Kaliningrad, Kalinigrad, Russian Federation
Kaliningrad, Kalinigrad, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
The current intensive industrialization has changed the food preferences of consumers. As a result, there is a growing demand for high-grade high-nutritional meat and dairy products, which, in its turn, triggered an increase in the demand for grain crops and led to higher animal feed prices. All these affected the price and quality of the finished product, since farms are trying to stay profitable. As a consequence, the high cost of animal proteins make producers look for other sources of protein with similar qualities. Common oat (Avena sativa L.) remains the most cultivated species. Oats are a source of high-quality protein with an optimal amino acid balance. The paper features a oat protein technology (Avena sativa). The research defined the parameters of the protein extraction process. For acid and alkaline methods, the following optimum parameters were revealed: temperature – 40 ± 2°C, hydraulic module – 1:10, time – 90 minutes, active acidity of the acid extraction – 2.0 units, active acidity of alkaline extraction – 9.0 units. The authors managed to obtain protein substances with the molecular weight > 50 kDa. The optimal parameters of ultrafiltration of the protein extract were as follows: pore diameter = 100 kDa at pH 8.0 and 0.5 MPa. The ultrafiltration conducted under these conditions showed that the content of high molecular fractions (globulins and albumins) increased from 39.12% to 55.15% for the extract obtained by alkaline method, whereas the content of low molecular weight fractions (prolamins and glutelins) decreased from 60.88% to 44.85%. Ultrafiltration of protein extracts obtained by alkaline and acidic methods made it possible to concentrate protein fractions with a molecular weight ≥ 50 kDa. When a 10% aqueous solution of succinic acid was used as a precipitator, the protein precipitation degree equaled 89.3%. The paper introduces a new oat protein purification method. The optimal multiplicity of purification by RP-HPLC was 4 purification cycles. For the alkaline extract, the total content of high molecular weight fractions (50.0–120.0 kDa) was 72.7% and the total content of low molecular weight fractions (15.0–49.0 kDa) was 27.3%. For the acid extract, the total content of high molecular weight fractions was 72.9%, while the content of low molecular weight fractions was 27.1%. Oat proteins obtained by alkaline and acid extraction demonstrated a high foaming ability (148–177%) at pH = 6.0–9.0, as well as a good fat and water retention capacity. The oat proteins were found to have a high content of protein and essential amino acids similar to animal proteins. A comparative analysis showed that oat protein can act as an alternative substitute for animal proteins.
Oat, ultrafiltration, nutritional value, protein isolate, protein extraction
Рост исследований в области здорового питания обусловлен широким комплексом мероприятий, направленных на пропаганду здорового образа пита- ния. Функциональные продуты, характеризующиеся наличием биоактивных компонентов в своем составе, оказывают благоприятное воздействие на организм человека, привлекают все больше внимания. Опти- мальный баланс содержания белков, жиров и углево- дов, обеспеченность макроэлементами и витаминами в рационе питания – важнейшие условия сохранения жизнедеятельности человека [1]. В данном аспекте яв- ляется актуальным поиск новых компонентов для соз- дания продуктов питания с заданными свойствами [2]. Тенденция развития пищевой промышленности на- правлена на производство функциональных продуктов питания, благоприятно воздействующих на организм.
Интенсивный рост численности населения, ухуд- шение экологической ситуации, увеличение цен на энергоресурсы привели к тому, что вопрос рента- бельности производства доступных и полноценных пищевых продуктов стоит довольно остро. Кроме того, эти факторы влияют на развитие сельского хо- зяйства в целом. Увеличение доходов населения, как следствие интенсивной индустриализации, повлияло на уровень спроса на высокопитательные мясомо- лочные продукты. Это повысило уровень востребо- ванности зерновых культур и привело к росту цен на зерновые. Стабильность таких форм сельского хозяй- ства, как животноводство и птицеводство напрямую зависят от качества и количества кормов для живот- ных. Например, чтобы получить 1 кг привеса крупно- го рогатого скота необходимо от 8 до 18 кг кормов. Результат – достаточно высокая себестоимость высо- кокачественных животных белков. В сложившихся условиях мирового рынка актуален вопрос поиска равноценных источников белка [1].
