CC BY
83
УДК: 577.152.321: 635.24
Т. И. Шатилова, О. С. Соколова, С. Л. Белопухов,
В. Т. Семко, И. С. Витол, Г. П. Карпиленко, И. Г. Шайхиев
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ ИЗ ТАПИНАМБУРА
НА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ. 1. ИНУЛИН
Ключевые слова: топинамбур, инулин, фруктоза, инулаза, пищевые волокна, фруктозный сироп.
В статье приводятся сведения о содержании основных углеводных компонентов топинамбура (инулина и фруктозы) и инулазной активности в зависимости от условий выращивания и сроков сбора урожая. Исследование инулазной активности клубней топинамбура выявило, что суммарная активность растворимой и связанной форм ферментов клубней в 3-4 раза превышает активность ферментов сока и за 4 часа гидролизует инулин на 75-80 %. Показано, что клубни топинамбура как осеннего, так и весеннего урожаев могут быть использованы для получения растворимых пищевых волокон и фруктозных сиропов.
Keywords: artichoke, inulin, fructose, inulase, dietary fiber, fructose syrup.
The article provides information about the content of the main carbohydrate components of Jerusalem artichoke (inulin and fructose) and inulaznoy activity depending on growing conditions and timing of the harvest. Study inulaznoy artichoke tubers activity revealed that the total activity of soluble and bound forms of the enzymes tubers 3-4 times the juice and the enzyme activity of 4 hours to hydrolyse inulin 75-80 %. It is shown that the Jerusalem artichoke tubers in both autumn and spring crops can be used to produce soluble dietary fiber and fructose syrups.
Топинамбур (Helianthus tuberous) - вид многолетних травянистых клубненосных растений семейства сложноцветных (Compositae), рода Helianthus. Благодаря высокой урожайности, неприхотливости к почвенным, климатическим условиям и уникальному химическому составу, топинамбур все более активно изучается с целью использования при производстве пищевых продуктов общего и лечебно-профилактического назначения [1].
Различают раннеспелые, среднеспелые и позднеспелые сорта топинамбура. Урожайность клубней достигает 10-50 т/га. К основным требованиям сортов топинамбура для промышленной переработки можно отнести: размер и выравненность клубней, а также повышенное содержание фруктозанов [2].
Химический состав клубней топинамбура зависит от сорта, почвенно-климатических условий, агротехники, сроков уборки урожая (весна, осень) [3]. Так, содержание сухих веществ в клубнях колеблется в пределах 19-30 %, содержание азотистых веществ варьируется в пределах от 4,3 до 11,0 %, по сбалансированности незаменимых аминокислот топинамбур превосходит зерно злаков. Клубни топинамбура богаты витаминами. В них содержится витамин Bj (тиамин), В2 (рибофлавин), РР (никотиновая кислота), значительное количество аскорбиновой кислоты (витамин С). Общим для всех сортов является достаточно высокое содержание витамина B7 (витамин Н - биотин), они обладают активным комплексом ферментов, гидролизующих инулин, и другие физиологически активные вещества, как это было показано ранее [1,4-6].
Интерес к топинамбуру связан, в первую очередь, с особенностями его углеводного комплекса, основу которого составляют фруктоза и ее полимеры различной степени сложности, высшим гомологом которых является инулин. Обычно в
клубнях топинамбура, как и в некоторых других растениях, находится не чистый инулин, а смесь фруктозанов, а именно инулин (степень полимеризации 30 и выше) и большая группа так называемых левулезанов или инулидов (степень полимеризации от 3 до 30).
Инулин относится к группе растворимых волокон, являющийся ^восстанавливающимся полисахаридом, недающий с йодом окраски. В настоящее время известны три формы инулина: а-инулин (белый аморфный порошок), р-инулин (бесцветные кристаллы), у-инулин. Они отличаются молекулярной массой, степенью полимеризации, температурой растворения, способом получения и т.д. [1].
При разработке современных способов переработки растительного сырья, в том числе и клубней топинамбура, необходимо иметь представления о собственных ферментных системах сырья, поскольку без этого трудно прогнозировать оптимальные режимы его переработки.
Фермент инулаза (инулин-1-фруктаногидролаза, ЕС.3.2.1.7, гидролизует Р-1,2 фруктановые связи в инулине), был открыт в 1887 г. при исследовании прорастающих клубней топинамбура.
Исследования инулазной активности клубней топинамбура показали, что в них содержится, как растворимая, так и связанная формы фермента. Большей активностью обладают связанные формы последнего. Выявлены оптимальные условия действия инулиназ: 1 = 45-50 °С, рН = 6,0. Показано, что внесение ионов Са2+ повышает активность инулиназ на 20-30 %. [7-9].
