Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка технологии комплексного получения белковых продуктов, обогащенных биологически активными веществами из листовой биомассы амаранта

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии комплексного получения белковых продуктов, обогащенных биологически активными веществами из листовой биомассы амаранта"

На правах рукописи УДК (664 + 613.292)547.979.8

СОЛОДОВА Елена Алексеевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ ПРОДУКТОВ, ОБОГАЩЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ИЗ ЛИСТОВОЙ БИОМАССЫ АМАРАНТА

Специальность 03.00.23 — Биотехнология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре «Биотехнология, экология и сертификация пищевых продуктов» МГУПП и в лаборатории «Экологии и физиологии фототрофных организмов» Института фундаментальных проблем биологии РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук

Гинс В. К.

Научный консультант: доктор технических наук

Нугманова Т. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Винаров Ю. А.

кандидат биологических наук Лысенко Г. Г.

Ведущая организация: ООО «Биосинтез».

Защита состоится « // . » . . 1998 года в /Ог

на заседании Диссертационного Совета К 063.51.04 Московского Государственного Университета пищевых производств по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, 11, МГУПП.

Просим вас принять участие в заседании диссертационного совета или прислать отзыв в 2-х экземплярах, заверенных печатью учреждения по выше указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП.

Автореферат разослан « » .... 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета к.т.н. доц.

Тихомирова О. И.

5щая характеристика работы.

Актуальность темы. Организация рационалыюго питания ^лансированного по содержанию белка и составу незаменимых ами->кислот -одно из основных условий здорового образа жизни. Создание 'Мбинированных продуктов питания, имеющих традиционные потреби-льские свойства и содержащих белковые продукты, обогащенные галогически активными веществами из растительного сырья, позволит ^ширить ассортимент продукции лечебно-профилактического назначил. В ряде развитых стран Европы, Азии и Америки белки, выделен-Je из сои, люцерны и других бобовых, широко используются в качест-! добавок к различным пищевым продуктам. Большие объемы лроиз->дства растительного белка обеспечивают потребность населения их стран в белке и позволяют его экспортировать. Однако, Россия i-за климатических условий не может выращивать сою и вынуждена лпортировать соевые белоксодержащие продукты. Так, Россия заку->ет соевые изоляты в количестве 2 тыс.т в год на сумму свыше 50 пн.долларов.

Поиск растительных ресурсов, способных давать большую фото-штетическую биомассу листьев с высоким содержанием сбалансиро-анного по аминокислотному составу белка, обогащенных БАВ, явля-гся одной из актуальных задач в нашей стране. В настоящее время чимание ученых все больше привлекает культура амаранта, имеющая скальный биохимический состав : биомасса содержит биологически сгивные вещества (бетацианы, бетаксантины, каротиноиды, флаво-зиды, аскорбиновую кислоту, хлорофилл), а также пектин и углеводы, ледует отметить важную особенность листьев амаранта - высокое • J

эдержание белка (в среднем 20 % от АСВ) с хорошо сбалансировании аминокислотным составом, близким к белку молока. По содержало лизина белок амаранта превосходит зерновые и не уступает бобо-ым, тогда как серосодержащих аминокислот он содержит существенно ольше. Кроме того, особенностью растения амаранта является высо-ая фотосинтетическая продуктивность и способность адаптироваться

к различным условиям выращивания. Поэтому его рассматривают к: альтернативный сое источник белка.

В литературе имеются сведения о том, что каротиноиды, пе тины, амарантин, хлорофилл представляет собой ценные для питаж компоненты. Поэтому комплексное выделение этих веществ совмест» с белками является перспективным при их использовании для создан! лечебно-профилактических продуктов.

Цель и направление исследования. Целью данной работы Я1 лялась разработка технологии получения белковых продуктов, обоп щенных биологически активными веществами из листовой биомасс амаранта.

В связи с поставленной целью были определены основные задачи р; боты :

- Изучение содержания белка, а также каротиноидов, хлорофилла амарантина в различных видообразцах амаранта коллекции ВИР зависимости от климатических условий выращивания.

- Изучение влияния фазы развития растения на фракционный соста белка и содержания БАВ в листьях амаранта.

- Разработка технологических параметров, позволяющих максимальн извлечь белки из листовой биомассы амаранта.

- Изучение влияния условий сушки листьев амаранта на степень экс1 рагирования белков.

- Разработка технологических параметров, позволяющих максимальн осадить белки из экстракта.

- Разработка условий фракционирования белков, позволяющих пол*» чать цитоплазматическую и хлоропластную фракции белков, обога щенных каротиноидами, хлорофиллом, амарантином .

- апробация разработанной технологии в опытно-промышленных услое ях и разработка комплекта НТД (проект ТУ и ТИ) на производство бе ковых продуктов из амаранта.

- Разработка рецептур продуктов, на основе белка из амаранта и об тащенных биологически активными веществами.

Научная новизна. Впервые научно обоснована возможность применения листовой биомассы зеленолистного видообразца амаранта А.сгиепЫв и краснолистного - А.ИуросЬопйпасиз в качестве источни-<а белка, обогащенного биологически активными веществами. Показано существенное влияние фазы развития растения на содержание и состав 5елка амаранта и на содержание биологически активных веществ : хло-рофиллов, амарантина и каротиноидов.

Изучена возможность применения полисахаридов (пектина) в качестве фактора, способствующего осаждению белка.

Установлена зависимость состава белковых фракций от температурных режимов фракционирования.

Впервые изучен биохимический состав хлоропластной и цитоллаз-иатической фракций, который показал наличие всех незаменимых, в том ■теле серосодержащих аминокислот и высокое содержание биологически активных веществ - каротиноидов, амарантина и хлорофиллов.

На основании проведенных исследований подготовлен материал цля подачи заявки на патент «Способ получения белковых продуктов из листьев амаранта».

Практическая значимость. Разработана технология комплексной переработки листовой биомассы зеленолистного видообразца амаранта /\.сгиеп1из и краснолистного - А.Ьурос1юпс1г1асиз с получением белковых продуктов, обогащенных биологически активными веществами.

Разработан комплект НТД (проект ТУ и ТИ) для организации производства белковых продуктов, обогащенных биологически активными веществами из листовой биомассы амаранта.

Технология получения белковых продуктов апробирована в опытно-промышленных условиях ВНИИ селекции и семеноводства овощных " ^ культур РАСХН (Одинцово) и наработана опытная партия белковых продуктов.

Предложены рецептуры использования полученного белка из вегетативной массы амаранта при производстве консервированных пищевых продуктов, томатных соусов и хлебобулочных изделий.

Апробация работы. Материалы исследования обсуждались на Втором Мехедународном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», на Международной научно-теоретической конференции «Молодые ученые-пищевым и перерабатывающим отраслям АПК»., на втором Международном симпозиуме «Питание и здоровье: биологически "активные добавки к пище.», а также на заседаниях кафедры «Биотехнология, экология и сертификация пищевых продуктов» (МГУПП).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 работ.

Объем работы. Работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа изложена на страницах машинописного текста,

включает ¿Г/ таблиц и рисунков. 1.Обзор литературы.

В этом разделе представлены сведения о биохимическом составе вегетативной биомассы различных видообразцов амаранта и физиологической роли биологически активных веществ, а также представлен обзор различных существующих технологий выделения белка и их питательной ценности, рекомендации по их использованию для приготовления продуктов питания.

2.Экспериментальная часть.

Исследования проводили на кафедре «Биотехнология, экология и сертификация пищевых продуктов» МГУПП и в лаборатории «Экологиии и физиологии фототрофных организмов» Института фундаментальных проблем биологии РАН.

2.1. Объекты и методы исследования.

Объектом исследования являлись различные образцы амаранта, выращенные в условиях Подмосковья на опытном поле ВНИИССОК и Пущино. Семена были получены из ВИР РАСХН (Санкт-Петербург) и ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур РАСХН (Одинцово) .