Все ресурсы пищевого белка делятся на две основ- ные группы: растительного и животного происхож- дения. Все больше внимания уделяется увеличению
ресурсов пищевого белка путем совершенствования техники и технологий переработки традиционных и нетрадиционных сырьевых ресурсов в отраслях пи- щевой промышленности, расширению ассортимента полноценных продуктов питания в разном ценовом диапазоне [3]. Состав продуктов питания функцио- нальной направленности представлен: витаминами, пищевыми волокнами, молочнокислыми бактерия- ми, аминокислотами, фосфолипидами, протеинами, макро- и микроэлементами, растительными фермен- тами, органическими кислотами и др [5]. Особый интерес среди них представляют протеины.
Животные белки в основном представлены бел- ками молока и широко используются в различных отраслях пищевой промышленности. Нормализован- ное молоко содержит около 3,5 г общего белка на 100 мл, который делится на две основные категории по растворимости при рН 4,6 и при температуре бо- лее 8 °С. В этих условиях около 80 % общего азота осаждается. Эта фракция является казеином, в то время как остальные 20 % остаются растворимыми в сыворотке. Приблизительно 15 %, представлены сы- вороточными белками, оставшиеся 5 % – небелковые азотистые компоненты [6].
Фактическое и потенциальное использование молочных белков в качестве пищевых ингредиен- тов достаточно широкая тема для исследований. Можно отметить следующие направления исполь- зования молочных белков: производство продуктов специального назначения, производство детского, функционального и лечебного питания, а также в биотехнологии при производстве других продуктов питания заданного состава [7–11].
Если рассматривать целесообразность использо- вания животных или растительных белков, то необ- ходимо учитывать достаточно высокую стоимость высококачественных животных белков. Поэтому мно- гие авторы считают наиболее эффективным способом производства пищевых белков (для обогащения про-
Kashirskih E.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 216–226
дуктов и замены белков животного происхождения) переработку продуктов растительного сырья.
Пищевые достоинства овса привлекают внимание исследователей во всем мире и способствуют повы- шению интереса производителей пищевой промыш- ленности к использованию овса в качестве пищевого ингредиента в различных пищевых продуктах, вклю- чая детские продукты, хлеб, овсяное молоко, напитки, хлопья для завтрака и печенье [12–15]. Исследования показывают, что введение овса в пищевой рацион помогает решить проблемы, связанные с желудоч- но-кишечным трактом [16]. Овес также обладает ан- тиканцерогенным эффектом, может быть использован в диетическом питании людей больных целиакией, а также для снижения уровня сахара и холестерина в крови [17, 18]. Поступление в организм человек по- вышенного количества насыщенных жирных кислот и холестерина является следствием излишнего употре- бления в пищу животных белков. Растительное сырье все чаще рассматривается не только как источник пи- щевых волокон и биологически активных веществ, но и как компонент для создания функциональных про- дуктов питания. Злаковые культуры можно считать перспективным сырьем для производства функцио- нальных продуктов питания, из которых овес посев- ной (Avena sativa) занимает лидирующие позиции [19, 20]. Овес известен как хороший источник β-глю- кана. Его содержание составляет 2,0–8,5 % [21].
Овес имеет хорошо сбалансированный питатель- ный состав, является источником качественного белка с оптимальным аминокислотным балансом [22, 23]. Содержание крахмала в зерновых культурах влияет на показатель перевариваемости и относится к важным показателям качества зерна. Количество амилозы в крахмале овса около 25–30 %. Относи- тельно других зерновых этот показатель по своим физическим параметрам значительно отличается [24].
Известные технологии переработки овса в пище- вых целях имеют ряд недостатков из-за потери боль-
шей части питательных и биологических веществ во вторичное сырье. В результате снижается выход конечного продукта, который имеет относительно низкую пищевую ценность [25, 26]. Исследования и разработки технологий переработки зерновой куль- туры овса необходимы для определения новых функ- циональных соединений овса и для извлечения этих компонентов во фракции, которые могут быть вклю- чены в состав пищевых продуктов функциональной направленности. Целью работы является совершен- ствование технологии повышения качественных ха- рактеристик белкового концентрата зерен овса посевного (Avena sativa) и изучение его потенциала как альтернативы животных белков.
