Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение ферментативной активности нативного и иммобилизованного солода под влиянием некоторых биотехнологических воздействий

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Изменение ферментативной активности нативного и иммобилизованного солода под влиянием некоторых биотехнологических воздействий"

005014208

На правах рукописи

Шатько Анна Александровна

ИЗМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ НАТИВНОГО И ИММОБИЛИЗОВАННОГО СОЛОДА ПОД ВЛИЯНИЕМ НЕКОТОРЫХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

1 5 МА? 2012

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Саратов-2012

005014208

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор Блинов Валерий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», профессор кафедры технологии

и организации общественного питания Птичкина Наталия Михайловна

доктор биологических наук, профессор Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук, заведующий лабораторией

физиологии микроорганизмов Игнатов Олег Владимирович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина»

Защита диссертации состоится

» марта 2012 г. в м- часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.04 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» (410005, г. Саратов, ул. Соколовая, 335. диссертационный зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Автореферат диссертации разослан « » февраля 2012 г.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов. Театральная пл., 1 ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук, профессор

А

/¿5

Л.В. Карпунина

ОЫЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность гсмы. Солод является весьма востребованным продуктом в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине и др. (Ауэрман, 2003; Кунце. 2003; Kiehara et al.. 2002). Это связано с тем. что солод содержит активный комплекс ферментов, а также соединения, необходимые для нормальной жизнедеятельности: белки, углеводы, макро- и микроэлементы, витамины. При использовании солода улучшается качество пищевых продуктов, в том числе для детского питания, увеличиваются сроки их хранения, продукты приобретают необходимый аромат, цвет и вкус (Драчева, 2001; Доронин и др., 2002; Рогов и др.. 2004; Нилов и др.. 2005: Greg. 1994: Dewar et al.. 1997). решаются многие технологические проблемы изготовления качественных продуктов питания и обогащения их микронутриентами (Покровский, 2002: Лифляпдский. 2004; 1'лчев. 2006; Hilliam. 2001; Millier et al.. 2002).

Однако применение иативного солода имеет ряд недостатков: низкая стабильность и однократность действия, неустойчивость к экстремальным воздействиям, постоянная возможность загрязнения продуктов питания чужеродными белковыми (resp. аллергенными) примесями, сложность регулирования глубины ферментативной реакции и т. д. (Фараджева, 2001; Егорова, 2005: Poig et al.. 1995). Многие из этих проблем успешно решаются с помощью иммобилизованных ферментов, которые в пищевой промышленности с высокой эффективностью применяются на таких крупномасштабных производствах как получение глюкозо-фруктозных сиропов. L-а.минокислот и т. д. (Rilara et al.. 1989: Kokin et al.. 1992). В то же время возможность применения иммобилизованного солода в каких-либо отраслях хозяйственной деятельности до сих пор еще не исследовалась, что обуславливает необходимость и актуальность их проведения.

Другой, теоретически и практически значимой задачей является повышение продукции солода высокого качества. С этой целью применяются различные усилители солодоращения: сульфацетамин. гиббереллин. цитокинин. фузикокцин и др. (Блинов, 2001; Безуглова. 2003: Жуков, 2007; Магулаев, 2007). Однако большинство из них не является стимуляторами получения иативного и. особенно, иммобилизованного солода биотсхнологического генеза. С современных позиций это является актуальной задачей.

Цель работы - изучение ферментативной активности нативного и иммобилизованною солода и оценки влияния на эти процессы некоторых биотехпологических воздействий.

В соответствии с целью были поставлены следующие чадами:

1. Изучить влияние эффективных микроорганизмов, коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов на посевные качества семян.

2. Оценить амилолитическую активность нативного солода в зависимости от температуры. рН, концентрации ферментного препарата и концентрации субстрата.

3. Разработать технологию физической иммобилизации солодового препарата, полученного из зерновых и бобовых культур.

4. Оценить амилолитическую активность иммобилизованного солода в зависимости от температуры, рН и концентрации субстрата.

5. Установить роль биотехнологических воздействий в изменении качественных показателей иммобилизованного солода.

6. Исследовать влияние нативного и иммобилизованного солода на органолеп-тические и физико-химические показатели качества геста, хлеба, пива и кваса.

Научная новизна. Впервые установлено, что обработка семян пшеницы, ржи, тритикале и двух видов чечевицы препаратом эффективных микроорганизмов и коллоидным золотом существенно улучшает их посевные качества. Так, энергия прорастания при обработке семян ЭМ-преларатом у зерновых, в среднем, увеличилась на 9 %. у бобовых - на 15 %. Под воздействием коллоидного золота энергия прорастания семян тритикале увеличилась в 1,5 раза. Обнаружена тенденция к сокращению сроков прорастания семян пол влиянием ЭМ-препарата, коллоидного золота и неодима. Под влиянием указанных воздействий скорость прорастания культур по сравнению с контрольными образцами уменьшилась, в среднем, в 1.5 раза. Растворы празеодима и лантана снижали скорость прорастания данных культур, в среднем, па 30 - 40 %.

Детально изучена зависимость скорости амилолитической реакции нативного солода, полученного из указанных зерновых и бобовых культур от температуры, р!1. концентрации ферментного препарата и концентрации субстрата. Установлено, что ферментативная активность солода из зерновых в 3 - 4 раза выше, чем у бобовых.

Предложен способ производства солода из чечевицы, позволяющий повысить ферментативную активность и энергию прорастания зерна чечевицы, а также сокра-

тпть сроки получения готового солода и. как следствие, расширить область применения такого солода (патент на изобретение № 2428464 «Способ производства солода из чечевицы»).

Впервые разработана технология физической иммобилизации солода, полученного из семян пшеницы, ржи и тритикале, изучена его амилолитичсская активность в зависимое]и от температуры. рН и концентрации субстрата. Установлено, что потеря ферментативной активности солода после иммобилизации составляла, в среднем, 13 % от активности иативного. Солод, полученный из бобовых культу р, по сравнению с солодом из зерновых, имел меньшее сродство к субстрату и низкую начальную скорость реакции гидролиза крахмала. Иммобилизованный солодовый препарат может быть использован в течение 15 дней.

Практическая значимость работы. Показана целесообразность использования препарата эффективных микроорганизмов, коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов (неодима, празеодима, лантана) в концентрации 5-10" 9 г/л для улучшения посевных качеств семян зерновых и бобовых культур.

В научно-пилотных опытах впервые установлена эффективность использования разработанного иммобилизованного ферментного препарата солода при изготовлении теста, хлеба, пива и кваса. Положительные результаты исследований подтверждены актами комиссионных испытаний в Саратовском ГАУ им. Н. И. Вавилова. Получен акт- о внедрении технологии физической иммобилизации солода в производство хлебобулочных изделий на ОАО «Хлебокомбинат им. Стружкина», г. Саратов. Разработана программа «Расчет амилолитической активности солода», предназначенная для нахождения искомых значений амилолитической активности солода при заданных значениях концентрации субстрата (свидетельство о государственной регистрации № 2010617147 - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Москва, 2010).

