic attack by glucoamylase for all tested samples of starch in the gelatinized state was 96.5 ± 0.5%, calculated on the dry matter (DM) of starch. The maximally susceptibility (DE - 73.7%) at the low-temperature biocatalysis of starch in non-gelatinized state by glucoamylase showed amylopectin corn starch, the minimum (DE - 11.7%) - potato starch, lowered (DE - 32.0-34.1 %) - pea and barley starches. For other cereal starches enzymatic susceptibility in the given conditions ranged from DE = 35-52% in the sequence of rye-wheat-triticale-sorghum-oats-rice-corn. The researches have relevance and practical benefits in the selection of alternative raw materials for the production and processing of starch into sugar starch products and modified starches.
Key words
types of starch, native, gelatinized starch, amylolytic enzymes, enzymatic susceptibility, degree of starch hydrolysis Citation
Borodina Z.M., Lukin N.D., Papakhin A.A., Gulakova V.A. (2019) About enzymatic susceptibility of different starch types // Food processing industry = Pishhevaya promyshlennost. 2019. № 5. P. 27-32.
Крахмал, являясь одним из самых широко известных природных биополимеров, вырабатывается из растительного крахмалсодержащего сырья различных видов: зерновых, клубневых и других культур.
Благодаря уникальным свойствам крахмал и его производные широко используются в пищевой промышленности, медицине, бумажной и текстильной индустрии, литейном производстве, нефтебурении, для производства упаковочных материалов и т. д. Производство крахмала и крах-малопродуктов в мире непрерывно растет и занимает одно из ведущих мест в экономике промышленно развитых стран [1].
Возрастающей роли крахмала, несомненно, способствует возможность изменения его свойств путем обработки различными физико-химическими, биологическими или комбинированными способами с получением продуктов - производных крахмала с заданными свойствами: модифицированных крахмалов различного назначения, сахаристых крах-малопродуктов и полимеров нового поколения, что определяет широкий диапазон их использования в самых разнообразных отраслях промышленности.
Для промышленного производства крахмала в различных странах используются местные виды крахмалсодержащего сырья. В России основными видами долгие годы были картофель и кукуруза. В настоящее время их ресурсов для удовлетворения потребностей народного хозяйства в крахмале и крахмалопродуктах недостаточно, значительно возрос импорт этих продуктов и сырья для их производства. Исходя из вышесказанного, разработка и внедрение в производство новых технологий крахмала и его производных из альтернативных видов крахмалоносов -пшеницы, ячменя, сорго, риса, ржи, гороха и др. - являются актуальной задачей науки и крахмалопаточной промышленности РФ.
Изучение морфологии, структурных, физико-химических, технологических и функциональных свойств крахмала и способов их изменения является предметом исследований большого круга ученых в мире. В результате научных исследований за последние десятилетия получены новые знания о синтезе, структуре гранул и свойствах крахмала [2-8, 18].
Установлено, что свойства нативных крахмалов во многом обусловлены видами и свойствами растений-крахмалоносов, условиями их выращивания, уборки, хранения и технологии переработки в крахмал [9-15].
Крахмал образуется в зеленых растениях в процессе сложного биохимического процесса фотосинтеза: путем поглощения растениями световой энергии и усвоения диоксида углерода и воды образуются молекулы глюкозы в различных формах с последующей полимеризацией в структуры
двух полисахаридов: линейной - амилозы и ветвистой - амилопектина.
Амилоза и амилопектин формируют структурный комплекс зерен (гранул), который состоит из кристаллической и аморфной частей. В целом крахмальные зерна имеют плотную полукристаллическую упаковку, амилоза состоит из а-1,4-связанных Д-глюкозных колец и составляет 15-35 % гранул крахмала в большинстве растений, амилопектин представляет собой молекулу, состоящую из а-1,4-Д-гликозидных колец с высокой степенью разветвлений в положении а-1,6-связей [3].
Амилоза и амилопектин различаются по своим свойствам, их соотношение в гранулах сказывается на свойствах крахмала [3, 16, 17]. На свойства крахмала оказывают влияние и примеси крахмала: липиды, протеины, фосфатные группы и др. Липиды найдены в небольших количествах (до 1,5%) во многих крахмалах, особенно в злаковых видах крахмалоно-сов, в виде амилозо-липидных комплексов, что оказывает негативное влияние на свойства крахмала [19-21].
Содержание протеинов составляет 0,10,8 % от общей массы, в зависимости от вида крахмала, они обнаруживаются и на поверхностной, и во внутренней части зерен. некоторые крахмальные зерна (кукурузы, тритикале, сорго и пшеницы) содержат небольшие поры или каналы, расширяющие поверхность зерна в его внутренней части. Предполагается, что через эти поры амилолитические ферменты прокладывают свой путь внутрь зерна, превращая поры в каналы [22, 23]. Существует прямая зависимость между количеством и распределением этих пор и ферментативным разрушением крахмальных гранул в нативном (неклейстери-зованном) состоянии.