Объекты и методы исследования
Объектами исследований являлись зерна овса сорта «Сибирский голозерный» урожая 2018 года (ООО «Сибирская клетчатка», Россия). Образцы зерна предварительно измельчали с помощью лабо- раторной мельницы (ЛМТ-1, Россия) до частиц раз- мером не более 1 мм.
|
Очистку белковых экстрактов проводили мето- дом ультрафильтрации с использованием установки МФУ-Р-45-300 (Россия) и мембран с диаметром пор 50 и 100 кДа (Biomax, Merc, Германия). рН процесса варьировали от 5,0 до 9,0, давление – от 0,2 до 0,5 МПа. Контролировали степень концентрирования и инте- гральную селективность мембраны по белку [28].
Молекулярно-массовое распределение белков и пептидов в белковом экстракте, полученном из зерна
(а) (б)
Рисунок 1. Влияние рН среды на выход белка: а – экстрагент KOH, б – экстрагент NaOH; 1 – массовая доля белка в растворе, 2 – выход белка
Figure 1. Effect of pH environment on protein yield: a – KOH extractant, b – NaOH extractant; 1 – mass fraction of protein in the solution, 2 – protein yield
Каширских Е. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 216–226
(а) (б)
Рисунок 2. Влияние температуры на массовую долю белка в растворе (а) и на выход белка (б): 1 – экстрагент KOH, 2 – экстрагент NaOH
Figure 2. Effect of temperature on the mass fraction of protein in the solution (a) and on the protein yield (b): 1 – extractant KOH, 2 – extractant NaOH
овса щелочной и кислотной экстракцией, определяли методом электрофореза в полиакриламидном геле [29].
Для осаждения белка из белковых концентратов в качестве осадителя выбрали 10 % водный раствор янтарной кислоты.
Для полной очистки белкового концентрата, полученного из зерна овса, от низкомолекулярных фракций применяли c (ОФ-ВЭЖХ) на хроматографе LC-20 (Shimadzu, Япония), элюируя белок в градиен- те концентраций хлористого натрия [28].
Аминокислотный состав определяли с использо- ванием автоматического аминокислотного анализа- тора Aracus PMA GmbH (PMA GmbH, Германия), в котором определение аминокислот основано на кати- онообменном разделении.
Результаты и их обсуждение
По химическому составу зерна овса выделяются среди других зерновых культур и являются ценным источником водорастворимых белков и других био- логически активных соединений [29]. В результате подбора значений параметров щелочной экстракции белка были получены результаты изучения влияния рН среды на выход белка (рис. 1).
На основании анализа рисунка 1 выбрали реко- мендованные значения рН среды для процесса ще- лочной экстракции, которые равны 11,5 ед. При этом значении pH обеспечивается максимальный выход белка с использованием экстрагента NaOH.
C. Y. Ma было установлено, что количество экс- трагируемого белка постепенно увеличивается с увеличением концентрации щелочи и pH, но есть по- роговые значения при которых начинает повышаться вязкость и происходит изменение цвета концентрата, что нежелательно [30]. Сообщается о влиянии рН и температуры процесса на количество извлекаемого белка [31–33].
Результаты изучения влияния температуры про- цесса на выход белка представлены на рисунке 2. На его основании выбрана рекомендуемая температура щелочной экстракции белка из зерен овса – 40°С.
Важными значениями параметров экстракции также являются гидромодуль (соотношения расти- тельного сырья и экстрагента) и продолжительность процесса. Результаты подбора гидромодуля приве- дены в таблице 1, продолжительности – таблица 2. Максимальный выход белка наблюдается при гидро- модуле 1:10 и продолжительности процесса 90 мин.
Таким образом, подобраны рациональные значе- ния параметров щелочной экстракции белка из зерен овса сорта «Сибирский голозерный»: экстрагент КОН или NaОН, температура 40 °С, активная кислот- ность 11,5 ед., гидромодуль 1:10, продолжительность
процесса 90 мин.