Результаты научных исследований используются в учебном процессе при чтении студентам-бнотехнологам лекций, проведении лабораторных работ, при написании дипломных работ и методических указаний в ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова». Этому способствует, в частности, и разработанная база данных «Библиографический обзор литературы по изучению основных характеристик солода и его применения» (свидетельство о государственной регистрации № 2011620324 -

Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Москва, 2011).

Основные положении, выниснмме ни (ашнту.

1. Биотехнологические воздействия (препарат эффективных микроорганизмов, коллоидное золото, растворы редкоземельных металлов в концентрации 5-10 ~'' г/л) улучшают посевные качества семян зерновых и бобовых культур.

2. Амилолитическая активность нативного солода зависит от температуры, рП, концентрации фермента и концентрации субстрата.

3. Разработаны технологические этапы физической иммобилизации ферментного препарата солода из зерновых и бобовых культур.

4. Ферментативная активность иммобилизованного солодового препарата

зависит от температуры, рН и концентрации субстрата.

5. Препараты эффективных микроорганизмов, коллоидное золото, растворы редкоземельных металлов в концентрации 5-10 г/л стимулируют ами.толитическую активность иммобилизованного солода.

6. Иммобилизованный ферментный препарат солода рекомендуется применять при изготовлении теста, хлеба, пива и кваса.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований представлены на Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения» (Сара-тоа 2010); научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ по итогам научно-исследовательской и учебно-методической работы (Саратов, 2011): Шестом Саратовском Салоне изобретений, инвестиций, инноваций (Саратов, 2011); первой интернет-конференции Саратовского ГАУ «Приоритетные направления модернизации аграрной экономики: тенденции, проблемы, перспективы» (Саратов, 201 Г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы и собственных исследований, включающих материалы и методы исследований, результатов исследований и их обсуждение, а также заключения, выводов. практических предложений и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 148 страницах, иллюстрирована 27 рисунками. 25 таблицами,

содержит 4 приложения. Список использованных литературных источников включает 224 наимепованиг. в чом числе 108 зарубежных авторов.

СОЬС'ГВЕИНЫЕ НССЛЕДОВАНИЯ

Объект, материалы н методы исследовании

Объектом исследовании являлся солод, изготовленный из зерновых и бобовых

культур: озимая твердая пшеница «Новинка», озимая рожь «Саратовская 6», тритикале (линия 2 JVs 42). чечевица I «Петровская 6» и чечевица II «Веховская I» (ГНУ НИИСХ Юго-Восток РАСХН. г. Саратов). Учет за состоянием семян включал определение всхожести, дружности, энергии и скорости прорастания (Дворкиц н др.. 1999; Буршина и др.. 2008). В динамике определяли массу семян, длину ростков и корешков, а также массу ростков. Семена проращивали в условиях регламентированных ГОСТ 12044-93. Для проращивания брали 100 семян каждого сорта, в трехкратной иовторпостн. Для изучения влияния па посевные качества семян препарата эффективных микроорганизмов, коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов в концентрации 5-КГ4 г/л, семена опытных партии па сугки замачивали в дистиллированной воде, при этом 10 % ее было заменено на указанные растворы.

Солод изготавливали по известной технологии (Личко и др.. 2000; Гатаулина и др.. 2007; Домарсцкий, 2007; Нарцисс. 2007: Chandra. 1998). Готовый солод использовали для приготовления ферментного препарата.

Общую амилолитаческую активность солода определяли по ГОСТ 20264.4-89. однако в ряде экспериментов определяли активность а- и ß- амилаз отдельно, по соответствующим методикам (Посынанова, 2007; Вировец и др., 2009; OkoloetaL 1996).

Физическую иммобилизацию солода проводили на полимерном носителе в шут1едь-аппарате ПЭ-6300 (Россия. Санкт-Петербург) путем адсорбции ферментного препарата солода. В качестве носителя использовали полипропиленовые трубки, изготовленные методом экструзии (ООО "С'оюз-Беркли", г. Москва). Для проведения иммобилизации в пробирки наливали по 1 мл рабочего раствора ферментного препарата солода, в них помещали полипропиленовые трубки, на рабочие зоны которых планировалось осаждение ферментов. В течение 2 часов при температуре 25-27°С проводили иммобилизацию солода. Полу ченный препарат хранился в физиологическом растворе при температуре 4-5°С. Для оценки длительности действия иммобилизованного ферментного препарата солода, его вносили в пробирки, содержащие 2 %

раствор крахмала в ацетатном буфере при температуре 40°С. Жидкость периодически перемешивали, затем определяли 'степень расщепления раствора крахмала (Вировец, 2006). После этого носитель извлекали из раствора, отмывали дистиллированной водой, помешали в физиологический раствор и оставляли в холодильнике на сутки. Затем указанная процедура повторялась до тех пор, пока ферментный препарат не переставал расщеплять крахмал.

Амшюлитическую активность нативного и иммобилизованного солода определяли в зависимости от температуры, рН, концентрации фермента и конценграции субстрата. Проведен расчет константы Мкхаэлиса и скорости реакции (Можаев. 1983; Кос-минский и др., 2002; Kabaivanova et al., 2005). Для выявления возможных стимуляторов активности иммобилизованного солода апробировались: пробногический препарат «Кайкал-ЭМI», коллоидное золото и растворы редкоземельных металлов (неодим, празеодим, лантан).

Для оценки практического применения иммобилизованного ферментного препарата солода в лабораторных условиях с его использованием изготавливали тесто, хлеб, пиво и квас. Качество полученных продуктов оценивали, используя соответствующие производственные методы и ГОСТы (ГОСТ 6687.4-86; ГОСТ Р 51154-98; Куликова, 2000; Ермолаева и др., 2001; Матвеева и др., 2001; Васильев, 2003; Пучко-ва, 2004; ГОСТ 52409-2005; Данилов, 2007; Пащенко и др., 2007).

Статистического обработку результатов проводили как по стандартным методикам, так и с использованием программы SlatPlus 2007 Professional 4.9.4.1. Расчет результатов осуществляли с применением пакета прикладных программ Sta-tistica 6.0 (for Windows; «Stat Soft Inc.», США), Microsoft Excel 2002 (for Windows). Достоверность различий определяли методом вариационной статистики с использованием параметрической) критерия Стьюдента. Достоверными считали различия при вероятности ошибки Р < 0,05 (Ашмарин и др., 1974; Петухов и др.. 1996).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние бнотехноло! ическнх препаратов и растворов редкоземельных металлов на посевные качества семян

Установлено, что всхожесть большинства культур была довольно высокой и колебалась в пределах 95-98 %, лишь у чечевицы II она составляла всего 54 %.