Разрушение крахмальных зерен в присутствии воды - гидролиз крахмала -является одним из основных способов изменения его свойств. Процесс гидролиза в мировой практике осуществляется химическим и / или ферментативным способом.
Ферментативный способ гидролиза крахмала в настоящее время является традиционным для производства сахаристых продуктов: патоки с различным углеводным составом, кристаллической глюкозы, глюкозно-фруктозных сиропов. Технология включает стадии клейсте-ризации и декстринизации крахмала при температуре 95...110 °С в присутствии термостабильной бактериальной альфа-амилазы и последующего осахаривания гидролизата с применением грибных амилаз, глюкоамилазы, пуллуланазы до требуемой степени гидролиза, то есть получения продуктов необходимого углеводного состава.
В последние годы в практике появились амилазы нового поколения, способные
гидролизовать крахмал в нативном состоянии (неклейстеризованном), что дает возможность получать модифицированные крахмалы без разрушения гранул, обладающие особыми свойствами.
Во ВНИИ крахмалопродуктов проведены исследования по изучению процесса гидролиза крахмала в нативном состоянии и разработана технология переработки нативного кукурузного крахмала в модифицированный пористый крахмал и концентрированный глюкозный продукт высокого качества (ГЭ 98-99 %) путем одностадийного процесса гидролиза при температуре ниже начальной точки клейстеризации в присутствии глюкоамилазы [24, 25]. Настоящие исследования посвящены изучению состава, свойств и ферментативной атакуемости альтернативных видов крахмала в кластеризованном и нативном состоянии с целью определения возможности их использования в качестве сырьевого источника в производстве модифицированного крахмала и сахаристых продуктов.
Условия, материалы и методы.
Для испытаний в работе использовали образцы крахмалов разного вида, полученные в промышленных и опытно-экспериментальных условиях. Качественные показатели образцов отвечали требованиям соответственных нормативных документов (ГОСТ, ТУ). Наименование и характеристика испытуемых образцов крахмала приведены в табл. 1. Ферментный препарат термостабильной бактериальной альфа-амилазы Spexyme XTRA и препарат глюкоамилазы Optidex L-400 были предоставлены компанией Du Pont (Danisco, США). Амилолитическую (АС, ед./см3) и глюкоамилазную (ГлС, ед./см3) активности препаратов определяли методами, изложенными в ГОСТ Р 54330-2011. Ферментативную атакуемость клейсте-ризованного крахмала (ФАКК) определяли следующим методом: 1 г крахмала (по СВ) взвешивали с точностью ±0,001 г в конической колбе емкостью 250 см3, диспергировали в 100 см3 0,1М ацетатного буфера (рН-5,7), вносили 0,3 см3 раствора Spezyme XTRA из расчета 1 ед. АС /г СВ крахмала. Приготовленную суспензию помещали в кипящую водяную баню, где выдерживали в течение 20 мин при постоянном перемешивании вначале (3 мин) и периодическом в дальнейшем. По истечении 20 мин колбу быстро помещали в стакан с водой (Т 30 °С), охлаждали гидролизат до 62 °С, доводили рН до 4,2 внесением по каплям разбавленного раствора HCl (1:1), пипеткой отбирали в пробирку пробу гидролизата после разжижения (8 см3) и помещали ее в кипящую водяную баню на 10 мин. Колбу с оставшимся гидролизатом помещали на платформу шейкера-инкубатора IKA (предварительно нагретого до 60 °С), гидролизат нагревали до 60 °С, вносили
раствор ферментного препарата Ор1^ех L-400 из расчета 20 ед. ГлС/г СВ крахмала и инкубировали в течение 7 ч при 60 °С и скорости перемешивания 100 об /мин. Производили отбор проб через 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ч в пробирки, которые нагревали в течение 10 мин в кипящей водяной бане и охлаждали. В отобранных пробах гидро-лизата определяли содержание редуцирующих веществ (ГЭ, % по СВ) и углеводный состав методом ВЭЖХ с применением хроматографа марки Bischoff 8120 (Германия). Степень ферментативной ата-куемости крахмала в клейстеризованном состоянии (степень гидролиза) устанавливали по максимальному глюкозному эквиваленту (ГЭ) гидролизатов.
