CC BY
46
НОВЫЕ ИДЕИ - НОВЫЕ ПРОДУКТЫ
\ТЕМА НОМЕРА]
УДК 663.035/.038
Создание натуральных биокорректоров пищи
для функциональных продуктов
Е.М. Серба, канд. техн. наук, доцент, К.В. Рачков, аспирант, Н.И. Игнатова, Л.В. Римарева, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. РАСХН, В.А. Поляков, д-р техн. наук, профессор, академик РАСХН ВНИИ пищевой биотехнологии
Адекватное, сбалансированное питание, повышение качества и биологической полноценности продуктов, создание социально значимой продукции с функциональными свойствами обусловливают нормальный рост и развитие организма, адаптацию к воздействию окружающей среды, поддержание иммунитета, умственной и физической работоспособности.
В последнее время в отдельных социальных категориях граждан сократилось потребление белков, уг-
Наиболее высокая концентрация редуцирующих сахаров и аминного азота выявлена в варианте с использованием полного комплекса ферментов.
леводов, жизненно важных биологически активных веществ (БАВ). Это весьма тревожная тенденция, поскольку недостаток в питании отрицательно сказывается на здоровье населения, на демографической си-
Ключевые слова: дрожжевая биомасса; термолиз; ферментативная деструкция; ферментолизат; аминный азот; функциональные продукты.
Key words: biomass of yeasts; thermolysis; enzymatic modification; enzymatic hydrolyzate; aminre nitrogen; functional products.
туации в целом, способствует наметившемуся процессу депопуляции.
Современные направления развития пищевой биотехнологии ориентированы на обеспечение сбалансированности питания, как в качественном, так и в количественном отношении, и создание эффективных конкурентоспособных функциональных пищевых продуктов. Один из способов реализации этих задач -вовлечение микробной биомассы как источника биологически полноценных белковых веществ, углеводов, микро- и макронутриентов. Наиболее широко используется биомасса дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Несмотря на все плюсы, питательная ценность дрожжевой биомассы ограничена малой доступностью содержимого клетки для
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
1 - реактор + автолиз
2 - реактор + ГкС + ПС
- реактор
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Длительность ферментолиза, ч
4 - реактор + ГКС + ПС + КФПА
5 - реактор + термолиз + ГкС + ПС + КФПА
6 - термолиз + ГкС + ПС + КФПА
Рис. 1. Динамика накопления растворимых белковых веществ в процессе ферментативной деструкции дрожжевой биомассы
действия пищеварительных ферментов. Для повышения усвояемости внутриклеточных биологически ценных компонентов разрабатываются различные способы обработки дрожжей [1-3].
Проведенные ранее исследования показали, что один из эффективных способов подготовки дрожжевой биомассы - использование высокого давления. Баротермическое воздействие повышало проницаемость клеточной стенки дрожжей и положительно сказывалось на выходе белковых веществ протоплазмы при получении пищевого белка [4].
Цель данной работы состояла в исследовании влияния баротерми-ческого воздействия на степень деструкции внутриклеточных полимеров дрожжевой биомассы для создания натуральных биокорректоров пищи с заданными функциональными свойствами и лечебно-профилактических средств нового поколения.
Объектом исследований служила биомасса сухих дрожжей Saccharomyces cerevisiae (20 % суспензия). В работе были использованы реакторы высокого давления компании Parr Instrument Company [5, 6], подобранные ранее оптимальные баро-термические режимы предобработки дрожжей: температура в реакторе - 50 °С, давление - 5 МПа, длительность обработки - 30 мин [4]. Кроме того, для предварительной подготовки биомассы применяли методы термолиза и автолиза [7, 8].
В качестве источника протеиназ, пептидаз, нуклеаз и ß-глюканаз использовали комплексный ферментный препарат (КФПА), синтезируемый микромицетом Aspergillus oryzae, а также дополнительно применяли отдельные препараты - источники: бактериальных протеиназ (ПС), грибных протеиназ и пептидаз (ГПС) и ß-глюканаз (ГКС) [9]. Длительность биокаталитического гидролиза полимеров дрожжевой клетки достигала 18 ч.
Влияние ферментативных комплексов на степень деструкции внутриклеточных полимеров дрожжей исследовали на предварительно обработанной суспензии дрожжей вышеуказанными способами. Сравнительные результаты ферментативной деструкции субклеточных структур дрожжевой биомассы приведены на рис. 1-3.
После 5- и 18-часового ферментативного гидролиза дрожжевой биомассы наиболее высокая концентрация растворимых белковых веществ отмечена в варианте, где клетки предварительно были обработаны при высоком давлении, подвергнуты
NEW IDEAS - NEW PRODUCTS
термолизу и воздействию полного ферментативного комплекса, включающего протеиназы, Р-глюканазы и пептидазы (рис. 1, кривая 5). При этом более высокую степень деструкции белковых веществ с образованием аминного азота наблюдали в варианте, в котором дрожжевая биомасса была подвергнута только баротермическому воздействию и обработана полным комплексом ферментов (рис. 2, кривая 4). Проведение дополнительного термолиза практически не сказалось на результатах ферментолиза белков протоплазмы дрожжей до легкоусвояемых азотистых компонентов.
