CC BY
32
УДК 664.8
А. В. Алимов, М. Е. Цибизова
Обоснование возможности использования комплексного ферментного препарата для получения пищевых волокон из вторичных ресурсов переработки овощного сырья
Целью работы являлось установление рациональных режимов получения пищевых волокон (ПВ) из вторичных ресурсов овощного сырья. Изучение химических свойств объектов исследования проводили стандартными методами по ГОСТ 26183-84, ГОСТ 7636-85, ГОСТ 25555.3-82, ГОСТ 28561-90. Определение содержания редуцирующих и нередуцирующих сахаров проводили цианидным методом. Определение содержания пектиновых веществ осуществлялось по кальций-пектатному методу. В качестве ферментного препарата апробирован ранее неизученный комплексный ферментный препарат протеолитического и амилолитического действия из культур Bacillus subtilis и Pénicillium emersonii. Изучение термостабильности комплексного ферментного препарата проводилось при варьировании температуры гидролиза от 40 °С до 80 °С. Исследованы фракционный состав углеводов вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и репчатого лука. Содержание ПВ (клетчатка, гемицеллюлоза, пектин) в отходах от переработки кабачков составляет 42 % от общего содержания углеводов, баклажанов - 39,2 % и лука репчатого - 30,4 %. Химический и углеводный составы вторичных ресурсов овощного сырья позволяют рассматривать их как источник ПВ, а также показывают целесообразность их переработки без фракционирования по виду вторичных ресурсов. Определены рациональные режимы гидролиза смеси вторичных ресурсов переработки овощного сырья с целью удаления сопутствующих органических соединений. Максимальная протеолитическая активность ферментного препарата проявляется при температуре 50 °С, амилолитическая активность - при 70 °С. При повышении рН среды с 2,0 до 6,0 протеолитическая и амилолитическая активность достигают максимума и составляют 94 % и 95 % от максимальной, при дальнейшем повышении рН активность снижается. Рациональным значением рН реакционной среды при проведении ферментативного гидролиза в присутствии ферментного препарата является величина рН, равная 6,0. Полученные результаты позволили установить рациональные режимы действия ферментного препарата (температура и рН), которые необходимо использовать при проведении ферментативного гидролиза вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и лука репчатого.
Ключевые слова: вторичные ресурсы переработки овощного сырья, пищевые волокна, ферментативный гидролиз, ферментный препарат, рациональные режимы.
Введение
В Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 г. акцентировано внимание на внедрение принципов рациональной переработки растительного сырья с целью вовлечения в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, образуемых при производстве пищевых продуктов из овощных культур1.
В соответствии с принципами здорового питания поступление ПВ с повседневным рационом должно составлять не менее 20 г, потребление 14 г ПВ на каждые 1 000 ккал рациона питания обеспечивает доказанное учеными снижение риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. При потреблении ПВ в лечебных целях их суточная доза может быть 40 г, но не выше 60 г [1].
Общеизвестно, что овощное сырье является источником ПВ, к которым относят группу полисахаридов, неперевариваемых пищеварительными ферментами человека.
ПВ некрахмальные полисахариды классифицируются на целлюлозу и нецеллюлозные полисахариды. К группе нецеллюлозных полисахаридов относят гемицеллюлозу, пектин, запасные полисахариды, подобные инулину и гуару, растительные камеди и слизи. Лигнин не является углеводом, и его следует рассматривать как отдельное волокно. Целлюлоза (клетчатка) представляет собой высокомолекулярный некрахмальный полисахарид, нерастворимый в воде, являющийся опорным материалом клеточных стенок растений. Гемицеллюлоза образует вместе с целлюлозой клеточные стенки растительных тканей, способна удерживать воду и связывать катионы. Пектины, входящие в состав клеточных стенок и межклеточных образований растений, присутствуют в клеточном соке. Данная группа полисахаридов входит в состав и вторичных сырьевых ресурсов, образуемых в процессе переработки овощного сырья, в том числе и при производстве консервов [2; 3].
По данным ООО "Астраханский консервный комбинат", количество вторичных сырьевых ресурсов в среднем составляет 639 т за сутки, из них около 50 % направляется на корм скоту, остальное утилизируется на специальных мусорных полигонах.
1 Стратегия развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года : утв. распоряжением Правительства Рос. Федерации от 17 апр. 2012 г. N 559-р // Собрание законодательства Рос. Федерации. 2012. № 18. ст. 2246.
Цель работы - установление рациональных режимов получения ПВ из вторичных ресурсов овощного сырья. В качестве источника ПВ рассмотрены образуемые при производстве консервов вторичные ресурсы переработки овощей: лука репчатого, кабачков и баклажанов, а именно кожура лука, баклажанов и кабачков и их плодоножки с чашелистиком и частью мякоти.