Высокое содержание инулина и других фруктозанов, а также активных инулаз, гидролизующих фруктозаны с образованием олигодекстринов и фруктозы, позволяет говорить об использовании клубней топинамбура как источника функциональных компонентов при производстве новых продуктов питания: хлеба, хлебобулочных и
кондитерских изделий, получения биопрепаратов [1, 5, 10-16].
Материалы и методы исследования
Объектом исследования служили клубни топинамбура, выращенные в Московской области, урожая 2011 - 2014 года, время сбора урожая -весна, осень.
Определение массовой доли инулина производилось путем его извлечения из растительного сырья горячей водой и последующего кислотного гидролиза.
Определение инулазной активности клубней и сока из клубней топинамбура проводили по начальной скорости ферментативной реакции гидролиза инулина и накопления фруктозы при оптимальных условиях, которые были подобраны экспериментально. Содержание восстанавливающих сахаров проводилось методом Бертрана (с пересчетом на фруктозу). Определение растворимого белка - методом Лоури.
Обсуждение результатов
Изучение химического состава клубней топинамбура, выращенного в Московской области, выявило некоторые отличия в содержании белка и инулина в образцах осеннего и весеннего сроков уборки урожая. Усредненные значения за несколько лет представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав клубней топинамбура осеннего и весеннего урожая
Анализ распределения инулина по анатомическим частям клубней топинамбура показал, что покровные слои (10 % снятия), верхние слои - прилегающие к покровным (10 % снятия) и оставшиеся - внутренние слои, существенно отличаются по содержанию инулина (табл. 2).
Выявлено, что во внутренних слоях сосредоточена основная масса фруктозанов, на их долю приходится примерно 80 % от общего содержания инулина в топинамбуре.
Исследование инулазной активности клубней топинамбура выявило, что суммарная активность растворимой и связанной форм ферментов клубней в 3 - 4 раза превышает активность ферментов сока. Исследования процесса автолиза инулина клубней показало, что за 4 часа под действием собственной инулазы гидролизуется 75-80 % инулина.
Сравнение инулазной активности различных сроков уборки урожая показало, что в клубнях
весеннего урожая суммарная активность ферментов выше, чем в клубнях осеннего урожая. Так, при автолизе в течение одного часа сока из клубней топинамбура осеннего урожая увеличивалось в 1,6 раза, а при автолизе сока из клубней топинамбура весеннего урожая - в 2,2 раза.
Таблица 2 - Распределение инулина по анатомическим частям клубней топинамбура
Влияние условий выращивания, в частности, плодородия почвы, на химический состав клубней топинамбура, показал незначительные отличия (табл. 3).
Таблица 3 - Влияние плодородности почвы на химический состав клубней топинамбура
Эти отличия наиболее выражены в содержании свободной фруктозы, что объясняется значительно большей инулазной активностью клубней топинамбура, выращенного на высокоплодородной почве (торф). Результаты автолиза в течение 1 часа сока из клубней, выращенных на малоплодородной почве, показало увеличение содержания фруктозы в 1,06 раза, тогда как при автолизе сока из клубней топинамбура, выращенных на высокоплодородной почве - в 2,10 раза.
Выводы
1. Показано влияния условий выращивания и сроков сбора урожая на содержание основных углеводных компонентов топинамбура (инулина и фруктозы) и инулазную активность.
2. Выявлено, что во внутренних слоях сосредоточена основная масса фруктозанов, на их долю приходится примерно 80 % от общего содержания инулина в топинамбуре.
3. Установлено наличие растворимой и связанной форм инулазы, при этом суммарная активность
Срок уборки клубней топинамбура Белок, % от с.в. Инулин, % от с.в. Фруктоза, % от с.в.
Осенний урожай 3,89±0,08 78,55±0,44 8,74±0,10
Весенний урожай 5,07±0,10 75,20±0,48 8,39±0,12
Плодородн ость почвы Белок, % от с.в. Инулин, % от с.в. Фруктоза, % от с.в.
Малоплодо родная 5,03±0,09 78,75±0,42 9,68±0,11
Высокопло дородная 4,53±0,08 78,35±0,45 12,47±0,14
Показатели Анатомические части клубней топинамбура
Покровный слой Верхние слои Внутренние слои
Массовая доля инулина во фракции, % на с.в. 19,7-21,2 78,8-83,7 79,2-94,3
Содержание инулина во фракции, % от общего содержания в топинамбуре 3,4-3,7 10,2-11,5 79,1-82,1
ферментов клубней в 3-4 раза превышает активность ферментов сока.
4. Исследования процесса автолиза инулина клубней показало, что за 4 часа под действием собственной инулазы гидролизуется 75-80 % инулина.