Подобная закономерность отмечена и при ферментативной деструкции полисахаридов дрожжевой клетки (рис. 3, кривая 4). Процесс автолитической деструкции дрожжевой биомассы под действием собственной ферментативной системы был не эффективен в связи с инактивацией ферментов клетки в процессе баротермической обработки, поэтому его результаты использовали в качестве контрольного уровня (рис. 1-3, кривые 1).
Исследования по влиянию состава ферментативного комплекса на степень деструкции внутриклеточных полимеров дрожжевой биомассы, обработанной в реакторе высокого давления, показали, что наиболее высокая концентрация редуцирующих сахаров (рис. 3) и аминного азота (рис. 2) выявлена в варианте с использованием полного комплекса ферментов. Эффективная биокаталитическая деструкция внутриклеточных полимеров обусловлена совместным воздействием механического и ферментативного способов обработки дрожжевой биомассы. При этом воздействие высоких параметров давления сказывается на проницаемости клеточной стенки, повышая доступность ее белково-полисахаридного комплекса к биокаталитическому воздействию глю-канолитических и протеолитических ферментов.
Определенный интерес представляет выявленная способность про-теолитического комплекса воздействовать на белковые вещества протоплазмы дрожжевой клетки, которая предварительно была подвергнута баротермическому воздействию, но не обработана ферментами глюканолитического действия, а только комплексом грибных проте-аз, включающим пептидазы (рис. 2 и 3, кривые 7). По-видимому, в результате высокого давления происходит частичная механическая деформация клеток, что способствует
140 120 100
oS 80
5
^ 60 40 20 0
1 - реактор + автолиз
2 - реактор + ГкС + ПС
3
- реактор
4 - реактор + ГКС + ПС + КФПА
5 - реактор + термолиз + ГкС + ПС + КФПА
6 - термолиз + ГкС + ПС + КФПА
7 - реактор + ГПС
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Длительность ферментолиза, ч Рис. 2. Динамика накопления аминного азота (ЫН2) в процессе ферментативной деструкции дрожжевой биомассы
10
. 6
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Длительность ферментолиза, ч
Рис. 3. Динамика накопления растворимых углеводов (РВ) в процессе ферментативной деструкции дрожжевой биомассы
1 ~ реактор + автолиз
2 ~ реактор + ГкС + ПС
1 3 ~ реактор + кФПА
■ 4 ~ реактор + ГКС + ПС + КФПА
5 ~ реактор + термолиз + ГкС + ПС + КФПА
6 ~ термолиз + ГкС + ПС + КФПА
7 ~ реактор + ГПС
12
8
4
2
повышению проницаемости клеточной оболочки для биокаталитического действия гидролитических ферментов на внутриклеточные полимерные структуры. Это предположение подтверждается полученными экспериментальными результатами, показавшими увеличение концентрации аминного азота и содержания свободных аминокислот (АК) после обработки одним протео-литическим комплексом грибного происхождения (рис. 2 и таблица). В результате протеолиза белков протоплазмы под действием ГПС, содержащего пептидазы, 37,9 % аминокислот было переведено в свободное состояние. Использование ФП-источников Р-глюканаз и протеиназ более существенно влияло на деструкцию белково-полиса-харидных полимеров клеточных стенок, что подтверждается накоплением в ферментолизате дрожжевой биомассы редуцирующих веществ.
Данные по аминокислотному составу показывают наличие в фер-ментолизате дрожжевой биомассы, обработанной в реакторе высокого давления, 58,5 % аминокислот в свободной не связанной форме, что повышает их медико-биологическую эффективность. Наличие в фермен-толизате низкомолекулярных анти-оксидантных пептидов, содержащих не более 4-10 остатков аминокислот, также придает ему определенные функциональные свойства.
К нейромедиаторным аминокислотам относят прежде всего аспарагиновую и глутаминовую кислоты, высокое содержание которых отмечено в полученных ферментолизатах дрожжевой биомассы.
НОВЫЕ ИДЕИ - НОВЫЕ ПРОДУКТЫ
\ТЕМА НОМЕРА]
Аминокислотный состав ферментолизатов дрожжевой биомассы, обработанной в реакторе высокого давления
Аминокислота (А ) Содержание свободных АК в ферментолизатах дрожжевой биомассы, мг/г
Общие АК ГкС+ПС+КФПА ГПС ГкС+ПС
АСП 39,2 10,7 6,1 1,8
ТРЕ 18,4 8,1 5,4 0,7
СЕР 19,8 9,7 4,2 0,9
ГЛУ 62,8 41,5 27,2 5,3
ГЛИ 16,7 6,3 4,7 0
АЛА 28,9 20,9 12,9 2,6
ВАЛ 14,9 8,7 3,3 0,6
ЦИС 2,9 2,3 1,6 0
МЕТ 5,4 4,6 2,9 0,7
ИЗО 12,6 5,7 3,2 0,3
ЛЕЙ 24,5 17,9 10,5 0,4
ТИР 9,8 7,2 4,7 0,3
ФАЛ 11,0 9,2 6,5 0,1
ЛИЗ 27,9 18,1 14,2 2,0
ГИС 6,7 4,0 2,5 0,5
АРГ 15,8 12,8 10,4 1,4
ПРО 14,5 6,5 5,6 0,3
Суммарное количество АК 331,8 194,2 125,9 70,9
Из них незаменимых АК 114,7 72,5 46,0 4,8
Концентрация свободных АК, % от общего количества - 58,5 37,9 21,4
Известно, что аминокислоты и белки прежде всего выполняют в организме пластическую функцию, являясь конструктивной основой всех формирующихся тканей, в составе которых порядка 80 % белка.