Материалы и методы
Изучение химических свойств объектов исследования проводили стандартными методами: определение массовой доли жира - по ГОСТ 26183-84; массовой доли белка - по ГОСТ 7636-85; содержание минеральных веществ - по ГОСТ 25555.3-82; содержание воды - по ГОСТ 28561-90.
Определение содержания редуцирующих и нередуцирующих сахаров проводили цианидным методом, основанным на свойстве редуцирующих моносахаров восстанавливать в щелочной среде феррицианид калия K3[Fe(CN)6] в ферроцианид калия K4[Fe(CN)6] в присутствии индикатора метиленовая синь. По переходу окраски от синей к бесцветной судят об окончании реакции между сахарами и феррицидами. Определение клетчатки основано на разложении всех других органических веществ концентрированной азотной кислотой в смеси с уксусной и трихлоруксусной. Определение содержания пектиновых веществ осуществляется по кальций-пектатному методу, основанному на осаждении пектовых кислот в виде кальциевых солей [4].
В качестве ферментного препарата апробирован ранее неизученный комплексный ферментный препарат протеолитического и амилолитического действия из культур Bacillus subtilis и Pénicillium emersonii.
Результаты и обсуждение
Был изучен химический состав вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и лука репчатого (табл. 1), а также фракционный состав углеводов (рис. 1).
Таблица 1
Химический состав вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и лука репчатого
Вторичные ресурсы овощного сырья Содержание, %
воды белка жира углеводов золы
Кабачки 85,0 ± 1,5 0,6 ± 0,1 0,3 ± 0,04 6,9 ± 0,1 0,4 ± 0,1
Баклажаны 81,0 ± 1,5 1,2 ± 0,1 0,1 ± 0,04 6,4 ± 0,1 0,5 ± 0,1
Лук репчатый 80,1 ± 1,5 1,4 ± 0,1 0,2 ± 0,04 9,1 ± 0,1 1,0 ± 0,1
Полученные данные (табл. 1) показывают, что содержание воды во вторичных ресурсах переработки баклажанов, кабачков и лука репчатого близко и изменяется в пределах 4-5 %, содержание белка минимально, но более высокое его содержание в кожуре лука (в среднем в 2,8 и 2,0 раза выше, чем во вторичных ресурсах, образуемых от переработки кабачков и баклажанов соответственно). Содержание углеводной составляющей также выше в кожуре лука, чем в отходах от переработки кабачков и баклажанов - в 1,3 и 1,4 раза соответственно.
Фракционный состав углеводов вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и репчатого лука (рис. 1) говорит о значительном содержании в них ПВ (клетчатка, гемицеллюлоза, пектин), составляющих в кабачках 42 % от общего содержания углеводов, в отходах от переработки баклажанов и лука репчатого соответственно 39,2 % и 30,4 %, что позволяет рассматривать их как источник ПВ.
Рис. 1. Фракционный состав углеводов вторичных ресурсов переработки баклажанов,
кабачков и репчатого лука
Кроме того, химический и углеводный составы вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и репчатого лука (табл. 1, рис. 1) показали, что является целесообразным перерабатывать их без фракционирования по виду вторичных ресурсов. Поэтому при постановке модельных экспериментов рассматривалась смесь вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачка и репчатого лука, взятых в соотношении 1:1:0,3 соответственно.
При получении ПВ из вторичных ресурсов переработки овощей ключевой задачей является удаление из них сопутствующих органических соединений, не относящихся к группе пищевых волокон, таких как сахара, гликопротеиды, экстрактивные азотистые соединения, органические кислоты, при этом пищевые волокна остаются в твердой фазе, а водорастворимая жидкая фракция сопутствующих органических соединений удаляется.
Для решения поставленной задачи были проведены исследования по установлению рациональных режимов гидролиза смеси вторичных ресурсов переработки овощного сырья с целью удаления сопутствующих органических соединений. Безусловно, на скорость гидролиза влияет вид экстрагента, продолжительность процесса, температура и рН реакционной среды.
Анализ литературных данных показал, что для гидролиза растительного сырья применяют в основном кислотный и ферментативный гидролиз [5]. В то же время установлено, что в результате кислотного гидролиза помимо целевого продукта образуются токсичные примеси, а для его проведения требуется дорогое, энергоемкое и стойкое к коррозии оборудование [6]. Поэтому с нашей точки зрения наиболее перспективным является ферментативный гидролиз, который проходит при более щадящих режимах.
Для ферментативного гидролиза используют широкий спектр ферментных препаратов. Их использование позволяет получить пищевые волокна с улучшенными функционально-технологическими свойствами [7]. Ферментные препараты имеют различное происхождение, но в основном это ферменты микробиологического происхождения. Еще одним не менее важным фактором является выбор фермента для гидролиза вторичных сырьевых ресурсов, который обусловлен свойствами сырья.