Для изучения кислотного экстрагирования белка из зерен овса варьировали рН среды, температуру, гидромодуль, продолжительность процесса. Измеря- ли выход белка в полученных экстрактах. Подобраны
Таблица 1. Влияние гидромодуля на выход белка
Table 1. Effect of hydronic module on the protein yield
|
Гидромодуль |
Экстрагент |
|||
|
КОН |
NaОН |
|||
|
Массовая доля белка, % |
Выход белка, % |
Массовая доля белка, % |
Выход белка, % |
|
|
1:5 |
8,386 ± 0,419 |
41,31 ± 2,07 |
9,802 ± 0,490 |
48,28 ± 2,41 |
|
1:10 |
7,638 ± 0,382 |
75,25 ± 3,61 |
9,641 ± 0,482 |
94,98 ± 4,75 |
|
1:15 |
5,885 ± 0,294 |
86,86 ± 4,34 |
5,754 ± 0,288 |
84,93 ± 4,25 |
|
1:20 |
4,667 ± 0,233 |
91,95 ± 4,60 |
4,240 ± 0,212 |
83,54 ± 4,18 |
Kashirskih E.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 216–226
Таблица 2. Влияние продолжительности экстракции (NaOH) на выход белка
|
Таблица 3. Результаты исследования молекулярно- массового распределения белков и пептидов в белковом экстракте, полученном из зерна овса
|
||||||||||||||||||
|
40 °С, активная кислотность 2,0 ед., гидромодуль 1:10, продолжительность процесса 90 мин. При этих условиях показатель выхода белка достигал наиболь- шего значения и составил 45–47 %.
Ценным является присутствие в составе белко- вого экстракта, полученного из зерна овса, белко- вых веществ, имеющих молекулярную массу более 50 кДа. Наличие в полученном изоляте низкомолеку- лярных белковых веществ (менее 50 кДа) неприемле- мо, так как это влияет на органолептические свойства и является причиной возникновения неприятного запаха и горького вкуса, что сделает недопустимым использование белкового концентрата как компонен- та функциональных продуктов питания. В этой связи изучали молекулярно-массовое распределение бел- ков и пептидов в белковом экстракте, полученном из зерна овса (сорт «Сибирский голозерный») щелочной и кислотной экстракцией (табл. 3).
Установлено, что в полученных белковых экс- трактах преобладающими являются низкомолекуляр- ные фракции (проламины и глютелины) – 60,88 % и 60,11 % в щелочном и кислотном экстракте соответ- ственно. Это, в свою очередь, требует очистки бел-
ковых экстрактов зерна овса от низкомолекулярных примесей.
Контроль эффективности ультрафильтрации пока- зал, что в белковом экстракте, полученном из зерна овса щелочным способом, после ультрафильтрации при выбранных режимах содержание высокомо- лекулярных фракций (глобулинов и альбуминов) увеличилось с 39,12 % до 55,15 %, а содержание низкомолекулярных фракций (проламинов и глюте- линов) уменьшилось с 60,88 % до 44,85 %. В белко- вом экстракте, полученном из зерна овса кислотным способом, содержание высокомолекулярных фракций (глобулинов и альбуминов) увеличилось с 39,89 % до 56,63 %, а содержание низкомолекулярных фракций (проламинов и глютелинов) уменьшилось с 60,11 % до 43,37 %. Таким образом, ультрафильтрация белко- вых экстрактов позволяет сконцентрировать белко- вые фракции с молекулярной массой 50 кДа и выше.
Также подбирали параметры осаждения белка из белковых концентратов. В качестве осадителя вы- брали 10 % водный раствор янтарной кислоты. Уста- новлено, что его использование позволяет получить степень осаждения белков, которая равна 89,3 %.