\

Определение влажности проводили по ГОСТ 13496-3-70, определение общего азота по методу Къельдаля (Петухова,1981) и Нессле-ра. Растворимый белок определяли с биуретомым реактивом (Дж. Бейли,1965) и по Бредфорду с реактивом Кумасси (Breadford, 1972). Определение клетчатки проводили по ГОСТ 134962-75, определение золы проводили методом сжигания органического вещества в тиглях в муфельной печи при Т° 600-800 °С по ГОСТ 1349616-75. Сырой ,'iaip определяли по методу С. В. Руижовского (Е.А. Петухова, 1981) Спектрофото-метрическим методом определяли содержание каротиноидов и хлоро-филлов (Lichenthaler et.all, 1982), а также амарантина с использованием коэффициента молярной экстинции 5,66*10* (Piattelli,1965). Определение аминокислотного состава проводили на аминокислотном анализаторе Likuamat IV (Labotron, ФРГ).Определение микробиологической чистоты препарата проводили путем высева образца на среды накопления и селективные среды по ГОСТ 26668-85, ГОСТ 26669-85, ГОСТ 26670-91, ГОСТ Р 50480-93, ГОСТ Р 50474-93, ГОСТ 10444.15-94 и ГОСТ 2918591.

2.2 Подбор видообразца амаранта для получения белка. 2.2.1. Изучение белкового состава разных сортов амаранта.

Для получения пищевых добавок одним из основных условий является высокое содержание в них водорастворимых фракций белков, так как они имеют высокую питательную ценность.

Для исследования были использованы листья амаранта урожаев 1995 и 1996 года, 1997 и 1998 года, полученных соответственно из 40, 108, 20 и 100 образцов амаранта соответственно.

В 1997 и 1998 году повторно высевались высокобелковые образцы и в таблицах 1 и 2 приведены данные по фракционному составу белка, по содержанию сырого протеина и биологически активных веществ.

Анализ данных, приведенных в таблице 1 , показал, что содержание сырого протеина в листовой биомассе амаранта сильно варьирует (14,4 - 29,1 % от АС В). Изучение фракционного состава показало, что на долю водорастворимых белков приходится достаточно большое количество белка (14,7-33,7 %).

Таблица 1

Содержание белков в зеленой массе различных образцов ама ранта, (коллекция 1997,98 годов, фаза бутонизации)

Видовая форма или сортообразсц Фракционный состав белка, % от сырого протеина Сырой протеин

Альбумины глобулины Глюте-лнны прола-мины %от АС (М*б,25)

A.cruentus ЕСО-2217 33,7 20,4 30,8 15,1 28,0

A.speciest (вр 366) 25,1 22,8 33,1 19,0 18,5

A.caudatus К-125 29,3 21,6 36,4 12,7 19,8

А.кр.Конго, К-111. 29.9 18.5 29,8 22.6 19.9

A.ganReticus k-76 28,8 29,8 29,5 11,9 15,8

A.ganfteticus К-104 18,9 29,4 27,7 24,0 29,1

A.hypochondriacus 20,2 24,1 29,15 26,6 22,4

A.tricolor К-142 19,9 24,7 44,6 10,8 18,8

A.caudatus К-23 21,4 15,6 43,4 19,6 17,4

A.caudatus К-124 16,2 20,4 31,7 31,7 21,4

A.caudatus К-99 20,1 21,4 32,0 26,5 24,46

А. К-9 местный 18,9 24,0 35,5 21,6 18,3

A.tricolor К-99 18,4 19,9 39,1 22,6 18,0

A.aureus К-117 19,4 25,3 36,9 18,4 16,5

A.tricolor К-113 22,3 26,7 39.5 11,5 14,4

A.ßanßeticus К-76 14,7 22,4 37,4 25,5 19,5

A.dubins К-86 21,7 24,4 25,7 28,3 16,0

A.caudatus вр 238 25,4 21,9 30,4 22,3 15,1

A.caudatus k-87 18,1 22,4 41,8 17,7 15,1

A.sangeticus К-29 18,4 22,5 35.5 23,6 21.5

Результаты, приведенные в таблице 2 показали, что содержани' БАВ также сильно различалось у разных видов амаранта (каротиноиды от 3,93 до 9,96 мг/г, хлорофилла а от 12,95 до 21,35 мг/г, хлорофилла i - от 5,68 до 16,59 мг/г и амарантина от 1,47 до 5,93 мг/г АСВ). Анали содериания белка и биологически активных веществ проводили в фаз! бутонизации, когда содержание белков и БАВ в водорастворимой фрак ции являлось максимальным

Таблица 2

Содержание БАВ в зеленой биомассе различных образцов маранта, (коллекция 1997,98 годов, фаза бутонизации)

иловая форма или сорто- каро ill' Хлоро- Хлоро- ,inяpaн-

Cpajeu Я0ИДЫ, филл a, филл it. I и и,; .

жг/ЩЩ:! иг/г ЛСВ иг/ri AGB; чг/г ;. ACH

..cruentus ЕСО-2217 8,36 19.41 13,73 3,11

..speciest (вр 366) 9,96 18,09 10,26 1,47

..candattis К-125 8,96 18,82 12,14 4,4 8

..кр.Конго, К-111. 8,95 15,17 12,38 13,07

i.pangeticus k-76 9,34 17,20 13,41 3.66

i.^anReticus К-104 8,37 14,58 13,67 4,62

L.hypochondriacus 8,70 16,53 15,83 39,7

l.tricolor K-142 7,33 21,35 14,30 4,15

i.caudatus K-23 9,47 18,63 15,93 25,82

i.caudatus K-124 6,04 14,6 14,57 13,53

A.caudatus K-99 8,33 16,98 12,65 24,0

t. K-9 местный 7,24 18,48 10,43 3,29

^tricolor K-99 8,21 17,57 12,06 35,93

L.aureus K-117 7,97 19,35 16,23 1,80

^tricolor K-113 9,44 18,02 12,18 4,22

l.gangeticus. K-76 6,21 19,53 16,59 4,77

Ldubins K-86 6,53 16,34 9,77 3,49

i.caudatus вр 238 5,73 15,89 8,23 3,60

i.caudatus k-87 3,93 12,95 5,68 13,50

cus K-29 8,38 19,31 13,55 1,92

В результате проведенных исследований был выбран зеленолист-ный сорт A.cruentus ЕСО-2217 , характеризующийся стабильно высоким урожаем биомассы в течении трех лет и содержанием водорастворимой фракции белков (33,4 % от СП), сырого протеина (28,0 % от АСВ) и био-погически активных веществ : хлорофилла а - 19,41 мг/г, хлорофилла в - 13,73 мг/r, каротиноидов - 3,36 мг/г и амарантина - 3,11 мг/г АСВ.

2.2.2 Изучение влияния фаз развития в онтогенезе растения на биохимический состав белка в листостебельной биомассе амаранта.

Содержание белка в зеленой биомассе амаранта зависит не только от видообразца амаранта, но и от возраста растения. Нами были проведены исследования по определению содержания белка, хрофиллов, ка-ротиноидов и амарантина в зависимости от фазы онтогенеза. Для исследования нами был использован высокобелковый зеленолистный сорт А.cruentus ЕСО-2217, который относится к среднеспелым образцам.

Анализ полученных данных показал, что в процессе развития амаранта содержание белков в каждой фракции увеличивается, при этом содержание водорастворимого белка достигает максимального значения в фазе бутонизации растения и составляет 43,2 мг/г АСВ.