Ферментативную атакуемость нативного крахмала (ФАНК) определяли следующим способом - 3 г СВ крахмала (т) взвешивали в конической колбе вместимостью 100 см3 с точностью ±0,001 г, диспергировали в 22 см3 0,1М ацетатного буфера (рН = 4,2), помещали на платформу шейкера-инкубатора IКА (Германия), нагревали до 50 °С, вносили 5 см3 раствора препарата Ор"Мех L-400 из расчета 45 ед. ГлС/г СВ крахмала и инкубировали при 50 °С с постоянным перемешиванием со скоростью 120 об / мин в течение 6 ч. По окончании инкубации реакционную смесь фильтровали на вакуум-фильтрационной установке, определяли массу фильтрата (т1), содержание в нем сухого вещества (СВ), углеводный состав и массовую долю редуцирующих веществ ГЭ в % по СВ на хроматографе Bischoff 8120. Степень ферментативной атакуемости нативного крахмала, равную степени гидролиза (СГК), рассчитывали по формуле:
где т - масса СВ крахмала в опыте (3 г), г; т1 - масса СВ фильтрата в опыте, г;
СВ - сухое вещество фильтрата, %; ГЭ -массовая доля редуцирующих веществ в фильтрате в пересчете на глюкозу, %.
Содержание амилозы в испытуемых образцах крахмала определяли методом Juliano [26], модифицированным для крахмала и описанным Madenini et al. [27]. Водоудерживающую способность (WBV) и растворимость (L) испытуемых крахмалов определяли методом, описанным в [28], относительную вязкость 3%-ных клейстеров устанавливали на вискозиметре Реотест-II по методике, приведенной в руководстве по эксплуатации прибора. Показатели качества испытуемых крахмалов (СВ, зола, белок и др.) определяли методами ГОСТ 769893 «Крахмал. Правила приемки и методы анализа». Все опыты и анализы проводили не менее чем в трех повторностях. Полученные результаты обрабатывали с использованием методов математической статистики. В статье представлены данные с доверительной вероятностью не менее 95%.
Результаты и их обсуждение. В табл. 1 представлены средние результаты анализов состава и наиболее характерных физико-химических свойств испытуемых образцов крахмала. Как указывалось ранее, крахмалы различных ботанических источников помимо морфологических признаков различаются по своему химическому составу, структурным, физико-химическим и функциональным свойствам. Полученные результаты анализов испытуемых видов крахмала согласуются с данными других исследователей: содержание белковых веществ колеблется в пределах от 0,05% по СВ (в картофельном) до 1,18% по СВ (в гороховом), золы от 0,11 % по СВ (в амилопектиновом) до 0,58% (в рисовом), растворимых СВ -от 0,16 % по СВ (в амилопектиновом) до 2,12% по СВ (в ячменном), амилозы
от 0,05 % по СВ (в амилопектиновом) до 49,7% по СВ (в гороховом) крахмалах. Как видно из табл. 1, растворимые СВ испытуемых крахмалов различны по углеводному составу, определенному методом ВЭЖХ, что вызывает особый интерес.
В кукурузном и картофельном крахмалах содержание растворимых СВ не превышает 0,19% по СВ, и они представлены высокомолекулярными олигосахаридами (ВМС), что можно объяснить присутствием поврежденных гранул крахмала в результате высушивания и измельчения. В других крахмалах растворимые СВ помимо ВМС содержат моно-, ди- и триса-хариды, в частности сорговый, тритикале-вый и рисовый - 45,3%, 47,0% и 32,0% по СВ глюкозы, а овсяный и ячменный -64,2% и 56,8% по СВ мальтозы. Можно предположить взаимосвязь полученных данных со структурными свойствами крахмалов и поведением их при диспергировании в воде при температуре +25 °С в течение 30 мин. Различия показателей водосвязующей способности и растворимости испытуемых крахмалов объясняются их структурными свойствами, а также составом и свойствами примесей. Показатели вязкости 3%-ных клейстеров крахмалов, относительно характеризующие клей-стеризационные и вязкостные свойства образцов, обусловлены зависимостью от природы источника крахмала, размера и формы зерен, размеров полисахаридов амилозы и амилопектина, их соотношения в зерне, природы кристаллических и аморфных областей внутри зерна крахмала и наличия примесей, что доказано многочисленными исследованиями.