Дружность прорастания у ржи, тритикале и чечевицы 1 оказалась практически одинаковой, у пшеницы и чечевицы II она была ниже. В довольно широких пределах колебался процент энергии прорастания, от 2 % у чечевицы II до 79 % у тритикале. Что касается скорости прорастания, как неблагоприятного признака посевных качеств, то самой высокой она была у чечевицы И - 5 сут.

После замачивания семян опытных партий в дистиллированной воде, 10 % которой было заменено на препарат эффективных микроорганизмов, коллоидное золото или растворы редкоземельных металлов в концентрации 5-10'4 г/л, обнаружено, что указанные растворы положительно влияют на некоторые посевные свойства семян. Так. при обработке семян ЭМ-препаратом мы наблюдали увеличение энергии прорастания у пшеницы на 17 %, ржи - на 5 %, тритикале - на 6 %. чечевицы I - на 12 %. а у чечевицы И - в 3 раза (рис. 1). Под воздействием коллоидного золота энергия прорастания. например, семян тритикале у величилась в 1.5 раза.

Интересным, па наш взгляд, является то. что обработка семян ЭМ-препаратом. коллоидным золотом и неодимом привела к значительному уменьшению сроков прорастания семян (рис. 2). Это расценивается как весьма позитивный признак. Действительно. при обработке указанными растворами скорость прорастания пшеницы, ржи, тритикале и обоих сортов чечевицы по сравнению с контрольными образцами уменьшилась, в среднем, в 1.5 раза. Растворы празеодима и лантана снижали скорость прорастания ссмян. в среднем, на 30-40 %.

Как установлено далее, несмотря на одинаковую влажность (8 %), под влиянием коллоидного золота и ЭМ-препарата особенно значительно возросла масса зерен обоих сортов чечевицы. Что касается массы и длины ростков, то наиболее значительные изменения (10-й день исследования) наблюдали лишь у семян ржи. В самом деле, при их обработке ЭМ-прспаратом масса ростков увеличилась - на 14 %. коллоидным золотом - на 20 %, неодимом - на 16 %. празеодимом - на 11 %, лантаном - на 4 %. Кроме того, исследованные нами биостимуляторы, в ряде случаев, оказали весьма существенное влияние на длину корешков. Так, длина корешков под влиянием, например. ЭМ-препарата увеличилась у пшеницы - на 26 мм. ржи - на 19 мм, тритикале - на 28 мм, чечевицы I - на 8 мм. чечевицы II - на 11 мм, по сравнению с контролем.

1 2 3 4 5 6

Воздействия

Рис. 1. Изменение энергии прорастания посевных семян Примечание: I - контроль, 2 - ЭМ-препарат, 3 - коллоидное золото, 4 - неодим, 5 - празеодим. 6 - лантан | - пшеница.!-'-'-'! - рожь. 1X4X1- тритикале.! I - чечевица 1.11111111- чечевицаII.

ы з

о

12 3-1 5 6

Воздействия

Рис. 2. Изменение скорости прорастания посевных семян Примечание: 1 - контроль, 2 - ЭМ-прегтрат, 3 - коллоидное золото, 4 - неодим. 5 - празеодим, 6 - лантан ■■ - пшеница.!- -' '! - рожь.КЧХ- тригикале.| | - чечевица 1|||!Ш1- чечевица 11.

Итак, нами установлено, что применение ЭМ-препарата, коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов способствует не только увеличению энергии прорастания семян, но и существенно сокращает сроки прорастания некоторых зерновых и бобовых культур. Кроме того, предварительная обработка семян указанными препаратами оказала положительное влияние на развитие проростков, корнеоб-разование, в результате чего у семян сформировалась мощная корневая система.

Весьма существенно, что нами обнаружена тенденция к улучшению качества тех семян (чечевицы), исходные посевные характеристики которых были недостаточными. Это открывает новые перспективы в предпосевной обработке семян с исходно низкими посевными свойствами.

Зависимость амилолнтнческон активности патнвиого солода от температуры, рН, концентрации фермента и концентрации субстрата

Наиболее адекватным показателем качества солода является сш амилолитнческая активность. Пе определяли в зависимости от температуры. рН, концентрации фермента и субстрата. Установлено, что активность нативного солода всех образцов была максимальной при температуре 40°С. Причем, при повышении температуры на каждые ЮЧГ скорость ферментативной реакции у солода зерновых возрастала, в среднем, вдвое, что соответствует правилу Вант - Гоффа. Это оказалось не характерным для солода из бобовых. Максимальная активность солода исследованных образцов зарегистрирована при рН 5.5. Однако, активность солода из зерновых при этом была, в среднем, в 4 раза выше, чем у солода, полученного из бобовых.

Амилолитнческая активность солода определялась нами при разных концентрациях ферментного препараш: 0.2. 0.4. 0.6, 0,8 н 1 %. в результате показано, что наибольшей активностью при концентрации фермента 1 % обладает солод из тритикале. 6794.65 ± 5.52 ед. Эта активность на 9 и 21 %. соответственно, была выше, чем у солода из пшеницы и ржи (рис. 3).

Далее нами изучено влияние различных концентраций субстрата (0,5. 1. 2, 3 г/дл) на ферментативную активность солода. Установлено, что наиболее длительное насыщение активного центра фермента субстратом (крахмалом) наблюдается у солода из тритикале. Так, при концентрации крахмала 0.5 г/дл активность солода из тритикале составила 2865.22 ± 8.12 ед.. при 1 г/дл его активность возросла на 35 %. при 2 г/дл - ни 46 %. при 2.5 г/дл - на 49 % и при 3 г/дл - на 51 % (рис. 4). Вместе с тем. полученные нами результаты в очередной раз свидетельствуют, что амилолитнческая активность солода из зерновых существенно выше таковой активности бобовых культур.

Изучение изменения активности солода в зависимости от разных значений концентрации субстрата позволило рассчитать две важнейшие характеристики ферментного препарата: константу Михаэлиса и скорость ферментативной реакции. Ока-

залось. что К,Т| была наибольшей у еолода т пшеницы. Она составляла 0,60 г/дл, что выше чем у ржи на 12 %, тритикале - на 17 %, чечевицы I - на 20 % и чечевицы II - на 34 %. Что касается скорости реакции, то она оказалась максимальной у солода из тритикале и была равна 2.75 ед/с. Это выше скорости реакции для солода из пшеницы в 1,2, из ржи - в 1.4. из чечевицы I - в 3,7. а чечевицы П-в 5,5 раза.