5. Клубни топинамбура, как осеннего, так и весеннего урожаев могут быть использованы для получения растворимых пищевых волокон и фруктозных сиропов.
Литература
1. В.Н. Голубев, Н.В. Волкова, Х.М. Кушалаков, Топинамбур - состав, свойства, способы переработки, области применения, Москва, 1995. 82 с.
2.Н.К. Кочнев, М.В. Калиничева, Топинамбур -биоэнергическая культура XXI века, Арес, Москва, 2002. 76 с.
3.В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.Н. Гукалов, К.С. Елисеев, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 22, 194-198 (2014).
4.В.И. Боев, А.И. Москаленко, С.Л. Белопухов, Н.М. Пржевальский, Журнал органической химии, 51, 4, 510514 (2015).
5.А.И. Москаленко, С.Л. Белопухов, А.А. Ивлев, В.И. Боев, Журнал органической химии, 47, 7, 1073-1077 (2011).
6.Т.И. Шатилова, В.Т. Семко, С.Л. Белопухов, И.Д. Щеголева, О.В.Гаврилина, Г.П Карпиленко, Агрохимия, 10,72-76 (2014). 7.О.С. Соколова, М.П. Попов, Тезисы доклада межд. науч.-техн. конференции «Пища. Экология. Человек», Москва, 1999. С. 60.
8.Д.В. Чечеткин, Л.Н. Крикунова, Г.П. Карпиленко, Хранение и переработка сельхозсырья, 4, 39-43 (2006).
9.Л.Д. Прусакова, В.И. Кефели, С.Л. Белопухов, В.В. Вакуленко, С.А. Кузнецова, Агрохимия, 7, 86-97 (2008).
10. С.Л Белопухов, Т.И. Шатилова, О.В. Гаврилина, И.С. Витол, Г.П. Карпиленко, Достижения науки и техники АПК, 9, 34-35 (2013).
11. Т.И. Шатилова, И.С. Витол, Г.П. Карпиленко, С.Л. Белопухов, В.Т. Семко, Бутлеровские сообщения, 20, 6, 70-73 (2010).
12. Т.И. Шатилова, И.С. Витол, Я.П. Герчиу, С.Л. Белопухов, В. Т. Семко, Достижения науки и техники АПК, 12, 47-48 (2010).
13. Т.И. Шатилова, С.Л. Белопухов, Е.В. Романова, И.С. Витол, Г.П. Карпиленко, Известия ТСХА, 3, 31-38 (2013).
14. А.А. Балакина, А.А. Терентьев, Е.А. Калашникова, С.Л. Белопухов, Бутлеровские сообщения, 29, 1, 55-61 (2012).
15. Е.В. Филиппова, Н.А. Куракина, Хранение и переработка сельхозсырья, 10, 51-54 (2014).
16. Lili Li, Li Li, Yipeng Wang, Yuguang Du, Song Qin, BiotechnolLetters, 35, 471-477 (2013).
© Т. И. Шатилова - к.б.н., доцент кафедры агрономической и биологической химии РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, [email protected]; О. С. Соколова - н.с. кафедры биотехнологии и технологии продуктов биоорганического синтеза Московского государственного университета пищевых производств; С. Л. Белопухов - д.с-х.н., профессор, зав. кафедрой физической и органической химии РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, [email protected]; В. Т. Семко - к.т.н., доцент кафедры физической и органической химии РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева; И. С. Витол - к.б.н., доцент, старший научный сотрудник кафедры биотехнологии и технологии продуктов биоорганического синтеза Московского государственного университета пищевых производств; Г. П. Карпиленко - д.т.н, профессор, ведущий научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института зерна и продуктов его переработки; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© T. I. Shatilova - PhD, associate professor of the Department of Economic and biological chemistry RGAU - ICCA them. KA Timiryazeva bodies, [email protected]; O. S. Sokolova - ns Department of Biotechnology and Technology of bioorganic synthesis of the Moscow State University of Food Production; S. L. Belopukhov - DS-agricultural sciences., Professor, Head of Department of Physical and Organic Chemistry RGAU - MSHA named after KA Timiryazev, [email protected]; V. T. Semko - Ph.D., Associate Professor, Department of Physical and Organic Chemistry RGAU - MSHA named after KA Timiryazeva; I. S. Vitol - PhD, associate professor, senior researcher at the Department of Biotechnology and Technology of bioorganic synthesis of the Moscow State University of Food Production; G. P. Karpilenko - Doctor of Technical Sciences, professor, leading researcher of the All-Russian Research Institute of grain and its products; I. G. Shaikhiev - PhD, Head of Department of Environmental Engineering Kazan National Research Technological University.