Изменение содержания БАВ в онтогенезе растения имеет одинаковую зависимость - максимальное содержание в стадии цветения (хлорофилл а - 19,6 мг/r и хлорофилл в - 14,5 мг/г) и минимальное в стадии плодоношения (14,5 мг/г и 12,4 мг/г соответственно). Это связано с тем, что в стареющих листьях процессы деструкции пигментов преобладают над процессами их синтеза. Максимальное содержание каротинои-дов отмечено на уровне 9,25 мг/г и амарантина - 3,27 мг/г от АСВ в стадии^цветения. Так как, наиболее ценные белки, с точки зрения питания, находятся в водорастворимой фракции, то их содержание является основополагающим фактором при выборе фазы вегетации для сбора растения с целью получения белковых продуктов. Кроме того, принималось во внимание содержание БАВ. Вышеуказанным требованиям наиболее подходит фаза вегетации (25 дней после всходов), однако в это время у амаранта еще недостаточно развита вегетативная биомасса растения (высота растения 10 см и масса растения от 5 до 15 гр), поэтому, фаза вегетации для промышленного получения белка не может быть использована. В фазе бутонизации (60 дней после всходов) наблюдается максимальное содержание белков (43,2 мг/г) в водорастворимой фракции на фоне повышенного содержания амарантина (3,11 мг/г) и хлорофиллов (хлорофилла а 19,4 мг/г и 13,7 мг/г хлорофилла в

от АСВ). В этой фазе развития растения отмечено сущостпонноо увеличение биомассы амаранта (высота растения достигнет о гм и ого пасса до 1 кг). Видообразец A.cruentus обладает гысокои скоростью роста. Установлено, что агроклиматические услопия Hoi ?рмолог.и>я (Московская область) позволяют за летний сезон проводить дп.е срезки листьев при благоприятных условиях. При двукратном скяшчппнии растений развивается большая листовая поверхность за счет активного отрастания боковых побегов. Выход сырой биомассы листьев ( кг/га ) с одной срезки достигает 5000 кг и за две срезки - 7000-10 000 кг.

Таким образом, для получения белка из растительной биомассы амаранта наиболее продуктивной является фаза бутонизации, при'которой наблюдается наибольшее содержание в листьях сырого протеина, водорастворимой фракции белков и биологически-активных веществ.

Кроме того, анализ полученных данных показал, что для получения белковых продуктов целесообразнее использовать листовую биомассу, так как при экстрагировании одинакового количества листовой и листо-стебельной биомассы в раствор переходит больше на 35 % белка при экстрагировании листовой биомассы.

3, Разработка технологических параметров, позволяющих максимально извлечь белки из зеленой биомассы. 3.1. Изучение влияния степени измельчения на экстрагируемость белков.

Одним из факторов, влияющих на полноту извлечения белка из биомассы амаранта является размер частиц, полученных при измельчении биомассы зеленолистного видообразца A.cruentus ECO 2217.

Анализ полученных данных показал, что чем больше степень из- " ✓ мельчения растительного сырья, тем больше полнота извлечения белков из экстрагируемой биомассы. Наибольшая степень извлечения белка была достигнута при преобладании частиц сырья размером 1 мм (экстрагируется 75 % белка от исходного содержания в биомассе). Меньшая степень измельчения сырья приводит к снижению полноты извлечения белков.

3.2. Влияние количества добавляемой воды на процесс экстрагирования белков.

Анализ литературных данных показал, что для повышения степени экстракции белка из зеленой массы при прессовании к растительному сырью следует добавлять определенное количество воды. На рис 1. приведены результаты исследования зависимости полноты извлечения белка из зеленой массы амаранта от количества добавленной к сырью воды (рН=6,0).

•ШШ

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Количество добавляемого экстрагента (воды), %

Рис 1. Влияние количества добавляемой воды на полноту извлечения белков иэ листовой биомассы амаранта.

Полученные результаты говорят о том, что с увеличением объема экстрагента (воды) добавляемого к свежей биомассе амаранта, экстраги-руемость белка из сырья возрастает. Так, при добавлении экстрагента от 2 % до 10 % к массе сырья экстрагируемость белка увеличивается с 25 % до 54 %. Однако, при добавлении экстрагента более чем 10 % от массы исходного сырья, этот рост незначителен, а экстракт становится все более разбавленным, что в условиях Промышленного получения белковых продуктов повлечет за собой неоправданное увеличение габаритов производства. Изложенное выше указывает на целесообразность добавления к обрабатываемой свежей биомассе амаранта экстрагента в количестве 10 % от исходной массы сырья.

-Ю

1.3. Изучение влияние продолжительности экстракции на степень извлечения белка из листовой биомассы янярлмт^.

Проведенные исследования по влиянию продопчц-: <: ¡и,nor.ru экс-рякции ня полноту извлечения белка из биомассы пмзрштп, показали, по выход белка из растительной биомассы при нег>г><=-рмг."рч пореч'?-шванни стечение 10 минут составляет 44 %, а течении 20 минут - 57.4 ■/, от («'ходчого содержания в листьях амаранта. С упогччоми^г: проясни »кстця«-н,ии 0>опее 30 минут содержание белка в экстракте практически увеличивается.

3.4 Изучение влияния рН раствора и до6зплясг,,'сг? р'-пг'знтп на юпноту извлечения белка из листовой биомассы амарянта.

Поскольку, степень экстрагируемости белка , является функцией концентрации анионов и катионов, вносимых з раствор, то кгти исследована зависимость экстрагируемости белков от рН .экстракта и эт вида добавляемого оеагента, изменяющего рН (кислоты, щелочи).

Анализ результатов (рис 2.) показал, что в присутствии фосфорной сислоты наибольшее извлечение белка (87 %) наблюдается при рН=2.5, э в присутствии соляной кислоты -39 % при рН-3. При добавлении серной кислоты при рН от 2 до 3 экстрагируется около 75 % белка.

Рис 2. Влияние рН и вида добавляемого реагента на полноту извлечения белков из листовой биомассы амаранта.

1-соляная кислота ; 2-ортофосфорная кислота; 3-серная кислота; 4- лимонная кислота; 5-гидроксид натрия

Добавление лимонной кислоты позволяет максимально экстрагировать белок при рН=3 на Г>5 %. При добпплснии трихлоруксусной кислоты наибольшая степень экстракции бепкп (55%) наблюдается при рЧ~2 При использовании осоу наученных реагентов экстрагируе ыость болим резко падает в диапазоне рН-3-4.

Минимальное содержание белка е экстракте (35 % от исходного содержания в биомпссе) наблюдается при добэвлонии трихлоруксусной п<-слоты (рН-4). Установлено что при сильном подкисшими ¡»«'стрчкг!» (рН=2-3) происходит окисление серосодержащих аминокислот (метиони-на, цистеина), а также триптофана. Поскольку сумма серосодержащих аминокислот в растительных белках является лимитирующей, то подкис-ление экстракта является нежелательным.

При использовании гидроксида натрия максимальное извлечение белка наблюдается при рН=12 (78% от исходного содержания в биомассе).

Однако, при рН более 10 происходит деструкция серина, цистеина и аргинина.

Было изучено влияние рН на экстрагируеадость биологически активных веществ, полученных при использовании зелснопистноП формы амаранта А.сгиеои<8 (в листовой биомассе преобладает хлорофилл) и краснолистной формы амаранта А.|1урос1юпс1пасиз (преобладает лма-ран тин).

Таблица 3.

Изменение содержания БАВ в экстракте в зависимости от рН от максимально возможной экстракции.

: Содержание

биологически ак- Цвет раствора экстракта

тивных веществ

РН среды % от макси-

мального Амарантин Хлорофилл

ама- хлоро-

рэнтин _филл

2,0 0 0 Желтый Бурый

2,6 3.5 5.6 8,0 52 72 " Тоо 88 54 100 90 "" Бледно-розовый | Бурый Красно фиолет. ! Зеленовато-бур. Красно-фиолет. ¡Зеленый _ Красно-фиолет. : Зеленый

10,0 68 70 Красно-Фиолет. Буро-зеленый

| 12,0 . 1._... о 0 Синий бурый

Анализ полученных данных (табл 3) показал, что наибольшее содержание биологически активных веществ в экстракте -100 %(от максимально возможного содержания в экстракте) нп'упюдпется при рН=5,6, однако при этом степень извлечения белка из сырья составляет около 57 %. Уменьшение содержания биологически активных веществ при подкислении и подщелачивании происходит, по-видимому, за счет разрушения структуры хлорофилла, амарантина .