Концентрация ферментного препарата. °о

Рис. 3. Изменение амилолитической активности ферментного препарата солода в зависимости от его концентрации Примечание: 1, 2. 3, 4, 5 - солод из пшеницы, ржи, тритикале, чечевицы 1, чечевицы II, соответственно.

Рис. 4. Влияние различных концентраций субстрата на амнлолитическуто активность

солода

Примечание: I, 2. 3, 4. 5 - солод из пшеницы, ржи, тритикале, чечевицы I, чечевицы П, соответственно.

Таким образом, нами впервые детально изучена амилолитическая активность иативного солода, полученного из указанных культур в зависимости от разных значений температуры, рН, концентрации фермента и концентрации субстрата.

Исследования кинетических параметров напганого солода показали, что солод, полученный из бобовых культур имеет меньшее сродство к субстрату и характеризуется меньшей начальной скоростью реакции гидролиза крахмала. Эти результаты, свидетельствуют о существенно более низкой активности амплолитических ферментов солода. полученного из бобовых культур по сравнению с солодом из зерновых.

Разработка технологии физической иммобилизации ферментного препарата солода

Разработанная нами технологическая схема физической иммобилизации ферментного препарата солода и ее основные этапы представлены па рисунке 5. Иммобилизацию проводили методом адсорбции на полипропиленовых трубках согласно известным методикам (Вудворд, 1988; Медведева, 2001; Слабова, 2005; Шкутина. 2005; ВаэИа е( а1„ 2000: К>1ага е! а1.. 2001; Ыотоигтп е! а!.. 2002). Установлено, что сразу после посадки ферментного препарата солода па носитель его активность уже оказалась ниже, чем у нативиого солода. Так, к этому сроку исследования иммобилизованные ферментные препараты солода из тритикале сохраняли 93.5 % от активности нативного фермента, из пшеницы - 87,3 %, а из ржи - 80,6 % (рис. 6).

Приготовление солода Подготовка носителя

(отбор, очистка, сортировка, мойка (мойка, дезинфекция, шлифовка

и дезинфекция зерна, замачивание, рабочей зоны носителя, трехкратная

проращивание зерна. обработка I н НС1 и К'аОН.

сушка солода и его измельчение) отмывка водой)

^ Р Иммобилизация солода 4 ^

I

Продолжительность 120 мин Температура 25-27°С

Хранение

^ Температура 4-5°С

Использование иммобилизованного ферментного препарата

Рис. 5. Технологические этапы физической иммобилизации ферментного препарата

солода

100

5 во Е бо

I 40 ■

< 20

о

1 2 3

Вилы солода

Рис. 6. Сравнительная амилолитическая активность нативного ЧУО и иммобилизованного ГГ\1 солода из тритикале (Г). пшеницы (2) и ржи (3)

По мере увеличения сроков хранения препарата иммобилизованного солода его амилолитическая активность неуклонно снижалась. Гак, н первые дни активность солодового препарата из пшеницы, ржи и тритикале, в среднем, уменьшилась на 13 %, а двух видов чечевицы - на 20 %. К седьмым суткам потеря активности для солода из зерновых, в среднем, составила 55 %. из бобовых - 60 %. Через две недели активность иммобилизованного солода составляла всего 3-5 % от исходных значений. Наибольшая потеря ферментативной активности наблюдалась у солодового препарата, изготовленного из чечевицы, а наименьшая - из тритикапе.

Оценка амилолитичсскоп активности иммобилизованною солода в зависимости от температуры, рН и концентрации субстрата

Для проведения этой серии экспериментов концентрация ферментного препарата иммобилизованного солода составляла 0.1 %, т. е. была в 10 раз меньше, чем нативного. Было установлено, что после иммобилизации солода на полипропиленовых носителях оптимальная температура гидролиза крахмала смещается в сгороиу более высоких значений. Однако, максимальная каталитическая активность такого солода определялась при 60°С. 'по. в среднем, на 20°С больше, чем у нативного ферментного препарата (рис. 7). В то же время, максимальная амилолитическая активность иммобилизованного солода из тригикале была меньше на 13 %, чем у нативного препарата. Что касается других зерновых культур, то при 60°С эта активность для иммобилизованною солода из пшеницы была меньше на 28 %. а из ржи - на 37 %. чем у нативного препарата. Полученные данные свидетельствуют о том, что иммобилизованный солод более термоустойчив, чем нативиый. Ото, естественно, расширяет температурный диапазон

1 1

«I

II

I* ¡в

!»

I

II

I

I

использования иммобилизованного ферментного препарата солода, в том числе и па производстве. В то же время, оптимум рН для иммобилизованного солодового препарата оказался практически одинаковым с пативным, соегавляя 5,5-5.7 (рис. 8).

Изучение в динамике амилолитической активности в зависимости от разных концентраций субстрата (рис. 9) позволило рассчитать константу Михаэлиса и скорость ферментативной реакции для иммобилизованного солодового препарата. Показано, что иммобилизация приводит к увеличению значений константы Михаэлиса и уменьшению максимальной скорости реакции по сравнению с нагивным энзимом. Это свидетельствует о том. что иммобилизованный ферментный препарат имеет меньшее сродство к субстрату и характеризуется меньшей начальной скоростью реакции гидролиза крахмала. Гак, константа Михаэлиса для иммобилизованного солода из тритикале на 30 %. из пшеницы - на 12 %, а из ржи - на 19 % была выше, чем у нативпого. В связи с этим у иммобилизованного солода указанных культур максимальная скорость ферментативной реакции оказалась ниже, соответственно, на 12. 8 и 6 %, чем у нативного (табл. 1).

Температура,'С

Рис. 7. Сравнительная оценка каталитической активности нативного (1) и иммобилизованного (2) солода из тритикале в зависимости от температуры

10 Л 30 40 ;о 60 70 80 90

600

3

4

6

рН

Рис. 8. Сравнительная оценка каталитической активности нативного (1) и иммобилизованного (2) солода из тритикале в зависимости от рПсреды

Таблица 1 - Кинетические параметры нативиого и иммобилизованного солода

Показатели Солод

тритикале пшеница рожь

Кт. г/дл нативный 0.72 0.68 0,65

и м моби л изо в ан и ы й 0.50 0.60 0,53

Утк. ед/с нативный 24,0 28,0 32.0

иммобилизованный 2,75 2.25 1.92

Рис. 9. Сравнительная оценка каталитической активности нативного (1) и иммобилизованного (2) солода из тритикале в зависимости от концентрации субстрата

Таким образом, нами впервые разработана технология физической иммобилизации солода полученного из тритикале, пшеницы и ржи. Установлены оптимальные значения температуры. рН и концентрации субстрата, при которых расщепление крахмала происходит полностью. Полученные данные свидетельствуют о неодинаковом сродстве нативного и иммобилизованного ферментного препарата солода к своему субстрату и. следовательно, о их разной каталитической активности. Иммобилизованный ферментный препарат солода имеет меньшее сродство к субстрату и характеризуется меньшей начальной скоростью гидролиза крахмала. Показано, что иммобилизация повышает константу Михаэлиса и уменьшает максимальную скорость реакции по сравнению с нативным энзимом.