Наиболее важными свойствами крахмала как сырья для промышленного производства сахаристых крахмалопродуктов и модифицированных крахмалов путем биоконверсии крахмала с применением амилолитических ферментов являются клейстеризация, ретроградация и фер-
Химический состав и свойства крахмалов различного происхождения
Таблица 1
св, % Белок, Зола, Кислот- Раствори- WBV L при Вяз-кость 3%-ного клейстера, мПа^с Ами- Углеводный состав растворимых СВ, %
№ Крахмал % по СВ % по СВ 0,1М NaOH на 100 г СВ мые СВ по ШОХу, % при 55 •С, г/г 55°С,% по СВ лоза, % по СВ Глюкоза Мальтоза Мальто-триоза ВМС
1 Кукурузный 87,5 0,41 0,12 15,7 0,20 1,10 0,50 51,5 24,9 0,0 0,0 0,0 100
2 Кукурузный амилопектиновый 90,3 0,32 0,11 12,1 0,16 1,49 0,50 154,5 0,05 0,0 0,0 0,0 100
3 Картофельный 82,1 0,05 0,20 6,2 0,19 1,33 0,69 3574,3 23,7 0,0 0,0 0,0 100
4 Пшеничный 90,8 0,38 0,19 18,6 0,36 1,33 0,97 42,2 25,9 0,7 58,2 7,2 33,9
5 Ржаной 88,1 0,42 0,16 17,5 0,76 1,25 1,17 22,8 25,4 3,7 21,2 10,8 64,3
6 Гороховый 88,8 1,18 0,13 16,2 0,59 1,50 1,07 18,2 49,7 0,0 14,2 16,7 69,1
7 Сорговый 89,1 0,86 0,19 16,4 0,55 1,23 0,81 48,7 30,3 45,3 11,1 0,0 43,6
8 Тритикалевый 87,9 0,38 0,15 13,4 0,31 1,15 0,51 50,1 25,7 47,0 0,0 0,0 53,0
9 Рисовый 90,4 0,82 0,58 18,2 0,21 1,36 0,37 94,1 23,8 32,0 0,0 0,0 68,0
10 Овсяный 87,4 0,80 0,23 14,3 2,09 1,20 2,15 92,9 17,9 8,5 64,2 5,8 21,5
11 Ячменный 88,7 0,64 0,16 15,7 2,12 1,21 2,50 25,1 24,1 1,4 56,8 7,7 34,1
Прим.: WBV - водосвязующая способность, г/г; L - водорастворимость, % по СВ.
ментативная атакуемость, так как вышеуказанные свойства проявляются при проведении реакции гидролиза крахмала под действием ферментов.
Восприимчивость различных видов крахмала к действию амилолитических ферментов, осуществляющих катализ процесса гидролиза крахмала при получении сахаристых продуктов, оценивали путем проведения опытов вышеизложенными методами. Полученные средние результаты степени гидролиза испытуемых крахмалов в клейстеризованном и нативном состоянии представлены в табл. 2 и на рисунке.
Анализ динамики накопления редуцирующих веществ (ГЭ) в процессе гидролиза крахмала по традиционной схеме, включающей стадии клейстеризации и декстринизации в присутствии термостабильной бактериальной альфа-амилазы и последующего осахаривания глюкоамилазой, показал, что для всех
испытуемых крахмалов в одинаковых условиях максимальная степень гидролиза (СГК) составляла 96,7-97,2% по СВ при продолжительности процесса осаха-ривания 5-6 ч.
Следует отметить, что при действии альфа-амилазы на стадии декстриниза-ции наблюдались более значимые различия в степени гидролиза различных крахмалов.
наибольшую восприимчивость к действию альфа-амилазы в заданных условиях проявили овсяный и ячменный крахмалы (СГК 25,6 и 28,6 % соответственно). Для амилопектинового, пшеничного и соргового крахмалов степень гидролиза составила 21,0-22,5% СГК, для кукурузного, картофельного, ржаного, рисового и тритикалевого - 18,0-20,0% СГК.
Различия действия альфа-амилазы на крахмал различных видов показал углеводный состав гидролизатов, определенный методом ВЭЖХ. В гидролиза-тах кукурузного, картофельного, рисового и горохового крахмалов угле-
воды в условиях опыта (Т = 95.100 °С, т = 20 мин) представлены олигосахари-дами (ВМС) со степенью полимеризации СП4+, в гидролизатах других крахмалов присутствовали глюкоза и /или мальтоза, наибольшее их содержание обнаружено в гидролизатах овсяного и ячменного крахмалов: 8,03% и 11,06% по СВ глюкозы и 2,56% и 3,53% мальтозы соответственно. на действие амилаз в процессе гидролиза крахмала, как известно, оказывают влияние свойства крахмала (клейстери-зационные, вязкостные), его структура, соотношение амилозы и амилопектина в молекуле, размер гранул и др., а также наличие примесей, входящих в состав гранул (липиды, белки), которые образуют комплексные соединения с молекулами, что препятствует действию амилаз [24, 29-31]. Это и обуславливает некоторые различия в действии альфа-амилазы на крахмал различных видов на стадии клейстеризации и декстринизации.