Ввиду вышесказанного, целесообразным является экстракция при рН=3,0 , при котором отмечен следующий уровень экстракции биологически активных веществ и белка : амарантина-95 %, хлорофилла -30 %, водорастворимого белка - 76 % от исходного содержания в биомассе. 3.5. Изучение влияния температуры на экстракцию белка и БАВ.

Исследование влияния температуры экстрагирующего раствора (воды) на выход белка из листьев амаранта представлен на рис 3.

Анализ полученных данных показал, что максимальная экстракция белка наблюдается при температуре 30 °С (экстрагируется 88 % белка за одну экстракцию). Была проведена повторная экстракция белка из жома при 30 °С. При повторной экстракции экстрагируется 89 % белка от исходного его содержания в биомассе. При 3-х кратной экстракции в лабораторных условиях при комнатной температуре в раствор' переходит около 90 % белка.

ю

* о

<0 X

О. I- ^

0 о

1 X О о «

О ш £

Т«мп# р этур а

Рис 3. Влияние температуры на полноту извлечения бепка (количество экстрагируемого (>елка от исходного содержания в листовой массе амаоанга,)

-И -

Учитывая, что трехкратная экстракция увеличивает степень извлечения белка только на 2 % по сравнению с однократной степенью извлечения, в данном случае достаточно одной экстракции. Изучение влияния температуры на содержание биологически активных веществ в экстракте представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Влияние температуры на содержание биологически активных ве-

ществ в »кстракте от максимально возможной экстракции.

т°с Содержание биологически активных веществ Цвет экстракта

% от максимального

ама-рантин хлорофилл амарантин Хлорофилл

30 100 10 0 Кра сно- фиолетова я Зеленый

40 97,8 97,0 Красно-фиолетовая Зеленый

50 96,5 95,6 Красно-фиолетовая Зеленый

60 86,8 74,5 Красно-фиолетовая Зелено-бурый

70 85,4 67,8 Красно-фиолетовая Бурый

80 70,8 55,4 Красно-фиолетовая Бурый

90 38,8 35,7 Розовая бурый

100 18,0 17,0 неокрашенная бурый

Анализ полученных данных показал, что максимальная экстракция на-

блюдается при температуре 30°С. С увеличением температуры содержание БАВ в экстракте уменьшается, по-видимому за счет их разрушения. Изучение влияния температуры на стабильность амарантина и хло-росрилла показало, что экстрагирование белка при температуре 30 °С не вызывает разрушения биологически активных веществ.

Таким образом, разработаны технологические параметры экстракции белка, обогащенного биологически активными веществами из листовой биомассы в раствор : Размер частиц сырья-1мм; количество добавляемой воды 10 % от массы сырья; рН=8 (подщелачивание гидроксидом натрия); температура экстрагента 30 °С; экстракция одноступенчатая, время экстракции 20 минут при перемешивании.

Использование этих параметров позволяет перевести в раствор более 88 % белка от исходного. Кроме того, при использовании этих режимов в

экстракте содержится 95 % амарантина и 30 % хлорофилла ог исходного содержания в листовой биомассе.

3.6. Изучение влияния условий сушки листьев амаранта на полноту извлечения белка.

Для увеличения периода переработки листьев амаранта в условиях промышленного производства была изучена возможность использования сухого сырья. Было исследовано влияние процесса сушки листовой биомассы на экстракцию белка. Полученные данные показали, что сушка листовой биомассы при 40°С в течении 48 часов позволяет получить сырье, из которого при экстракции можно извлечь максимальное количество водорастворимой фракции белков, сырого протеина и биологически активных веществ.

4. Разработка технологических параметров выделения белков амаранта из экстракта.

4.1. Изучение влияния концентрации соли на осаждение белка.

Для высаливания белка нами был использован №С1 как наиболее доступный и широко использующийся в пищевой промышленности. Полученные данные показали, что при 35 % концентрации соли в экстракте наблюдается осаждение 51 % содержащегося в экстракте белка. По данной технологии нами был получен осадок, содержание белка в котором составляло 13,9% от АСВ., Учитывая, что полученный осадок содержит соль №С1, применение белкового препарата, полученного методом высаливания в пищевой промышленности будет ограниченным.

4.2. Изучение влияние полисахарида на осаждение белка.

При смешивании водных растворов белка и полисахарида получают двухфазную систему, равновесие в которой устанавливается главным образом, в результате межфазного переноса воды. Одна из фаз, как правило, раствор белка, концентрируется, а другая (раствор полисахарида) разбавляется. Исследование двухфазной системы пектин-белок выявило наиболее полное осаждение белка при добавлении пектина в белковый раствор из расчета 1,5 г на 50 мл и последующем инкубировании в течении 1,5 часа. При этом осаяедается 70 % белка от содержания белка в экстракте и содержание белка в осадке составляет 62 %. Учи-

тывая, что полисахариды имеют высокую стоимость, использовать этот метод нецелесообразно с экономической точки зрения.

4.3. Изучение влияния рН на осаждение белка.

Было изучено влияние рН при добавлении различных реагентоо на осаждение белка.

Анализ проведенных исследований показал, что при использовании трихлоруксусной кислоты (рН=4,0) осаяздается наибольшее количество белка (58 % от исходного ) , что согласуется с результатами, полученными при изучении влияния рН на растворимость белков амаранта и литературными данными. Получен осадок, содержащий 73,9 % белка, амарантина - около 3 % и хлорофилла около 14 % от АСВ, при этом потери амарантина составляют 29 % и хлорофилла-15 % от исходного содержания.

4.4. Температурное фракционирование белка амаранта с получением хлоропластной и цитоплазматической фракций.

Нагрев клеточного сока является наиболее распространенным способом, который используется при препаративном выделении хлоропластной (высокомолекулярные термолабильные белки, связанные с хлоро-пластами) и цитоплазматической ( неокрашенные низкомолекулярные белки) фракций. Учитывая, что состав и свойства белков клеточного сока существенно зависят от вида растения, то параметры коагуляции необходимо определять экспериментально. Поэтому на первом этапе получения цитоплазматической и хлоропластной фракций белка нами были проведены исследования по подбору температуры для фракционирования белка из зеленолистного видообразца А.сгиепЫэ и краснолистного видообразца А.)1урос1юпс1г1асиз. Полученные данные по фракционированию белка А.сгиеШиэ представлены на рисунке 4 .

Полученные данные свидетельствуют, что при осаждении белка при различных температурах отмечено два пика с максимумами при 45 °С и 80 °С. При осаждении хлорофилла отмечено три пика с максимумами при 45, 70 и 90 °С. Проведение опытов по осаждению белков при этих температурах показало, что максимальное количество белка хлоропластной фракции выделяется при нагревании экстракта 45 °С, а цитоплазматиче-

ской при 80 С. При выделении хлоропластной »¡плгиии С> m при 45' С осаждается большая часть хлорофилла <оспдек ссд^рпит Г1. >, мг/г от АСВ) вместе с хлоропластными белками >c^w1" со;-.-р.-шт 850 мг/г от АСВ). После отделения хлоропластной tf-pacw >< .b';'i.Homi.ier.' повышении температуры осаждается белок цитоплазмптгч' '¡т.-чкции и его содержание в осадке достигнет 887 мг/г (от АСВ), л :• лооофилла около 2 мг/г (от АСВ).

.1

1 .2

О

* Ü .8

«Зм

Ю £ 0 3

OÜ о <! О

1 -

I : ■. пгт ! - v Г.".} „II"]

L , > г

U — V* X: «к —; - — .i—i—j „J.\ ! !

'Г 1.' \ ■AI !

l-ii-rjrrrf--:- „О-:... ¿.¡.i. fei .......

10 15 20

30 35 40 45 50 55 60 Ii 5 /О Температура,град.С

Рис 4. Влияние температуры на содержание белка и хлорофилла в экстракте.