Кроме того, аминокислоты выполняют нейромедиаторную функцию, так как они участвуют в формировании веществ, отвечающих за передачу нервного импульса. А это значит, что при их дефиците неизбежно будут наблюдаться проблемы со стороны нервной системы [10]. К нейромедиаторным аминокислотам относят прежде всего ас-парагиновую и глутаминовую кислоты, высокое содержание которых отмечено в полученных ферменто-лизатах дрожжевой биомассы (см. таблицу). Участие медиаторных аминокислот в таких важных физиологических функциях, как высшие интегративные функции мозга (поведение, эмоции, память и др.), в регуляции функций сердечно-сосу-
Полученные данные подтверждают эффективность баротермического воздействия при подготовке дрожжевой биомассы к ферментативной деструкции субклеточных структур.
дистой и дыхательной системы, обмена веществ, эндокринной системы делают перспективными исследования по получению натуральных биологически активных добавок на основе дрожжевой биомассы как источников богатого комплекса аминокислот. Дефицит аминокислот, необходимых для нормального функционирования организма, может привести к серьезным патологическим изменениям.
Таким образом, полученные данные подтверждают эффективность баротермического воздействия при подготовке дрожжевой биомассы к ферментативной деструкции субклеточных структур. Использование ферментов глюканолитического действия позволяет наиболее глубоко разрушить клеточные стенки дрожжей, так как глюкан является ее основным структурным компонентом. Наличие в ферментативном комплексе КФПА ферментов пептидазно-го действия обеспечивает более глубокую деструкцию внутриклеточных компонентов, в том числе белковых веществ клетки с образованием свободных аминокислот и низкомолекулярных пептидов, обусловливающих функциональные свойства в целевых продуктах.
Исследования выполнены при поддержке гранта президента РФ для ведущих научных школ НШ-7127.2012
ЛИТЕРАТУРА
1. Шапхаев, Э.Г. Дезинтеграция клеток в биотехнологии: учеб. посо-бие/Э.Г. Шапхаев, В.Ж. Цыренов, Е.И. Чебунина. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2005. - 94 с.
2. Влияние ферментативного комплекса гриба Aspergillusoryzae на степень гидролиза полимеров дрожжевой биомассы/Л.В. Римаре-ва [и др.]//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006.- № 4. -С. 39-42.
3. Получение белковых обогатителей пищи на основе ферментативной деструкции белково-полисаха-ридного комплекса клеточных стенок дрожжей/В.А. Поляков [и др.]//Пи-щевая промышленность. - 2012. -№ 11.- С. 42-44.
4. Влияние баротермического воздействия на степень подготовки дрожжевой биомассы к ферментативной деструкции/Л.В. Римарева [и др.]//Хранение и переработка сельхозсырья. - 20013.- №6.-С. 31-35.
5. From Oligomers to Molecular Giants of Soybean Oil in Supercritical Carbon Dioxide Medium: 1. Preparation of Polymers with Lower Molecular Weight from Soybean Oil./L. Zengshe/ /Biomacromolecules. - 2007. - V. 8. -№ 1. - P. 233-239.
6. Kinetics of Aqueous Extraction of Hemicelluloses from Spruce in an Intensified Reactor System/H. Grenman//Ind. Eng. Chem. Res.-2011. - V. 50. - P. 3818-3828.
7. Серба, Е.М. Синтез и секреция гидролаз микромицетом Aspergillus oryzae - продуцентом ферментов, необходимых для биокатализа полимеров зернового сырья/Е.М. Серба, Л.В. Римарева, М.Б. Оверченко// Производство спирта и ликерово-дочных изделий. - 2011. - № 2. -С. 18-20.
8. Влияние ферментативного комплекса Aspergillusoryzae 387 на степень гидролиза дрожжевой биомас-сы/В.А. Поляков [и др.]//Хранение и переработка сельхозсырья. -2001. - № 8. - С. 32-35.
9. Использование комплексного препарата амилопротооризин (КФПА) для энзиматического гидролиза дрожжевой биомассы/Л.В. Римарева [и др.]//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002.-№ 10. - С. 39-41.
10. Алиев, З.Н. Содержание ней-ромедиаторных аминокислот в крови больных с алкогольным де-лирием/З.Н. Алиев//Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. - 2000. - Т. 100. - № 6. -С. 62-63.