Атакуемость клейстеризованных и частично гидролизованных крахмалов глюкоамилазой, расщепляющей а-1,4-гликозидные связи в амилопекти-не и амилозе в первые часы процесса осахаривания, протекала интенсивно, однако показатели степени гидролиза (СГК) для разных крахмалов имели существенные различия. Это можно объяснить как свойствами крахмала, так и степенью гидролиза альфа-амилазой при декстри-низации, известно, что глюкоамилаза обладает сродством к крупным полимерам, их атакует быстрее, а после 2 ч осахари-вания скорость реакции снижается и к 5 ч выравнивается для всех крахмалов, достигая максимальной величины степени гидролиза, равной для всех испытуемых крахмалов 97,0±0,1% по СВ крахмала, за исключением картофельного крахмала, уже к 4 ч достигшего максимальной степени гидролиза СГК = 95,8 %, после чего реакция прекратилась. Оставшиеся
Ферментативная атакуемость крахмала различных видов, СГК % по СВ
Таблица 2
Процесс
Фермент, доза, ед./г
Т, °С
рн
Кукурузный
Кукурузный амилопек-тиновый
Картофель-ный
Пше-нич-ный
Ржаной
Гороховый
Сорго-вый
Три-тика-левый
Рисовый
Овсяный
Яч-мен-ный
Клейстеризация и декстринизация крахмала
а-амилаза, 1,0 ед. АС/г СВ
95-100 0,3 5,7 19,92
20,95
18,7 22,62 18,2 18,3 22,64 20,20 18,30 25,6 28,6
0,5 64,5 62,3 69,6 63,8 65,8 65,8 65,6 63,3 66,2 61,2 61,6
1,0 78,2 76,0 81,2 82,7 80,9 83,6 84,7 79,5 77,8 81,5 79,4
Осахаривание Глюкоами-лаза, 20,0 ед. ГлС/г СВ 2,0 60 |;0 4,2 88,7 93,2 87,8 93,8 91,3 95,6 91,9 95,8 92,9 96,0 93,6 96,8 92,9 96,5 90,4 93,3 91,8 65,4 88,3 94,8 90,5 93,9
крахмала 96,2 96,3 95,8 96,5 96,6 96,9 96,7 96,6 96,2 95,8 96,6
5,0 96,6 97,0 95,8 96,7 96,9 97,0 96,7 96,7 96,8 96,8 96,8
6,0 96,7 97,2 95,8 96,6 96,7 96,7 96,6 96,7 97,0 96,7 97,0
7,0 96,6 97,2 95,6 96,6 96,6 96,6 96,4 96,6 96,8 96,6 96,9
Осахаривание на-тивного крахмала
Глюкоами-лаза, 45,0 ед. ГлС/г СВ
50
6,0 4,2 46,4
73,7
1,7 39,4 35,9 32,0 45,5 41,2 50,9 50,7 34,1
Ферментативная атакуемость различных видов крахмала в нативном и клейстеризованном состоянии
т, ч
в данных условиях негидролизованными СВ крахмала (-3-4 % ВМС), очевидно, представляют собой растворенные полисахариды, не содержащие нереду-цирующих концов молекул, на которые действует глюкоамилаза. Увеличение продолжительности осахаривания до 7 ч не привело к увеличению СГК во всех опытах, следовательно, показатель 3-4% СВ крахмала можно считать степенью устойчивости (резистентности) испытуемых крахмалов в заданных условиях к действию амилолитических ферментов.
Ранее нами было установлено, что на неклейстеризованный крахмал наиболее активно действует глюкоамилаза [31], поэтому опыты по изучению ферментативной атакуемости нативного крахмала различных видов проводили по описанной выше схеме. Условия опытов: Т = 50 °С, т = 6 ч, доза глю-коамилазы 45,0 ед. ГлС/г СВ крахмала. Полученные результаты представлены в табл. 2. Данные показали, что при низкотемпературной биоконверсии в гетерогенной среде испытуемые крахмалы в нативном состоянии, как и предполагалось, проявили разную восприимчивость к действию глюкоамилазы с достижением степени гидролиза (СГК, % по СВ крахмала) от 11,7 % для картофельного до 73,7 % для кукурузного амилопекти-нового крахмала. Глюкозный эквивалент фильтрата, полученного при разделении гидролизата реакционной смеси после инкубации в течение 6 ч, был равен 100 % (определено методом ВЭЖХ), то есть при действии глюкоамилазы на нативные крахмалы при температуре ниже начальной точки клейстеризации в раствор переходят лишь молекулы глюкозы. Различия в степени гидролиза испытуемых крахмалов, безусловно, выражены влиянием на действие глю-коамилазы морфологических, структурных и физико-химических свойств крахмалов, которые, в свою очередь, связаны с их происхождением и технологией получения. Данное утверждение согласуется с выводами большого числа исследователей по изучению строения крахмалов, их свойств и восприимчивости или устойчивости (резистентности) к действию ферментов.
На основании полученных данных можно сделать вывод о возможности использования испытуемых видов крахмала в качестве сырья в производстве сахаристых продуктов традиционным ферментативным способом, включающим стадию клейстеризации при высокой температуре.