1-изменение содержания белка (,&Сб) в мг/мл за 10 "С

2- изменение содержания хлорофилла (дСхл) в мг/мл за 10 "С

Опыты показали, что для получения хлоропластной фракции белка из

листовой биомассы А.сгиепШэ, обогащенной биологически активными соединениями, наиболее целесообразно использовать температуру 45 °С, а цитоппазматической (менее пигментированной) - 80 0 С. Для получения белкового препарата, обогащенного амарантином (2,5 мг/г АСВ) из А.1чуросИопс1пасиз целесообразно использовать температуру коагуляции 55 °С.

Было также изучено влияние продолжительности нагревания на степень осаждение хлоропластной фракции белка и биологически активных веществ. Анализ полученных данных (рис 5) показал, что наибольшее осаждение белка хлоропластной фракции наблюдается при 45-минутном прогреве экстракта (осаждается 85 % белка от экстракта).

При 45-минутном выдерживании экстракта белка'при 45° С наблюдается наиболее полное осаждение биологически активных веществ.

il)

Хлорофилл осаждается на 82 % от исходного содержания в экстракте и его содержание в белковом продукте составляет 138 мг/г от АСВ. Амарантин осаждается на 55 % от исходного содержания в экстракте и его содержание в белковом осадке достигает 39,6 мг/г от АСВ.

Для получения цитоплазматической фракции белка нами также была изучена зависимость степени осаждения от времени выдерживания экстракта цитоплазматической фракции при 80° С.

£ 60 Ч ш

о. 40

я Oi о

* £ * Q. Ч. О

о та О ш #

щ г:.;.: щ ¿¿и

Щ

_____ '.'¿jm^"

10 15 20 25 30 35 ДО 45 50 55 60

• р«ия осаждения, мми

Рис 5- Влияние времени нагревания при 45 С на полноту осаждения хлоропластной фракции белков (%).

1-содержание белка в хлоропластной фракции, % от экстракта.

2-Осаждение хлорофилла, % от его содержания в экстракте.

3- осаждение амарантина, % от экстракта.

Анализ полученных данных показал, что осаждение в наибольшей степени наблюдается при нагревании центрифугата при 80 °С в течении 30 минут , при этом осаждается 98 % белка от исходного в центрифугате. Содержание хлорофилла в полученном белковом продукте составляет 2 мг/г от АСВ, а амарантина - 1.2 мг/г от АСВ. Изучение совместного влияния pH и воздействия температуры (80 °С) на осаждение цитоплазматической фракции белков показало, что время прогрева белкового экстракта можно уменьшить. Полученные данные показывают, что наибольшая степень осаждения белка - 80 % от исходного отмечена при 15 минутном выдерживании. Содержание белка в скоагулировавшем осадке - 63 % от АСВ. На основании полученных технологических параметров была разработана технологическая схема комплексного получения белковых продуктов, обогащенных БАВ из листовой биомассы амаранта (рис 6), состоящая из следующих основных стадий : измельчение, прессование, сепарирование, нагревание, центрифугирование, сушка и фасовка белковых продуктов.

Рис б- Технологическая схема выделения белковых продуктов .

-19 -

5. Изучение химического состава белковых продуктов.

Разработанные технологические параметры получения б^лкорьг . препаратов были опробнрованы в опытно промышленных условия ВНИИССОКа. Наработаны опытные партии белковых продуктов, химиче ский состав которых представлен в таблице 5 .

Таблица 5.

Химический состав белковых продуктов из зеленолистной формь

амаранта (% на АС В)

Параметр Сносах биомасса Л.сшении Высушенная биомасса ; Г

Исходная Биомасса Хлоропластная фракция Цитоплазматическая Фракция Хлоропластная Фракция Цнтоплач- матичеекзя Фракция

Сырой протсин,% (N•6,25) 21,5 85,0 92.7 55,3 60,0

Белок, % 19,42 80,3 87,3 50,') 5 4,?

Вязга, % 11.0 7,0 6,3 7.0 6,5

Жир,% 2,8 2.8 следы 1.7 Следы

Зола.% 15,0 1,3 0,2 1,5 0,8

Целлюло-за,% 27.2 Нет Нет Нет Нет

Хлорофилл,% 3,3 13,3. 0,2 11,9 0,2

Каротн-ноиды,% 0.8 3,2 0,1 2,7 0,1

БЭВ,% 22,5 3,9 0,8 34,5 32,7

Цвет Зеленый Темно-Болотный БелссвыП цвет Буро--челе-ный Темио-бежеВый

Вкус Нейтральный вкус Нейтральный вкус

Сравнительный анализ белковых продуктов из свежей и сухой био массы амарантина показал, что в белковых продуктах из свежей био массы содержится больше белка, чем в сухой (80,3 и 50,4 % в хлоро-пластной и 87,8 и 54,9 % в цитоплазматической фракции соответствен но). Хлоропластная фракция обогащена биологически активными веще ствами и содержит около 13,8 % хлорофилла и 3,2 % каротиноидов (о-АСВ). Цитоплазматическая фракция содержит около 0,2 %(от АСВ) хло

рофилла. В белковом продукте, полученном из краснопиглной формы амаранта, содержится 29,7 % белка, пектина-9,1 % и амарантина -2,5 % от АСВ. Был исследован аминокислотный состав попученных белковых продуктов. Полученные данные представлены в таблице 6 .

Таблица в .

Аминокислотный состав исходной биомассы и полученных белко-

вых продуктов (% к АСВ).

инокис- Ы ... БгЛКОЛМ^ продукты ( Я.ЧГ.М» ЙНПМЯССМ 'A.cniehfus : P:\-t к о »Mi пролу;:1ы cvxnrt Биомассы A.cruentus II ■MUKTU '»'.! A.hvpo.:):ori р iv . "triaciiM

Пс ход-пая биомасса Х.ю-ро- ПЛЯС г-мая фракция Цито-пчач- H3TII-ческая Фракция Хлоро-пааст-ная Фракция Цнто-пназ-мзтич. Фракция Исходная биомасса X л 0 р 0 П .1 л -с и I а я фракция

ан н н 0,6 2,67 2,88 1,66 1,90 0,57 0,8

[I ЦIIII 0,88 3,83 4,15 2,57 2,91 1,08 1.6

прягин. а. 1,3 5 7,25 7,54 3,90 4,13 1,32 2,34

/тампн. а 2,39 8,42 11,95 4,92 8,55 2,18 3,35

тин 1,38 5,67 5,68 4,22 3.85 1,00 2,28

стнлнн 1.2 5,92 5.85 3,85 3,41 0,91 1.57

зонин 0,79 3,58 3,61 2,51 2,18 0,57 0,95

степи 0,5 233 2,03 1,66 1,34 0,3 3 1,1

т н о и м н 0,4 5 2,08 1.95 1,5 5 1.51 0,3 7 0,92

П И II 1.10 5.25 4,41 3.26 2.85 Тб5 1,07

OJIIIII иптофяп 0,5 2 0,22 2,00 Т.оз 2,29 1,07 1,28 1,21 1,73 0,3 3 0,8

1,69 0,1 7 0,39

йц пи 1,27 6,17 5,51 3,85 3,46 0,91 1,90

элейцпн 0,77 3,50 3.81 2,51 2,74 0,54 1,13

рнн 1,27 4,83 5,34 3,16 3,69 1,1 1,81

ГЦ IIIIII 1,36 5,33 5,85 3,64 3,97 1,24 1,87

пилаля-н 1,48 6,75 6,1 4,49 4,08 1,13 2,73

рознн 1,38 7,75 5,76 4,44 3,58 1,51 3,06

Анализ полученных данных представленных в таблице б, показал, что в белковых продуктах, полученных из свежей биомассы амаранта содержание аланина, глицина, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты, треонина, пролина, триптофана, изолейцина, серина, аргинина и тирозина в цитоплазматической фракции превосходит хлоропластную -в

1,1- 1,5 раза . По остальным аминокислотам не наблюдается существенных различий в хлоро пластной и цитоплазм этической фракциях. В хлоропластной фракции из сухой биомассы A.cruentus наблюдается меньшее содержание аминокислот (общая сумма аминокислот 54,68 %), чем из свежей биомассы ( общая сумма аминокислот 84,36 % ) от АСВ. Хлоропластная фракция, выделенная из краснолистной формы A.hypochondriacus содержит 15,91 % аминокислот (общая сумма) от АСВ. Во всех хлоропластных фракциях содержатся серосодержащие аминокислоты, что увеличивает питательную ценность белков из амаранта.