Роль биотехнологнческих препаратов и растворов редкоземельных металлов в изменении амилолитпческой активности иммобилизованного солода Далее нами оценивалось влияние препарата эффективных микроорганизмов.

коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов в концентрации 5-10"' г/л

на амилолитическую активность иммобилизованного солода. Перед выполнением

этих опытов, нами были проведены проверочные эксперименты па солоде чечевицы II, т. к. он обладал наименьшей амилолитической активностью (табл. 2). Таблица 2 - Амилолитичсская активность (ед.) солода из чечевицы II

Препараты Обработка солода Обработка трубок

ЭМ-препарат 943,64+21,73 997,32± 12,48

Коллоидное золото 960,36 А 17,25 1007,501 13,74

11еодим 925,27 ± 18,31 978,82 . 12,58

Празеодим 914,41 ± 15,82 957,68±7 93

Лантан 901,33+ 14.57 925,0015,72

Из таблицы 2 следует, что обработка носителя всегда сопровождалась более высокой амилолитической активностью солода. Гак, активность иммобилизованного солода при обработке трубок ЗМ-препаратом была больше на 3-6 %, чем после стимуляции самого еолода. Исходя из этого, в дальнейших экспериментах мы использовали лишь полипропиленовые трубки, которые перед иммобилизацией солода обрабатывали указанными растворами.

Затем, на примере чечевицы 11, нами была проанализирована остаточная амилолитическая активность иммобилизованного ферментного препарата солода, т. е. на 15-е сутки. Установлено, что после обработки носителя ЭМ-нрепаратом активность иммобилизованного солода из чечевицы II составляла 9 %, коллоидного золота- 10 %, неодима- 5 % (рис. 10).

Воздействия

Рис. 10. Активность иммобилизованного ферментного препарата солода из чечевицы

II на 15-е сутки опыта 1 [римечание: 1 - контроль; 2, 3, 4 - носитель, обработанный растворами неодима ЭМ-препарата и коллоидного золота, соответственно.

Влияние иммобилизованного солодового препарата на производственные показатели теста, хлеба, пива и кваса

Учитывая несомненную практическую важность полученных данных, значительный объем исследований был посвящен возможному практическому применению иммобилизованного ферментного препарата солода. Для этого выбран солод, полученный из тритикале, т. к. его ферментативная активность была самой высокой. В лабораторных условиях с использованием иммобилизованного ферментного препарата солода из тритикале были изготовлены тесто, хлеб, пиво, квас и исследованы их органолептические и физико-химические показатели, характеризующие качество полученных изделий.

На основании полученных данных и в соответствии с актами независимой экспертизы заключено, что использование препарата иммобилизованного солода в производстве теста, хлеба, пива и кваса весьма рентабельно и вполне оправдано, ибо все показатели качества полученных продуктов соответствовали нормативным требованиям ГОСТов. В качестве примера приведем такие данные только для хлеба (табл. 3).

Нами впервые было установлено, что при изготовлении хлеба иммобилизованный ферментный препарат солода без изменения качества продукта можно использовать не менее пяти суток, пива - восьми, а кваса - семи суток (рис. 11). Однако, юстируемые характеристики продуктов выдерживаются в полной мере при использовании такого солода для изготовления хлеба только в течение трех суток, пива - пяти и кваса - четырех суток.

Таблица 3 - Изменение производственных показателей качества хлеба

№ и'п Показатели ГОСТ 2077 -84 Контроль Солод

натпвнмй нммобил то ванный

1 -е сутки 2-е сутки 3-е сутки

1. Содержание влаги.% не более 41 -53 41.23 + 0,18 42.53 ± 0,67 Р > 0,05 41.86 + 0.26 Р < 0,001 42,03 т 0.15 Р-'0.001 42,17+0.36 Р > 0,05

2 Кислотность, град. не более 7-11 5,23 + 0,07 8,03 + 0.03 Р с 0.001 5,76+0,13 Р > 0,05 6,87 + 0,35 Р < 0.001 7,30 + 0,07 Р< 0,001

3. Пористость, % не менее 46 46.53 + 0,85 58,10 + 0,72 Р < 0.001 48,14 + 0,73 Р •: 0,001 53,60+ 0.87 Р > 0,05 55,71 +0,64 Р < 0.001

Примечание: Р - по отношению к контролю.

Сутки

Рис. 11. Динамика амилолитической активности иммобилизованного солода при изготовлении пива (1) и кваса (2)

Подчеркнем, что иммобилизованный ферментный препарат солода можно использовать неоднократно, что весьма важно для производственного цикла изготовления продуктов, ибо позволяет значительно сократить расходы и повысить рентабельность. Продукты, изготовленные с применением иммобилизованного ферментного препарата солода не содержат белковых (гейр. аллергенных) примесей, что особенно существенно в пищевой промышленности.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что иод влиянием препарата эффективных микроорганизмов улучшаются посевные качества семян пшеницы, ржи. тритикале и двух видов чечевицы. Энергия прорастания семян увеличивается, в среднем, на 10 %. сокращаются сроки прорастания, в среднем, в 1.5 раза, отмечено позитивное влияние на развитие проростков и корнсобразование.

2. Впервые показано, что обработка посевных семян ржи, тритикале и двух видов чечевицы коллоидным золотом и растворами редоземельных металлов (неодима, празеодима, лантана) в концентрации 5-1 О*4 г/л увеличивает энергию прорастания на 8-10 %, сокращает скорость прорастания, в среднем, на 30 %, усиливает рост проростков и образование корней.

3. Изучена зависимость скорости амилолитической активности нативного солода, полученного из зерновых и бобовых культур, от температуры. рН, концентрации ферментного препарата и концентрации субстрата. Установлено, что ферментативная активность солода из зерновых в 3-4 раза выше, чем солода, полученного из бобовых культур. Солод из чечевицы имеет низкое сродство к- субстрату ¡г

характеризуется низкой начальной скоростью гидролиза крахмала, по сравнению с солодом из зерновых.

4. Впервые разработана технология физической иммобилизации солода из пшеницы, ржи, тритикале и двух видов чечевицы. Ma момент изготовления иммобилизованные ферментные препараты солода из тритикале сохраняли 93.5 %. из пшеницы - 87.3 %, из ржи - 80.6 % от активности нативного фермента. Иммобилизованный солодовый препарат возможно использовать многократно, до 15 суток.