При проведении низкотемпературной ферментативной модификации на-тивного крахмала без клейстеризации наиболее приемлемыми для получения легко перевариваемых крахмалопро-дуктов являются зерновые крахмалы: кукурузный (амилопектиновый и нор-
мальный), рисовый, овсяный и сорговый. Для получения резистентных крах-малопродуктов вследствие их низкой ферментативной атакуемости перспективным представляется использование картофельного, ячменного и горохового крахмалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев, Н. Р. Основы производства нативных крахмалов / Н. Р. Андреев. М.: Пищепромиздат, 2001. - 289 с.
2. Cornuejols, D. Starch: a structural mystery / D. Cornuejols, S. Perez // Sci. School. -2010. - Vol. 14. - P. 22-27.
3. Perez, S. The molecular structures of starch components and their contribution to the architecture of starch granules: A comprehensive review. / S. Perez, E. Bertoft // Starch / Starke. - 2010. - Vol. 62. -P. 389-420.
4. Tester, R.F. Starch - composition, fine structure and architecture / R.F. Tester [et al.] // J. Cereal Chem. - 2004. - Vol. 39. -P. 151-165.
5. Jenkins. P.J. The influence of amylase on starch granule structure / P.J. Jenkins, A. M. Donald // International Journal of Biological Macromo[ecu[es. - 1995. - Vol. 17. -P. 315-321.
6. Matveev, Y.I. The relationship between thermodynamic and structure properties of low and high amylase maize starches / Y. I. Matveev [et al.] // Carbohydrate Polymers. - 2001. - Vol. 44. - P. 151-160.
7. Gomand, S.I/. Structural and physicochemical characterization of rye starch / S.V. Gomand [et al.] // Carbohydrate Research. - 2011. - Vol. 346. - P. 27272735.
8. Cai, J. Relationship between structure and functional properties of normal rice starches with different amylase contents / J. Cai [et al.] // Carbohydrate Polymers. - 2015. -Vol. 125. - P. 34-44.
9. Jenkins, P.J. A universal feature in the structure of starch granules from different botanical sources / P.J. Jenkins [et al.] // Starch / Starke. - 1995. - Vol. 45. - P. 417420.
10. Srichuwong, S. Starches from different botanical sources. 1. Contribution of amylopectin fine structure to thermal properties and enzymes digestibility / S. Srichuwong [et al.] // Carbohydr. Polym. - 2005. -Vol. 60. - P. 529-538.
11. Hoover, R. Composition molecular structure, and physicochemical properties of tuber and root starches: a review / R. Hoover // Carbohydrate Polymers. - 2001. -Vol. 45. - P. 253-267.
12. Nhan, M. T. Effect of variety and growing environment on pasting and thermal properties of wheat starch / M.T. Nhan, L. Copeland // Starch / Starke. - 2016. - Vol. 68. - P. 436445.
13. Thitisaksakul, M. Effect of environmental factors on cereal starch / M. Thitisaksakul //
Journal of Cereal Science. - 2012. - Vol. 56. -P. 67-80.
14. Tester, R. The effect of environmental conditions on the structural features and physicochemical properties of starches / R.F. Tester, J. Karkalas // Starch / Starke. -2001. - Vol. 53. - P. 513-519.
15. Setiawan, S. Effect of drying conditions of corn kernels and storage at an elevated humidity on starch structure and properties / S. Setiawan [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2010. - Vol. 58. -P. 12260-12267.
16. Yuryev, /.P. Thermodynamic properties of barley starches with different amylase content / V. P. Yuryev [et al.] // Starch / Starke. -1998. - Vol. 50. - P. 463-466.
17. Jenkins, P.J. The influence of amylase on starch granule structure / P.J. Jenkins, A.V. Donald // International Journal of Biological Macromo[ecu[es. - 1995. - Vol. 17. -P. 315-321.
18. Bertoft, E. Understanding starch structure: recent progress / E. Bertoft // Agronomy. - 2017. - Vol. 56. - № 7. - DOI: 10.3390 / agronomy7030056.
19. Han, X.-Z. Location of starch granule-associated proteins revealed by confocal laser scanning microscopy / X.-Z. Han, B.R. Hama-ker // Journal of Cereal Science. - 2002. -Vol. 35. - P. 109-116.
20. Morrison, W. R. Starch lipids and how they relate to starch granule structure and functionality / W. R. Morrison // Cereal Food World. - 1995. - Vol. 40. - P. 437446.
21. Jane, J. Phosphorus in rice and other starches / J. Jane [et al.] // Cereal Foods World. - 1996. - Vol. 41. - P. 827832.