Были расчитаны показатели биологической ценности, полученных белковых фракций и предложены возможные рецептуры применения белковых фракций в качестве добавки к паштетным массам, томатным соусам и хлебобулочным изделиям (пшеничный хлеб и макароны). Полученные продукты с добавками имеют хорошие органолеггтические показатели и могут быть рекомендованы для лечебно-профилактического питания.

Исследование показателей безопасности белковых продуктов выявило, что данные химические и микробиологические показатели находятся в пределах ПДК.

ВЫВОДЫ .

1. Изучено содержание сырого протеина, водорастворимых белков и биологически активных веществ листовой биомассы различных видооб-разцов амаранта амаранта. Выявлены перспективные видообразцы зе-ленолистный A.cruentus ECO 2217 и краснолистный A.hypochondriacus.

2. Показана зависимость содержания альбуминов, глобулинов, глюте-линов и проламинов, а также биологически активных веществ от вида растения и стадии развития. Установлено, что максимальное содержание белка (43,2 мг/г от АСВ) и достаточно высокое содержание БАВ (хлорофилл а - 19,4 мг/г, хлорофилл в - 13,7 мг/г , каротиноиды - 8,4 мг/г и амарантин-3,11 мг/г) наблюдается в стадии бутонизации (60 дней после всходов).

3. Оптимизированы технологические параметры, позволяющие наиболее полно- до 88 % экстрагировать белок из биомассы амаранта :

степень измельчения частиц сырья 1 мм, количество добавляемой

воды -10 % от массы сырья, рН=8,0 (добавление IMaOH), температура экстрагента 30 °С, время экстракции 20 минут, экстракция одноступенчатая.

4. Изучены условия фракционирования и подобраны режимы, позволяющие наиболее полно осаждать белки из экстракта :

- Для осаждения хлоропластной фракции на 84 % необходимо нагревать при 45 °С в течении 45 минут.

Для осаждения цитоплазматической фракции на 78 % необходимо при рН=4 (добавляется трихлоруксусная кислота) выдерживать при температуре 80 °С в течении 15 минут.

5. Разработана технологическая схема получения белковых продуктов из зеленолистной и краснолистной формы амаранта, которая прошла опробирование в опытно промышленных условиях ВНИИССОК. При переработке биомассы амаранта получены опытные партии белковых продуктов : хлоропластная фракция составила 1,4 кг (АСВ), а цитоплазматическая -0,6 кг (АСВ) из 50 кг свежей биомассы.

6. Определен химический состав выделенных белковых продуктов, пол ученных из листовой биомассы амаранта :

- хлоропластная фракция содержит 80,3 % белка от АСВ и биологически активные вещества - хлорофилла около 13,8 % от АС В и кароти-ноидов - около 3,2 % от АСВ.

- Цитоплазматическая фракция характеризуется высоким содержанием белка -до 8 7,8 % и хлорофилла - около 0,2 %. Выявлено, что белковые продукты из зеленолистной формы амаранта содержат серосодержащие аминокислоты и лизин.

7. На основании полученных данных разработан и утвержден комплект НТД (проект ТУ и ТИ) на производство белковых продуктов, обогащенных биологически активными веществами.

8. Предложены различные рецептуры использования белковых продуктов в качестве пищевых добавок при приготовлении паштетов, соусов и мучных изделий. Опубликованные работы по теме диссертации .

1. Гинс В.К., Гинс М.С., Кононков П.Ф.. Харламова С.А.. Солодова Е.А. Роль УФ-А в биосинтезе фотоспнтетическпх пигментов амаранта, обработанного ДХИБ.// В кн: Тезисы докладов I Всероссийской конференции фотобиологов , Пущино - 1996., с.1

2. Кононков П.Ф., Гинс В.К.. Солодова Е.А. Пищевой концентрат из листа амаранта и рецепты по его использованию. Журнал : «Картофель и овощи» N6 1997 года.

3. Солодова Е.А., Гинс В. К., Кононков П.Ф., Кантере В.М., Мухамеджа-нова Т.Г. Условия хранения листьев амаранта. // Тезисы докладов конференции Научное наследие профессора, доктора технических наук Эрнеста Ивановича Каучешвили. 1997

4. Солодова Е.А.. Кантере В.М.. Мухамеджанова Т.Г. Разработка технологии получения изолята белка из листостебельной биомассы амаранта. // Тезисы международной научно-практической конференции «Молодые ученые-пищевым и перерабатывающим отраслям АПК».

5. Солодова Е.А , Гинс В К . Кононков П.Ф , Кантере В м. Мухамеджанова Т.Г. Фракционный состав белка из листьев амаранта. // Материалы Второго Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», 16-20 июня 1997 г, Пущино

6. Гинс М.С., Паламарчук И.В.. Солодова Е.А.. Кононков П.Ф. Регуля-торное действие зеленого света на биосинтез амарантина, фотосинтетических пигментов и белков в проростка A.cruentus L.I/ Материалы Второго Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», 16-20 июня 1997 г, Пущино

7. Солодова Е.А . Палабугин В В., Кантере В.М., Мухамеджанова Т.Г., Кононков П.Ф. Разработка технологии получения белка из листостебель-ной биомассы амаранта. Н Материалы Второго Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», 16-20 июня 1997 г, Пущино

!. Гинс М.С., Солодова1Е.А., Паламарчук И В., Беляева Е.А. Действие УФ-А света на содержание пигментов и белка в семядольных листьях амаранта. // Материалы Второго Международного симпозиума (Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», 16-20 июня 1997 г, Пущино

Солодова Е.А., Палабугин В.В.. Кононков П.Ф.. Кантере В. М. Условия :ушки листьев амаранта .// Материалы Второго Международного симпо->иума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использова- У шя», 16-20 июня 1997 г, Пущино

Ю. Солодова Е.А.. Гинс В.К., Кононков П.Ф.. Мухамеджанова Т.Г., <антере В.М. Белок из листостебельной биомассы амаранта - новая 1ерспективная пищевая добавка.// тезисы Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых 1роизводств.» 28-29 апреля 1998, Санкт-Петербург

И. Солодова Е.А., Гинс В.К., Кононков П.Ф., Кантере В.М., Мухамед-канова Т.Г. Перспективность использования листостебельной биомассы »маранта в качестве источника белка. // сборник трудов ВНИИССОКа. 1998

12. Гинс В.К., Кононков П.Ф., Солодова Е.А , Гинс М.С , Кантере В.М.. Мухамеджанова Т.Г. Перспективность использования листьев амаранта ъ качестве источника белка. // Журнал «Вестник» N 4, 1998

13. Паламарчук И В. , Гинс М.С., Солодова Е.А., Кононков П.Ф. Дейст-зие зеленого света на биосинтез пигментов и белков в листьях амаранта. // тезисы II съезда фотобиологов России. 8-12 июня 1998 г, Пущино

(

SUMMARY

By using components containing protein derived from plant matter and enriched with biologically active substances, we can create a wider range of foodstuffs suitable for medicinal purposes.

Due to its unique biochemical composition amaranth is the most suitable source of plant protein.

Amaranth's leaf mass contains a lot of protein balanced with indispensable amino acids and the following biologically active substances : amaranthin, chlorophyll and carotins.

The necessary technology has been designed for obtaining protein products enriched with biologically active substances from the leaf mass of amaranth.

The protein products have been obtained during the experiments and their biological composition has been studied.

A range of recipes has been proposed illustrating the use of the obtained protein products as an additive to sauces, pates, bread and other bread-based foods.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Солодова, Елена Алексеевна, Москва

/

/'/

МИНИСТЕРСТВУ ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ БИОЛОГИИ РАН

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ ПРОДУКТОВ, ОБОГАЩЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ИЗ ЛИСТОВОЙ БИОМАССЫ АМАРАНТА.