5. Установлено, что обработка полимерных носителей препаратом эффективных микроорганизмов, коллоидным золотом или растворами редкоземельных металлов с последующей иммобилизацией солода в каталитическом отношении оказывается более эффективной, чем аналогичная обработка нативного солода.

6. Впервые изучено влияние температуры, рП и концентрации субстрата па амилолитическую активность иммобилизованного солода, полученного из пшеннцы, ржи и тритикале. Максимальная каталитическая активность такого препарата определяется при 60°С, что свидетельствует о его высокой термостабилыгости. Иммобилизация солода сопровождается увеличением константы Михаэлиса и уменьшением максимальной скорости реакции.

7. Впервые показана целесообразность применения иммобилизованного ферментного препарата в производстве теста, хлеба, пива и кваса. При этом показатели качества пищевых продуктов отвечают нормативным критериям соответствующих ГОСТов, повышается их амилолитичеекая активность, а длительность использования иммобилизованного солодового препарата, но сравнению с нативным солодом, увеличивается в 3-5 раз.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Предпосевная обработка зерновых (пшеницы, ржи, тритикале) и бобовых (два вида чечевицы) культур препаратом эффективных микроорганизмов, коллоидным золотом, растворами редкоземельных металлов улучшает посевные качества этих семян.

2. Предложен способ получения солода из чечевицы, что расширяет области его применения. Получен патент на изобретение № 2428464 «Способ производства солода из чечевицы».

3. Разработанная программа «Расчет амилолитнческой активности солода» позволяет находить искомые значения ферментативной активности солода мри заданных значениях концентрации субстрата. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617147 - Федеральная служба но интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам г. Москва.

4. Иммобилизованный солодовый препарат рекомендуется к использованию в технологических процессах изготовления теста, хлеба, пива и кваса. Эффективность его применения подтверждена актом о внедрении научно-исследовательской работы на ОАО «Хлебокомбинат им. Стружкина» г. Саратова.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бургпина С.Н.. Шатько A.A. Влияние солода разного вида на качество хлебобулочных изделий // Материалы конф. по итогам научно-исследовательской и производственной работы студентов за 2008 год: сб. науч. статей. Саратов: Наука, 2009. С. 29-30.

2. Буршигга С.Н.. Шатько A.A. Сравнительный анализ амилолитнческой активности солода различного вида // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. Саратов: Наука. 2008. С. 43-44.

3. Шатько A.A. Сравнительный анализ амилолитнческой активности солода различного вида и его использование в технологии хлебобулочных изделий // Молодые ученые Саратовской области: тез. науч. работ студ. высших учеб. заведений Сарат. обл.-учаетников обл. конкурса «Студенческая наука 2009». Саратов: Макси-принт. 2009. С. 105- 106.

4. Шатько A.A. Влияние солода разного вида па качество теста и хлеба // Актуальные проблемы ветеринарной патологии, физиологии, биотехнологии, селекции животных: сб. материалов науч.-практ. конф. Саратов: Наука, 2010. С. 166- 167.

5. Шат ько A.A. Изменение посевных качеств семян под влиянием микробиологических и нановоздействий // Технология и продукты здорового питания: материалы IV между!тр. науч.-практ. конф. Саратов: КУБиК, 2010. С. 171 - 172.

6. Шатько A.A. Характеристика ферментативной активности солода из зерновых и бобовых культур // Вавиловские чтения - 2010: материалы междунар. науч.-нракт. конф. Саратов: КУБиК, 2010. Т. 2. С. 182 - 183.

7. Блинов В.А.. Шатько A.A. Влияние пробиотнческого препарата, наиочастиц золота и редкоземельных металлов на посевные качества ссмяи // Вестник Саратовского госагроуннверситета им. H.I1. Вавилова. 2010. Ks 11. С. 10 - 13.

8. Блинов В.А.. Шатько A.A. Иммобилизованный солод: технология, кинетика, изменение под влиянием пробиотика и наиоконцентраций металлов // Шестой Саратовский салоп изобретений, инноваций и инвестиций. Саратов: Саратовский ГАУ. 2011.4. 2. С. 64-65.

9. Блинов В.Л., Шатько A.A. Характеристика ферментативной активности солода из зерновых и бобовых культур // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. H.H. Вавилова. 2011. № 3. С. 5-8.

10. Шатько A.A. Влияние нанотехнологических воздействий на иммобилизацию солода и возможность применения этого препарата // Материалы иитернет-конф. «Приоритетные направления модернизации аграрной экономики: тенденции, проблемы. перспективы». 2011. [Электронный ресурс]. URL:lHtp://w\v\v.s¡-'au.rn/assets/files/konferenc/lntcrnct/l/blinov.doc www.sgau.ru/ (дата обращения: 10.11.2011).

11. Шатько A.A. Сравнительная оценка активностей нативного и иммобилизованного солода // Актуальные проблемы ветеринарной патологии, физиологии, биотехнологии и селекции животных: материалы конф.. посвященной 80-летию доктора ветеринарных наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ Демкина. Саратов: КУБиК. 2011. С. 72-73.

12. Блинов В.Л., Шатько A.A. Характеристика некоторых параметров иммобилизованного солода как катализатора катаболизма крахмала // Вестник Саратовского госагроуннверситета им. H.H. Вавилова. 2011. № 11. С. 8 - 10.

13. Блинов В.А., Шатько A.A. Пат. 2428464 Рос. Федерация. М11К С 12С 1/00. Способ производства солода из чечевицы. № 2010128203/10 заявл. 07.07.2010: опубл. 10.09.2011.Бюл.№ 25. 4 с.

Подписано к печати 24.02.2012г. Тираж 100. Заказ № 1041 Отпечатано в типографии ООО «Принт-клуб» по адресу: 410026. г. Саратов, ул. Московская. 160. Тел.: (845-2) 338-300

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Шатько, Анна Александровна, Саратов

61 12-3/798

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И.Вавилова»

На правах рукописи

Шатько Анна Александровна

ИЗМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ НАТИВНОГО И ИММОБИЛИЗОВАННОГО СОЛОДА ПОД ВЛИЯНИЕМ НЕКОТОРЫХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор, Блинов Валерий Анатольевич

Саратов - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................. 4

1. Обзор литературы................................................................. 9

1.1. Основные этапы производства солода и его характеристика.... 9

1.2. Ферменты солода......................................................... 13

1. 3. Сферы применения солода............................................. 27

2. Собственные исследования..................................................... 37

2.1. Объект, материалы и методы исследований..................... 37

2. 1. 1. Определение посевных качеств семян............................. 38

2. 1.2. Технология получения солода и определение

его амилолитической активности............................................ 40

2. 1.3. Технология иммобилизации солода.................................. 42

2. 1.4. Технология и методы определения качества теста, хлеба,

пива и кваса..................................................................... 45