22. Naguleswaran, S. Amylolysis of large and small granules of native triticale, wheat and corn starches using a mixture of a-amylase and glucoamylase / S. Naguleswaran [et al.] // Carbohydrate Polymers. - 2012. - Vol. 88. -P. 864-874.
23. Sujka, M. Characteristics of pores in native and hydrolyzed starch granules / M. Sujka // Starch / Starke. - 2010. - Vol. 62. -P. 229-235.
24. Лукин, Н.Д. Исследование действия амилолитических ферментов на нативный крахмал различных видов в гетерогенной среде / Н.Д. Лукин [и др.] // Достижения науки и техники АПК. - 2013. - № 10. -С. 62-64.
25. Папахин, А. А. Научно-практические аспекты технологии низкотемпературной биоконверсии нативного крахмала / А.А. Папахин, З.М. Бородина, В.А. Гулакова // Пищевая промышленность. - 2018. - № 10. -C. 20-24.
26. Juliano, B.O. A simplified assay for milled-rice amylase / B. O. Juliano // Cereal Science Today. - 1971. - Vol. 16. - P. 334360.
27. Madenini, M.N. Physico-chemical and functional properties of starch isolated from ginger spent / M. N. Madenini [et al.] //
Starch/Starke. - 2011. - Vol. 63. - P. 570578.
28. Рихтер, М. Избранные методы исследования крахмала / М. Рихтер, З. Ау-густат, Ф. Ширбаум; пер. с нем.; под ред. Н.П. Козьминой, В.С. Грюнера. - М.: Пищевая промышленность, 1975. - 183 с.
29. Qi,X. Effect composition and structure of native starch granules on their susceptibility to hydrolysis by amylase enzymes / X. Qi, R. F. Tester // Starch / Starke. - 2016. -Vol. 68. - P. 811-815.
30. Qi, X. Effect of native starch granule size on susceptibility to amylase hydrolysis / X. Qi, R.F. Tester // Starch / Starke. - 2016. -Vol. 68. - P. 811-815.
31. Папахин, А.А. Разработка технологии продуктов низкотемпературной биоконверсии нативного крахмала: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.07 / Папахин Александр Алексеевич. - М., 2016. - 169 с.
REFERENCES
1. Andreev, N.R. Osnovy proizvodstva nativnyh krahmalov / N.R. Andreev. M.: Pishhepromizdat, 2001. - 289 s.
2. Cornuejols, D. Starch: a structural mystery / D. Cornuejols, S. Perez // Sci. School. -2010. - Vol. 14. - P. 22-27.
3. Perez, S. The molecular structures of starch components and their contribution to the architecture of starch granules: A comprehensive review. / S. Perez, E. Bertoft //
Starch / Starke. - 2010. - Vol. 62. -P. 389-420.
4. Tester, R.F. Starch - composition, fine structure and architecture / R. F. Tester [et al.] // J. Cereal Chem. - 2004. - Vol. 39. -P. 151-165.
5. Jenkins. P.J. The influence of amylase on starch granule structure / P.J. Jenkins, A. M. Donald // International Journal of Biological Macromo[ecu[es. - 1995. - Vol. 17. -P. 315-321.
6. Matveev, Y.I. The relationship between thermodynamic and structure properties of low and high amylase maize starches / Y. I. Matveev [et al.] // Carbohydrate Polymers. - 2001. - Vol. 44. - P. 151-160.
7. Gomand, S. V. Structural and physicochemical characterization of rye starch / S.V. Gomand [et al.] // Carbohydrate Research. - 2011. - Vol. 346. - P. 27272735.
8. Cai, J. Relationship between structure and functional properties of normal rice starches
with different amylase contents / J. Cai [et al..] // Carbohydrate Polymers. - 2015. -Vol. 125. - P. 34-44.
9. Jenkins, P.J. A universal feature in the structure of starch granules from different botanical sources / P.J. Jenkins [et al..] // Starch / Starke. - 1995. - Vol. 45. - P. 417-420.
10. Srichuwong, S. Starches from different botanical sources. 1. Contribution of amylopectin fine structure to thermal properties and enzymes digestibility / S. Srichuwong [et al.] // Carbohydr. Polym. - 2005. -Vol. 60. - P. 529-538.
11. Hoover, R. Composition molecular structure, and physicochemical properties of tuber and root starches: a review / R. Hoover // Carbohydrate Polymers. - 2001. -Vol. 45. - P. 253-267.
12. Nhan, M.T. Effect of variety and growing environment on pasting and thermal properties of wheat starch / M. T. Nhan, L. Copeland // Starch / Starke. - 2016. - Vol. 68. -P. 436-445.
13. Thitisaksakul, M. Effect of environmental factors on cereal starch / M. Thitisaksakul // Journal of Cereal Science. - 2012. - Vol. 56. -P. 67-80.