При постановке модельных экспериментов ферментативного гидролиза вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и лука репчатого был апробирован комплексный ферментный препарат протеолитического и амилолитического действия из культур Bacillus subtilis и Pénicillium emersonii. Сочетание протеолитического и амилолитического действия ферментного препарата позволит максимально расщепить сопутствующие органические соединения, входящие в состав растительных волокон, повысить выход и адсорбционную способность ПВ. Содержащийся в ферментативном препарате амилолитический фермент осахаривающего типа а-амилаза оказывает разрушающее действие на а-1,4-связи в молекуле крахмала растительной клетки. Действие а-амилазы на крахмал также характеризуется быстрым снижением вязкости раствора и молекулярной массы олигосахаридов. Фермент имеет выраженное сродство к гликозидным связям, удаленным от конца молекулы. Протеолитический фермент протеаза гидролизует пептидные связи, образованные карбоксилами аргинина или лизина, существенным является наличие свободной аминогруппы диаминокислот по соседству с расщепляемой связью [6].
Были проведены исследования по изучению термостабильности апробированного в эксперименте ферментного препарата, которое проводилось при варьировании температуры гидролиза от 40 °С до 80 °С через каждые 5 °С (рис. 2).
120
«
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Температура, °С ■ протеолитическая активность ■ амилолитическая активность
Рис. 2. Изучение термостабильности комплексного препарата из культур Bacillus subtilis и Pénicillium emersonii
Установлено, что максимальная протеолитическая активность ферментного препарата проявляется при температуре 50 °С, что выше его активности при 40 °С в 2,3 раза. Дальнейшее увеличение температуры ферментации до 80 °С приводит к снижению протеолитической активности ферментного препарата, что обусловлено, по-видимому, инактивацией его активного центра. Изучение амилолитической активности ферментного препарата показало, что она максимальна при температуре 70 °С (96 % от максимальной), и дальнейшее повышение температуры приводит к ее постепенному снижению.
Таким образом, по динамике изменения термостабильности ферментного препарата установлено, что рациональный температурный оптимум действия комплексного ферментного препарата 50 °С для проявления максимальной протеолитический активности и 70 °С - для амилолитической активности.
Второй важнейший фактор, от которого зависит активность ферментов, - рН реакционной среды. Установление оптимума протеолитической и амилолитической активности комплексного ферментного препарата из культур Bacillus subtilis и Pénicillium emersonii проведено в диапазоне рН от 2,0 до 9,0 с шагом 0,5 (рис. 3).
Ж
О «
hQ
S
S
о «
cd
S
H О
hQ H О
о к
PQ S
H «
<
100
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
11111111111111
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
■ протеолитическая активность
■ амилолитическая активность
8 8,5 9 Значение рН
Рис. 3. Влияние рН реакционной среды на активность комплексного ферментного препарата
Изучение влияния рН реакционной среды на протеолитическую и амилолитическую активность ферментного препарата (рис. 3) показывает, что при повышении рН среды с 2,0 до 6,0 протеолитическая и амилолитическая активность достигает максимума и составляет 94 % и 95 % от максимальной соответственно, при дальнейшем повышении рН его активность снижается. Таким образом, рациональным значением рН реакционной среды при проведении ферментативного гидролиза в присутствии ферментного препарата является величина рН, равная 6,0.
Установленные рациональные параметры действия ферментного препарата из культур Bacillus subtilis и Pénicillium emersonii представлены в табл. 2.
Таблица 2
Рациональные параметры действия комплексного ферментного препарата из культур Bacillus subtilis и Penicillium emersonii
Ферментативная активность Параметры ферментативного гидролиза
t, °C pH
Протеолитическая активность 50,0 6,0
Амилолитическая активность 70,0 6,0
Заключение
Таким образом, изучение химического состава вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и лука репчатого подтвердило возможность их использования для получения пищевых волокон.
Полученные результаты позволили установить рациональные режимы действия ферментного препарата, которые необходимо использовать при проведении ферментативного гидролиза вторичных ресурсов переработки баклажанов, кабачков и лука репчатого: это температура и рН.
Библиографический список
1. Скурихин И. М., Тутельян В. А. Таблицы химического состава и калорийности российских продуктов питания : справ. М. : ДеЛи принт, 2007. 276 с.
2. Доронин А. Ф., Шендеров Б. А. Функциональное питание. М. : Гранть, 2002. 296 с.
3. Дудкин М. С., Черно Н. К., Казанская И. С. Пищевые волокна. Киев : Урожай, 1988. 152 с.
4. Методы биохимического исследований растений / А. И. Ермаков [и др.] ; под ред. А. И. Ермакова. Л. : Колос, Ленингр. отделение, 1972. 455 с.
5. Основы биохимии / А. А. Анисимов, А. Н. Леонтьева, И. Ф. Александрова, М. С. Каманина. М. : Высш. шк., 1986. 551 с.