Специалшость - 03.0023 - Биотекнология

На правах рукописи Экземпляр N1 УДК (664+613.292)547.979.8

СОЛОДОВА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА

Шучный руководитель: Доктор биологических наук

ГинсВ.К

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени Кандидата технических наук

Москва 1998

Шедшие 1

1. Литерат>рньм обзор

1.1. Роль белков растительного происхо-ждшия в решении продовольственной проблемы 3

1.2. Химический состав листьев растений рода АтагапШш 7

1.3. Биологическое действие биологически акишных веществ, вьщеленныхиз надземной части амаранта 23

1.4. Получение белковых продуктов из растительного сырья 25 1.4.1. Препаративное (^акционирование клеточного шеи 26

1.5. Реализованные технологии фраквдонирования клеточного сока 45

1.6. Практическое применение амаранта. 55

2. Экшериментшзьная часть.

2.1. Объекты и методы исследования 59

2.2. Подбор видообразца амаранта для получения бежа

2.2.1. Изучение белкового состава и ашржания биологически активных

веществ разных сортов амаранта. 60

2.2. 2. Биометр1ме<жие показатели различных ввдообразцов амарант 74 2.2.3. Изучение влияния фазы развития растения на содержание белка в листовой биомассе амаранта. 78

2.3. Разработка технологических параметров, позволяющих максимально извлечь белки из зеленой биомассы 82 2.3.1. Изучение влияния степени измельчения на растворимость белков . 83

2.3.2. Изучение влияния количества добавляемой вода на процесс экстрагирования белков. 84

2.3.3. Изучение влияния продолжительносш экстракщш на степень извлечения бежа из листовой биомассы амаранта 85

2.3.4. Изучение влияния рНна степень экстракции белков и БАВ. 87

2.3.5. Изучение влияния количества экстракций на выход белка 91 2.3. б. Изучение влияния температуры на экстракцию белка и БАВ. 93

2.3. 7. Изучение влияния условий сушки листьев амаранта на степень извлечения бежа 95

2.4. Разработка техножшчесзшх параметров вьщеления бежов амаранта из экстракта

2. 4.1. Изучение влияния концентрации соли на осаждение бежа 98

2.4.2. Изучение влияния полисахарида на осаждение белка 100

2. 4.3. Изучение влияния рНна осуждение белка.. 103

2. 4.4. Температурное ^акционирование бежа амаранта с получением хлорогтастной и цитоплазмашчесжой фракций. 105

2.4.5. Влияние времени нагревания в подкисленном экстракте на оснащение бежа 108

2.5. Технология тлучшия боковых препаратов ж листовой биомассы амаранта НО

2.6. Изучение химического состава бежовых продуктов. 118

2.7. Питательная ценность полученных бежовых продуктов 127

2.8. Мшфобиологический анализ бежовых продуктов, полученных из

листовой биомассы амаранта 132

2.9.. Основные техшжочжономичеасие показатели. 133

3. Изучение возможностей применения белковых продуктов в качестве добавки к пищевым продуктам.

3.1. Применение белковых продуктов в качестве добавки к хлебобулочным изделиям. 134

3.2. Использование белковых продуктов в производстве консфвированных пищевых продуктов. 135

3.3. Применение бежовых продуктов в качестве добавки к соусам. 136

4. Выводы 138 Список использованной литературы 140 Приложение 168

ВВЕДЕНИЕ

Организация рационального питания сбалансированного по содержанию белка и составу незаменимых аминокислот -одно из основных условий здорового образа жизни. Создание комбинированных продуктов питания, имеющих традиционные потребительские свойства и содержащие белковые продукты, обогащенные биологически активными веществами из растительного сырья, позволит расширить ассортимент продукции лечебно-профилактического назначения. В ряде развитых стран Европы, Азии и Америки белки, выделенные из сои, люцерны и других бобовых, широко используются в качестве добавок к различным пищевым продуктам. Большие объемы производства растительного белка обеспечивают потребности населения этих стран в белке и позволяют его экспортировать. Однако, Россия из-за климатических условий не может выращивать сою и вынуждена импортировать соевые белоксодержащие продукты. Так, Россия закупает соевые изоляты в количестве 2 тыс.т в год на сумму свыше 50 млн. долларов.

Поиск растительных ресурсов, способных давать большую фотосинтетическую биомассу листьев с высоким содержанием сбалансированного по аминокислотному составу белка, обогащенного БАВ, является одной из актуальных задач в нашей стране. В настоящее время внимание ученых все больше привлекает культура

амаранта, имеющая уникальный биохимический состав: биомасса содержит биологически активные вещества (бетавдшны, бетаксан-тины5 каротиноиды, флавоноиды, аскорбиновую кислоту, хлорофилл)., а также пектин и уг леводы. Следует отметить важную особенность листьев амаранта - высокое содержание белка (в среднем 20 % от АСВ) с хорошо сбалансированным аминокислотным составом, близким к белку молока. По содержанию лизина белок амаранта превосходит зерновые и не уступает бобовым, тогда как серосодержащих аминокислот он содержит существенно больше. Кроме того, особенностью растения амаранта является высокая фотосинтетическая продуктивность и способность адаптироваться к различным условиям выращивания. Поэтому его рассматривают как альтернативный сое источник белка.

В литературе имеются сведения о том, что каротиноиды, пектины, амарантин, хлорофилл представляют собой ценные для питания компоненты. Поэтому комплексное выделение этих веществ совместно с белками является перспективным для создания лечебно-профилактических продуктов.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР,

1Л, РОЛЬ БЕЛКОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В РЕШЕНИИ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЙ ПРОБЛЕМЫ,

Продовольственная проблема относится к наиболее острым глобальным проблемам человечества (144,147). В настоящее время состояние в области продовольствия и жизненный уровень населения в большинстве стран крайне неудовлетворителен (142, 143, 144).

Анализ мировой продовольственной проблемы позволяет сделать вывод, что прежде всего эта проблема социально-экономическая и политическая (142). Ее обострение связано с сильным влиянием демографических, экономических, экологических факторов (143).

Неудовлетворительный уровень питания населения имеет два аспекта : количественный, связанный в первую очередь с недостатком, а иногда и избытком калорий, и качественный, характеризующийся дефицитом полноценного белка в рационе питания (142). Согласно концепции сбалансированного питания, с пищей организм человека получает пищевые вещества, которые, поступая в определенных количествах и соотношениях, расходуются на энергетические и пластические нужды (143, 153). Потребность организма в энергии может быть удовлетворена за счет потребления жиров (37,7 кДж/г), усвояемых углеводов (15,7 кДж/г) и бел-

ков (16,7 кДж/г). На пластические же нужды могут расходоваться только белки (143, 153). Кроме того, белки снабжают организм человека 8-9 незаменимыми аминокислотами из примерно 30 незаменимых факторов питания, служат источником азота, выполняют важные структурные функции (146). Таким образом, белок является одним из важнейших компонентов питания, без которого пищевой рацион не может быть признан полноценным.

По данным ФАО, норма его потребления составляет 12 % общей калорийности суточного рациона человека (177), или 80... 100 г, в том числе 60-70 % белков животного происхождения (22, 142). Решение продовольственной проблемы тесно связано с решением проблемы пищевого белка (22, 143).

Мировой уровень потребления белка не обеспечивает биологической потребности человека (142, 147). По данным ФАО, примерно половина всего населения земли испытывает дефицит белка (83, 142). В среднем потребление белка в мире в сутки составляет 60 г. на одного человека, в том числе 30 % животного белка (22), что значительно ниже нормы. Причем, в развитых странах среднее потребление белка составляет 90-93 г., а в развивающихся только 10...25 г (22).

Рост интеллектуальных, нервных, эмоциональных нагрузок и снижение физической активности приводит к возрастанию по-

требнос-ти в биологически полноценных продуктах

Г14 12?