14. Tester, R. The effect of environmental conditions on the structural features and physicochemical properties of star-ches / R.F. Tester, J. Karkalas // Starch / Starke. -2001. - Vol. 53. - P. 513-519.
15. Setiawan, S. Effect of drying conditions of corn kernels and storage at an elevated humidity on starch structure and properties / S. Setiawan [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 2010. - Vol. 58. -P. 12260-12267.
16. Yuryev, V.P. Thermodynamic properties of barley starches with different amylase content / V. P. Yuryev [et al.] // Starch / Starke. -1998. - Vol. 50. - P. 463-466.
17. Jenkins, P.J. The influence of amylase on starch granule structure / P.J. Jenkins, A. V. Donald // International Journal of Biological Macromol.ecul.es. - 1995. - Vol. 17. -P. 315-321.
18. Bertoft, E. Understanding starch structure: recent progress / E. Bertoft // Agronomy. - 2017. - Vol. 56. - № 7. - DOI: 10.3390 / agronomy7030056.
19. Han, X.-Z. Location of starch granule-associated proteins revealed by confocal laser scanning microscopy / X.-Z. Han, B.R. Hamaker // Journal of Cereal Science. - 2002. - Vol. 35. -P. 109-116.
20. Morrison, W. R. Starch lipids and how they relate to starch granule structure and functionality / W. R. Morrison // Cereal Food World. - 1995. - Vol. 40. - P. 437446.
21. Jane, J. Phosphorus in rice and other starches / J. Jane [et al.] // Cereal Foods World. - 1996. - Vol. 41. - P. 827-832.
22. Naguleswaran, S. Amyl.ol.ysis of large and small granules of native triticale, wheat and corn starches using a mixture of a-amylase and gl.ucoamyl.ase / S. Naguleswaran [et al.] // Carbohydrate Polymers. - 2012. - Vol. 88. -P. 864-874.
23. Sujka, M. Characteristics of pores in native and hydrolyzed starch granules / M. Sujka // Starch / Starke. - 2010. - Vol. 62. -P. 229-235.
24. Lukin, N. D. Issledovanie dejstvija amiloliticheskih fermentov na nativnyj krah-mal razlichnyh vidov v geterogennoj srede / N.D. Lukin [i dr.] // Dostizhenija nauki i teh-niki APK. - 2013. - № 10. - S. 62-64.
25. Papakhin, A. A. Nauchno-prakticheskie aspekty tehnologii nizkotemperaturnoj biokonversii nativnogo krahmala / A.A. Papakhin, Z.M. Borodina, V.A. Gulakova // Pish-hevaja promyshlennost'. - 2018. - № 10. -C. 20-24.
26. Juliano, B. O. A simplified assay for milled-rice amylase / B. O. Juliano // Cereal Science Today. - 1971. - Vol. 16. -P. 334-360.
27. Madenini, M.N. Physico-chemical and functional properties of starch isolated from ginger spent / M. N. Madenini [et al.] // Starch / Starke. - 2011. - Vol. 63. - P. 570578.
28. Rihter, M. Izbrannye metody issle-dovanija krahmala / M. Rihter, Z. Augus-tat, F. Shirbaum; per. s nem.; pod red. N. P. Koz'minoj, V.S. Grjunera. - M.: Pish-hevaja promyshlennost', 1975. - 183 s.
29. Qi, X. Effect composition and structure of native starch granules on their susceptibility to hydrolysis by amylase enzymes / X. Qi, R. F. Tester // Starch / Starke. - 2016. -Vol. 68. - P. 811-815.
30. Qi, X. Effect of native starch granule size on susceptibility to amylase hydrolysis / X. Qi, R.F. Tester // Starch / Starke. - 2016. -Vol. 68. - P. 811-815.
31. Papakhin, A.A. Razrabotka tekhnologii produktov nizkotemperaturnoj biokonversii nativnogo krahmala: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.18.07 / Papakhin Aleksandr Alek-seevich. - M., 2016. - 169 s.
Авторы
Бородина Зинаида Михайловна, канд. техн. наук, Лукин Николай Дмитриевич, д-р техн. наук, профессор, Папахин Александр Алексеевич, канд. техн. наук, Гулакова Валентина Андреевна
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 140051, Московская обл., п. Красково, ул. Некрасова, д. 11, vniik@arrisp.ru
Authors
Borodina Zinaida Mikhayiovna, Candidate of Technical Sciences, Lukin Nikoiay Dmitrievich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Papakhin Alexander Alekseyevich, Candidate of Technical Sciences, Gulakova Vaientina Andreevna vniik@arrisp.ru
All-Russian Research Institute of Starch Products - a branch of the Federal Science Center of Food Systems V.M. Gorbatov RAS, 11, Nekrasov str., Kraskovo, Lyubertsy district, Moscow region, 140051