2. 1.5. Статистическая обработка результатов............................ 47

2. 2. Результаты исследований и их обсуждение....................... 49

2. 2. 1. Влияние биотехнологических препаратов и растворов

редкоземельных металлов на посевные качества семян................. 49

2. 2. 2. Определение амилолитической активности нативного

солода.............................................................................. 58

2. 2. 3. Зависимость амилолитической активности нативного солода от температуры, рН, концентрации ферментного

препарата и концентрации субстрата....................................... 64

2. 2. 4. Кинетика амилолитической активности нативного солода... 71 2. 2. 5. Разработка технологии физической иммобилизации ферментного препарата из солода.......................................... 73

2. 2. 6. Оценка амилолитической активности иммобилизованного

солода в зависимости от температуры, рН и концентрации

субстрата........................................................................ 80

2.2.1. Роль биотехнологических препаратов и растворов редкоземельных металлов в изменении активности

иммобилизованного солода................................................. 86

2. 2. 8. Влияние иммобилизованного солодового препарата на органолептические и физико-химические показатели

теста и хлеба.................................................................... 91

2. 2. 9. Влияние иммобилизованного солода на качественные

показатели пива................................................................. 99

2. 2. 10. Применение иммобилизованного солода для

изготовления кваса............................................................ 105

Заключение........................................................................... 114

Выводы................................................................................. 121

Практические предложения...................................................... 123

Список использованных литературных источников..................... 124

Приложения........................................................................... 144

Введение

Актуальность темы. Солод является весьма востребованным продуктом в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине и др. [4, 70, 148]. Это связано с тем, что солод содержит активный комплекс ферментов, а также соединения, необходимые для нормальной жизнедеятельности: белки, углеводы, макро- и микроэлементы, витамины. При использовании солода улучшается качество пищевых продуктов, в том числе для детского питания, увеличиваются сроки их хранения, продукты приобретают необходимый аромат, цвет и вкус [46, 47, 85, 95, 134, 142] решаются многие технологические проблемы изготовления качественных продуктов питания и обогащения их микронутриентами [28, 72, 86, 166].

Однако применение нативного солода имеет ряд недостатков: низкая стабильность и однократность действия, неустойчивость к экстремальным воздействиям, постоянная возможность загрязнения продуктов питания чужеродными белковыми (гезр. аллергенными) примесями, сложность регулирования глубины ферментативной реакции и т. д. [49, 107, 192]. Многие из этих проблем успешно решаются с помощью иммобилизованных ферментов, которые в пищевой промышленности с высокой эффективностью применяются на таких крупномасштабных производствах как получение глюкозо-фруктозных сиропов, Ь-аминокислот и т. д. [149, 153]. В то же время возможность применения иммобилизованного солода в каких-либо отраслях хозяйственной деятельности до сих пор еще не исследовалась, что обуславливает необходимость и актуальность их проведения.

Другой, теоретически и практически значимой задачей является повышение продукции солода высокого качества. С этой целью применяются различные усилители солодоращения: сульфацетамин, гиббереллин, цитоки-нин, фузикокцин и др. [8, 16, 54, 74]. Однако большинство из них не является стимуляторами получения нативного и, особенно, иммобилизованного

солода биотехнологического генеза. С современных позиций это является актуальной задачей.

Цель работы - изучение ферментативной активности нативного и иммобилизованного солода и оценки влияния на эти процессы некоторых биотехнологических воздействий.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние эффективных микроорганизмов, коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов на посевные качества семян.

2. Оценить амилолитическую активность нативного солода в зависимости от температуры, рН, концентрации ферментного препарата и концентрации субстрата.

3. Разработать технологию физической иммобилизации солодового препарата, полученного из зерновых и бобовых культур.

4. Оценить амилолитическую активность иммобилизованного солода в зависимости от температуры, рН и концентрации субстрата.

5. Установить роль биотехнологических воздействий в изменении качественных показателей иммобилизованного солода.

6. Исследовать влияние нативного и иммобилизованного солода на ор-

ганолептические и физико-химические показатели качества теста, хлеба, пива и кваса.

Научная новизна. Впервые установлено, что обработка семян пшеницы, ржи, тритикале и двух видов чечевицы препаратом эффективных микроорганизмов и коллоидным золотом существенно улучшает их посевные качества. Так, энергия прорастания при обработке семян ЭМ-препаратом у зерновых, в среднем, увеличилась на 9 %, у бобовых - на 15 %. Под воздействием коллоидного золота энергия прорастания семян тритикале увеличилась в 1,5 раза. Обнаружена тенденция к сокращению сроков прорастания семян под влиянием ЭМ-препарата, коллоидного золота и неодима. Под влиянием указанных воздействий скорость прорастания культур по сравнению с контрольными образцами уменьшилась, в среднем, в 1,5 раза. Растворы празео-

дима и лантана снижали скорость прорастания данных культур, в среднем, на 30-40 %.

Детально изучена зависимость скорости амилолитической реакции на-тивного солода, полученного из указанных зерновых и бобовых культур от температуры, рН, концентрации ферментного препарата и концентрации субстрата. Установлено, что ферментативная активность солода из зерновых в 3-4 раза выше, чем у бобовых.

Предложен способ производства солода из чечевицы, позволяющий повысить ферментативную активность и энергию прорастания зерна чечевицы, а также сократить сроки получения готового солода и, как следствие, расширить область применения такого солода (патент на изобретение № 2428464 «Способ производства солода из чечевицы»).

Впервые разработана технология физической иммобилизации солода, полученного из семян пшеницы, ржи и тритикале, изучена его амилолитиче-ская активность в зависимости от температуры, рН и концентрации субстрата. Установлено, что потеря ферментативной активности солода после иммобилизации составляла, в среднем, 13 % от активности нативного. Солод, полученный из бобовых культур, по сравнению с солодом из зерновых, имел меньшее сродство к субстрату и низкую начальную скорость реакции гидролиза крахмала. Иммобилизованный солодовый препарат может быть использован в течение 15 дней.

Практическая значимость работы. Показана целесообразность использования препарата эффективных микроорганизмов, коллоидного золота и растворов редкоземельных металлов (неодима, празеодима, лантана) в концентрации 5-10" 9 г/л для улучшения посевных качеств семян зерновых и бобовых культур.

В научно-пилотных опытах впервые установлена эффективность использования разработанного иммобилизованного ферментного препарата солода при изготовлении теста, хлеба, пива и кваса. Положительные результаты исследований подтверждены актами комиссионных испытаний в Саратовском

ГАУ им. Н. И. Вавилова. Получен акт о внедрении технологии физической иммобилизации солода в производство хлебобулочных изделий на ОАО «Хлебокомбинат им. Стружкина», г. Саратов. Разработана программа «Расчет амилолитической активности солода», предназначенная для нахождения искомых значений амилолитической активности солода при заданных значениях концентрации субстрата (свидетельство о государственной регистрации № 2010617147 - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, Москва, 2010).