6. Грачева И. М., Кривова А. Ю. Технология ферментных препаратов. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Элевар, 2000. 512 с.
7. Безбородов А. М. Ферменты микроорганизмов и их применение // Биотехнология. М. : Наука, 1984. 304 с.
References
1. Skurihin I. M., Tutelyan V. A. Tablitsy himicheskogo sostava i kaloriynosti rossiyskih produktov pitaniya [Tables of the chemical composition and calorie content of the Russian food] : cprav. M. : DeLi print, 2007. 276 p.
2. Doronin A. F., Shenderov B. A. Funktsionalnoe pitanie [Functional food]. M. : Grant, 2002. 296 p.
3. Dudkin M. S., Cherno N. K., Kazanskaya I. S. Pischevye volokna [Food fibers]. Kiev : Urozhay, 1988. 152 p.
4. Metody biohimicheskogo issledovaniy rasteniy [Methods of biochemical researches of plants] / A. I. Ermakov [i dr.] ; pod red. A. I. Ermakova. L. : Kolos, Leningr. otdelenie, 1972. 455 p.
5. Osnovy biohimii [Fundamentals of biochemistry] / A. A. Anisimov, A. N. Leonteva, I. F. Aleksandrova, M. S. Kamanina. M. : Vyssh. shk., 1986. 551 p.
6. Gracheva I. M., Krivova A. Yu. Tehnologiya fermentnyh preparatov [The technology of enzyme preparations]. 2-e izd., pererab. i dop. M. : Elevar, 2000. 512 p.
7. Bezborodov A. M. Fermenty mikroorganizmov i ih primenenie [Enzymes of microorganisms and their application] // Biotehnologiya. M. : Nauka, 1984. 304 p.
Сведения об авторах
Алимов Алексей Викторович - ул. Августовская, 1, г. Астрахань, Россия, 414052;
ООО "Астраханский консервный комбинат", аспирант, начальник отдела технического контроля;
e-mail: [email protected]
Alimov A. V. - 1, Avgustovskaya Str., Astrakhan, Russia, 414052; LLC "Astrakhan Cannery", Ph.D. Student, Head of Technical Control Department; e-mail: [email protected]
Цибизова Мария Евгеньевна - ул. Татищева, 16, г. Астрахань, Россия, 414025; Астраханский государственный технический университет, д-р техн. наук, доцент, профессор; e-mail: [email protected]
Tsibizova M. E. - 16, Tatishcheva Str., Astrakhan, Russia, 414025; Astrakhan State Technical University, Dr оf Tech. Sci., Associate Professor, Professor; e-mail: [email protected]
A. V. Alimov, M. E. Tsibizova
Rationale for using integrated enzymatic preparation for receiving food fibers from secondary resources of vegetable material processing
The purpose of the work is to establish some rational modes of receipt of the food fibers (FF) from secondary resources of vegetable raw materials. Studying chemical properties of research objects has been carried out by standard methods in accordance with the GOST 26183-84, GOST 7636-85, GOST 25555.3-82, GOST 28561-90. Determination of reducing and not reducing sugars content has been performed by the cyanide method; determination of pectinaceous substances' content - by the calcium-pectate method. As an enzyme medicine the earlier not studied complex enzyme medicine of proteolytic and amilolytic action of Bacillus subtilis and Penicillium emersonii cultures has been tested. Studying heat stability of complex enzyme medicine has been carried out at varying of the hydrolysis temperature from 40 °C to 80 °C. The fractional composition of carbohydrates of secondary resources of aubergines, vegetable marrows and onions conversion has been researched. Content of FF (cellulose, gemitsellyuloza, pectin) in waste from conversion of vegetable marrows constitutes 42 % of general content of carbohydrates, aubergines - 39,2 %, and onion - 30,4 %. Chemical and carbohydrate structures of secondary resources of vegetable raw materials allow consider them as FF source, and also shows feasibility of their conversion without fractionation by the form of secondary resources. The rational modes of hydrolysis of vegetable raw materials secondary resources' mix for removing the accompanying organic compounds have been determined. The maximum proteolytic activity of enzyme medicine takes place at the temperature of 50 °C, amilolytic activity - at 70 °C. In case of pH increase from 2.0 to 6.0 proteolytic and amilolytic activity reaches the maximum and constitutes 94 % and 95 % respectively, in case of further increase pH the activity decreases. The rational value of pH of reactionary environment when carrying out enzymatic hydrolysis in the presence of enzyme medicine is pH equal to 6.0. The received results allow set the rational modes of enzyme medicine effect (temperature and pH) necessary for carrying out enzymatic hydrolysis of secondary resources of aubergines, vegetable marrows and onion processing.
Key words: secondary resources of vegetable raw materials processing, food fibers, enzymatic hydrolysis, enzyme preparation, rational modes.