По данным ФАО, в 60-х и 70-х годах растительные продукты обеспечивали примерно 70 % энергетических и почти половину белковых потребностей населения в развитых странах, а в развивающихся - основную часть белковой потребности обеспечивали растительные белки (117,122).

Таким образом, при потреблении традиционных пищевых продуктов белки растительного происхождения играют ведущую роль в удовлетворении белковой потребности людей.

При производстве животной продукции расходуется около 75 % кормового белка на процессы жизнеобеспечения животного, то есть теряется в среднем не менее 3/4 растительного белка. (142). При непосредственном использовании в пищу человека растительных белков, при условии выделения их в чистом виде, коэффициент использования возрос бы в 5-10 раз (143). Однако, в настоящее время растительный белок используется нерационально, так как половина его идет на корм скоту, а значительная часть ценных белковых отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности используется в качестве удобрений и для технических целей (142,143).

Растительные белки по биологической ценности уступают животным в основном за счет худшей сбалансированности амино-

кислотного состава (104). Однако комбинация растительных белков может обладать высокой биологической ценностью (58,125,106,142,143). Так, зерновые бедны лизином, но содержат значительное количество метионина и цистеина, а белки зернобобовых характеризуются высоким содержанием лизина и бедны серосодержащими аминокислотами (14,104,152,186). Эффект взаимного обогащения или комплиментарности по аминокислотному составу белков может быть использован в кормопроизводстве и производстве пищевых продуктов (15,60,74,79,80,143).

Важное преимущество расширения производства белков растительного происхождения в виде белковых продуктов заключается в том, что они обладают высокими функциональными свойствами (14,53,134,142,144). Эти свойства определяют возможность использования продуктов растительного происхождения в том или ином пищевом продукте (66,182), что в последствии позволит организовать их переработку в новые формы белковой пищи или искусственные продукты питания, имитирующие наиболее ценные продукты животного происхождения (79,80,142,143,144).

В различных регионах земного шара, в том числе у нас, в качестве источника растительного белка может быть использована культура амаранта, которая характеризуется уникальным биохимическим составом и, кроме того, содержит большое количество белка, сбалансированного по аминокисло тному составу.

1,2, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ РОДА АМАКАЭТНт

При огромном дефиците пищевого белка и витаминов, амарант может быть использован как высокобелковая культура для питания человека, Так, в Америке и Европе выпускаются хлебобулочные, мучные и кондитерские изделия, обогащенные белком из семян амаранта (52,70,72), а также различные продукты из сои (75). Поэтому во многих странах химический состав листьев и семян амаранта активно исследуется с точки зрения пищевой и кормовой ценности (213,214). Говоря о химическом составе амаранта, необходимо сразу отметить необычайную пластичность растения. Эта пластичность о бу слав лив ает большие расхождения данных по химическому составу листовой биомассы амаранта в зависимости от климата, района культивирования, сорта, агротехнических условий культивирования, возраста растения в момент сбора урожая (1,3,17,19,20,24,87,126,160,169,213). Наиболее подробно изучено лишь содержание белка, его аминокиелотный состав, содержание витаминов и минеральных веществ. В то время как другие классы растительных соединений, особенно вторичные метаболиты, растительные фенолы, алкалоиы, терпены и терпеноиды изучены слабо (72). В данной главе обобщаются литературные данные о химическом составе и содержании изученных веществ в листьях различных видов амаранта.

Содержание воды»

Стебель амаранта, занимающий в общей биомассе 40-50% , является главным резервуаром накопителем воды. Относительное содержание воды в разных частях амаранта распределяется следующим образом : стебли - 95 %; листья -85 % ; корни - 80 %. Это позволяет стеблю играть роль буфера - распределителя воды (72). Содержание сухого вещества

Содержание сухого вещества в листьях варьирует от 13 до 24 % в зависимости от видовой принадлежности. В стеблях, в среднем, содержится 18 %. В соцветиях 20 % сухого вещества (пределы изменчивости составляют 11,1-31,0 %). Причем, пределы внутривидовой изменчивости по содержанию сухого вещества по существу близки к межвидовой изменчивости. Примером может служить амарант метельчатый (А.рашси1а1:ш), у которого в образце К-67 содержание сухого вещества составляет 23,3%, а в образце К-25-13,9%. (72, 129) Углеводы

Как известно, растительные углеводы включают в себя моносахариды (глюкоза, фруктоза) и олигосахариды (сахароза, раффиноза и другие), а также полисахариды (клетчатка, крахмал, геммицеллюлоза и слизи) (66).

В литературе представлено небольшое количество работ, посвященных изучению количественного и качественного состава

углеводов листьев амаранта. В ряде работ приводятся данные по общему содержанию сахара (в процентах от сухой массы) в листьях А.рашсиЫш-1,98-4,59 % и АхаидаШв -2,16-5.54 %. В водно-спиртовых экстрактах из листьев А.ге1го11ехи8, А.Ьурос1т.опс1пас1ш были обнаружены глюкоза и мальтоза (72).

Пектины,

Кроме желирующих свойств пектин амаранта обладает биологической активностью. Сам термин «пектины» обозначает пектиновые кислоты, которые способны образовывать желе. Пектиновые вещества в тканях наземной части высших растений и некоторых водорослей, присутствуют главным образом, в виде нерастворимого протопектина в срединных пластинках и матриксе первичных клеточных стенок. Поэтому они встречаются почти у всех растений. Особенно много их в сахарной свекле, моркови, яблоках, корзинках подсолнечника, цитрусовых плодах и др>тих (85),

О присутствии пектина в амаранте мало литературных данных. Содержание пектина в наземной части амаранта определяется видом растения (до 10 %). В зависимости от способа выделения можно получить пектины различной молекулярной массы от 30 до 130 тыс. Основным компонентом пектина амаранта является поли-галактуроновая кислота. По своим свойствам пектины амаранта близки к яблочным. Пектиновые вещества, а также их различные производные относятся к классу полифункциональных лигандов и

при взаимодействии с поливалентными металлами (свинец, ртуть, кадмий, никель, медь, цинк, марганец и другие ) в зависимости от концентрации пектина, соли металла и рН образуют хелаты различных типов. Поэтому пектин из амаранта перспективен для применения в медицине, пищевой промышленности. Сорбционная способность пектина из амаранта по отношению к некоторым тяжелым металлам выше, чем для яблочного и свекловичного. Это связано с наличием в молекуле пектина дополнительных центров для комплексообразования и особенностью структуры (57).

Уникальные свойства пектиновых веществ, невысокая стоимость и возможность выделения из растительного сырья создают перспективы использ ов ания амаранта как сырья для получения медицинских препаратов на основе пектинов. Лнпидьь

При изучении липидов амаранта исследователи уделяли внимание в основном исследованию состава и содержанию нейтральных липидов, терпенов, эфирных масел и каротиноидов. Поэтому в этом разделе будут представлены данные по содержанию этих липидов (72).

Нейтральные липиды.

Содержание липидов в листьях определяется видом растения и условиями выращивания. В листьях содержится до 10 % липидов, из которых до 6 % составляют эфиры жирных кислот. Причем,

нейтральные липиды составляют 53,6 %, гликолипиды 33,8 % и ■фосфолипиды 12,6% от сршы лшшдов. Нейтральные липиды представлены стеролами, а также пигментами, триглицеридами и жирными кислотами. В листьях обнаружено 11 жирных кислот, из которых основными являются линоленовая, линолевая и пальмитиновая (72). Терпены,

Стеролы являются производными тетрациклических терпенов. Они локализуются в клеточных мембранах растений и их содержание колеблется от 0,0084 до 0,034 % в расчете на сухую массу. Главным компонентом стерола является спинастерол (46-76 % от суммы стеролов) и 7- стигмастер о л (11-24 %) (72). БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА»

Растительные вторичные метаболиты (промежуточные продукты вторичного метаболизма) являются основным скелетом получения биологически активных соединений. В растении их, как правило, мало, особенно, после созревания растения. Тем не менее, у некоторых растений, в тот или иной период роста и развития, таких веществ относительно мног