Результаты научных исследований используются в учебном процессе при чтении студентам-биотехнологам лекций, проведении лабораторных работ, при написании дипломных работ и методических указаний в ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова». Этому способствует, в частности, и разработанная база данных «Библиографический обзор литературы по изучению основных характеристик солода и его применения» (свидетельство о государственной регистрации № 2011620324 - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, Москва, 2011).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Биотехнологические воздействия (препарат эффективных микроорганизмов, коллоидное золото, растворы редкоземельных металлов в концентрации 5-10 _ 9 г/л) улучшают посевные качества семян зерновых и бобовых культур.

2. Амилолитическая активность нативного солода зависит от температуры, рН, концентрации фермента и концентрации субстрата.

3. Разработаны технологические этапы физической иммобилизации ферментного препарата солода из зерновых и бобовых культур.

4. Ферментативная активность иммобилизованного солодового препарата зависит от температуры, рН и концентрации субстрата.

5. Препараты эффективных микроорганизмов, коллоидное золото, растворы редкоземельных металлов в концентрации 5-10 ~9 г/л стимулируют амилолитическую активность иммобилизованного солода.

6. Иммобилизованный ферментный препарат солода рекомендуется применять при изготовлении теста, хлеба, пива и кваса.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований представлены на Международной научно-практической конференции «Вавилов-ские чтения» (Саратов, 2010); научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ по итогам научно-исследовательской и учебно-методической работы (Саратов, 2011); Шестом Саратовском Салоне изобретений, инвестиций, инноваций (Саратов, 2011); первой интернет-конференции Саратовского ГАУ «Приоритетные направления модернизации аграрной экономики: тенденции, проблемы, перспективы» (Саратов, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы и собственных исследований, включающих материалы и методы исследований, результатов исследований и их обсуждение, а также заключения, выводов, практических предложений и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 148 страницах, иллюстрирована 27 рисунками, 25 таблицами, содержит 4 приложения. Список использованных литературных источников включает 224 наименования, в том числе 108 зарубежных авторов.

1. Обзор литературы

1. 1. Основные этапы производства солода и его характеристика

Как известно, зерновые культуры являются важнейшим компонентом пищи. Они источник витаминов группы В, клетчатки, факторов роста, нормализации обмена веществ и др. Зерно служит сырьем в пищевой, химической, текстильной, винокуренной промышленности, источником кормов для всех отраслей животноводства [42]. Особую значимость имеют зерновые для производства муки, хлебных и макаронных изделий, крахмала, спирта и других хозяйственно-значимых продуктов [25]. Исходя из этого, повышение посевных качеств зерновых является весьма актуальной задачей [104, 160].

Традиционными стимуляторами посевных качеств семян являются: сульфаниламидные препараты (сульфацетамин), гормоноподобные вещества (гиббереллин, цитокинин, фузикокцин), регуляторы роста растений, полученные культивированием соответствующих микроорганизмов (офиоболины, котиленины), производные 2-хлорэтилфосфоновой кислоты (этефон, этрел), гетероауксин, корневин, эпин, биостим, силк, иммуноцитофит, циркон, цито-вит, действие электрическим током (электропорация) и др. [59, 88, 157]. Под их воздействием улучшается всхожесть семян, значительно повышается энергия прорастания. Сравнительно недавно показано, что на рост и развитие растений, их урожайность благоприятно влияют редкоземельные металлы. Они особенно необходимы в стадии цветения и образования семян [91, 71]. Рассмотрим некоторые из этих стимуляторов.

Крезацин - триэтаноламиновая соль крезоксиуксусной кислоты. Стимулирует генеративное развитие растений [41]. Агат 25к является биопрепаратом комплексного действия на основе инактивированных бактерий Pseudomonas aureofaciena Hl 6, обогащенным макро- и микроэлементами, имму-ногенами и биологически активными веществами [7, 96]. Создан комплекс фитогормонов ауксиновой и гиббереллиновой природы, который получил на-

звание «Биостим». Его рекомендуется применять для ускорения прорастания семян [47]. Из растительного сырья получен циркон. Он регулирует рост и развитие растений, способствует образованию корней, индуктор цветения. Циркон повышает всхожесть и энергию прорастания семян, ускоряет цветение, рост и развитие растений. При этом сроки созревания растений сокращаются на 1-2 недели, а урожайность возрастает на 35-60 %. Хорошим стимулятором корневой системы является корневин [52, 95]. Подобных примеров можно привести много. Вместе с тем подчеркнем, что стимуляторов (или ингибиторов) посевных качеств зерновых, биотехнологического генеза практически неизвестно.

Ассортимент компонентов переработки зерна огромен. Одним из них является солод - продукт искусственного проращивания зерен злаков, содержащий активные вещества - ферменты. Эти биокатализаторы определяют способность солода расщеплять (осахаривать) крахмал на простые сахара [59, 134, 148, 204]. Солод широко применяется в различных областях пищевой и перерабатывающей промышленности: в хлебопечении, молочном производстве, производстве безалкогольных напитков и кондитерских изделий, для винокурения, пивоварения и т. д. Солод все чаще используется в производстве детского питания, обогащая продукты легкоусвояемыми белками, углеводами, клетчаткой, минеральными соединениями и витаминами. В последнее время солод успешно применяется и как пищевая добавка в структуре диетического и лечебно-профилактического питания [45, 78, 120, 145, 196].

В нашей стране проблема обеспечения промышленности качественным солодом стоит достаточно остро. Она все еще не удовлетворена, главным образом, за счет низкого качества ячменя - традиционной культуры для получения солода. Именно поэтому около 50 % солода завозится из-за рубежа, который имеет высокую степень общего и белкового растворения, обладает хорошей ферментативной активностью [62, 122]. Крупнейшими производителями солода (2010 год) являются компании Франции и США (рис. 1).

Огоире 8ои£йе4 (Франция)

Сарр МЛ (США)

Русский солод (России)

1,4©

153§

1,05

Рис. 1. Некоторые производители солода за 2010 г. (млн. тонн в год)

Все это обосновывает необходимость не только повышения качественных свойств зерновых: ячменя, ржи, пшеницы, овса, но и оправдывает попытки получения солода из других сельскохозяйственных культур, в частности, из чечевицы, тритикале, кукурузы, нута, гречихи и др. [127, 130, 141].

При производстве солода весьма актуальными оказываются как технические, так и технологические проблемы. Считают, что в настоящее время для улучшения качества отечественного солода особую значимость приобретают технологии, в которых широко используются биологически активные вещества различной природы [5, 17, 21, 44, 57, 66, 186]. Приготовление солода - сложный комплекс специфических проц