(а) (б)
Рисунок 3. Результаты исследования молекулярно-массового распределения белков и пептидов в белковом концентрате, полученном из зерна овса щелочной (а) и кислотной (б) экстракцией, подвергнутом ОФ ВЭЖХ: 1 – 70,0–120,0 кДа,
2 – 50,0–70,0 кДа, 3 – 25,0–50,0 кДа, 4 – 15,0–25,0 кДа; I – 1 цикл ОФ ВЭЖХ, II – 2 цикла ОФ ВЭЖХ,
III – 3 цикла ОФ ВЭЖХ, IV – 4 цикла ОФ ВЭЖХ, V – 5 циклов ОФ ВЭЖХ
Figure 3. Molecular mass distribution of proteins and peptides in the oat protein obtained by alkaline (a) and acid (b) extractions after RP HPLC: 1 – 70.0–120.0 kDa, 2 – 50.0–70.0 kDa, 3 – 25.0–50.0 kDa, 4 – 15.0–25.0 kDa; I – 1 cycle of RP HPLC, II – 2 cycles, III – 3 cycles, IV – 4 cycles,
V – 5 cycles
Каширских Е. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 216–226
Таблица 4. Физико-химические свойства белкового концентрата, полученного из зерна овса
Table 4. Physical and chemical properties of oat protein
|
Наименование показателя |
Значение показателя для белковых концентратов, полученных разными методами |
|
|
щелочная экстракция |
кислотная экстракция |
|
|
Массовая доля белка, % |
87,6 ± 4,4 |
86,9 ± 4,4 |
|
Массовая доля жира, % |
1,8 ± 0,1 |
2,1 ± 0,1 |
|
Массовая доля золы, % |
1,5 ± 0,1 |
1,4 ± 0,1 |
|
Перевариваемость, % |
92,5 ± 4,6 |
91,7 ± 4,6 |
|
Обменная энергия, МДж/г |
17,5 ± 0,9 |
17,7 ± 0,9 |
В процессе разработки метода очистки белкового концентрата осуществляли пять последовательных циклов ОФ ВЭЖХ и определяли молекулярно-мас- совое распределение белков в очищенном белковом концентрате (рис. 3).
Проведенные исследования показали, что опти- мальной кратностью очистки белкового концентрата, полученного из зерна овса, методом ОФВЭЖХ яв- ляется 4 цикла очистки. При выбранном количестве циклов ОФВЭЖХ суммарное содержание высоко- молекулярных фракций (50,0–120,0 кДа) в белковом концентрате, полученном из зерна овса щелочной экс- тракцией, составляет 72,7 %, суммарное содержание низкомолекулярных фракций (15,0–49,0 кДа) – 27,3 %. В белковом концентрате, полученном из зерна овса кислотной экстракцией, суммарное содержание высо- комолекулярных фракций составляет 72,9 %, содер- жание низкомолекулярных фракций – 27,1 %.
Для оценки качества белкового изолята были изучены физико-химические показатели, функцио- нально-технологические свойства, показатели био- логической активности. Установлено (табл. 4), что белковые концентраты характеризуются высоким содержанием белка (86,9–87,6 %), а также высокими значениями обменной энергии (17,5–17,7 МДж/г) и перевариваемости (91,7–92,5 %).
Овес является источником высококачественных белков. Растительный белок считается ценным из- за своего аминокислотного состава, так как ами- нокислоты являются основными строительными элементами в организме человека. Они обладают сбалансированным составом аминокислот и высоким содержанием жира по сравнению с другими злаками. Питательная ценность белка изучена многими учены- ми [34–36]. Белковые концентраты характеризуются высоким содержанием незаменимых аминокислот (табл. 5): лейцина (6,85–6,89 г/100 г продукта), валина (5,98–6,03 г/100 г продукта), лизина (4,84– 4,86 г/100 г продукта), фенилаланина (4,65–4,68 г/100 г продукта), треонина (3,76–3,81 г/100 г продукта), изолейцина (3,92–3,96 г/100 г продукта) и метионина (2,60–2,65 г/100 г продукта).
Сравнительный анализ аминокислотного состава белкового концентрата, полученного из зерна овса и данных из работы А. Ю. Просекова и М. Г. Кур- бановой, представлен на рисунке 4 [6]. Содержание аргинина в белковом концентрате овса приблизи- тельно в 1,5 раза превышает содержание аналогичной кислоты в казеине белков молока. Отмечено низкое содержание аминокислоты – цистина в белковом концентрате зерен овса по отношению к этому по- казателю в α-лактальбумине – в 15 раз. Кроме того, в аминокислотном составе белкового концентрата зерен овса показано отсутствие незаменимой ами- нокислоты триптофана. Литературные источники подтверждают полученные данные [37]. В остальных случаях установлена небольшая разница значений (10–15 %) содержания растительного и животного белка представленных образцов по представленным аминокислотам – аспаргиновая кислота, валин, ги- стидин, глутаминовая кислота, метионин, пролин, серин, треонин, фенилаланин.
На основании проведенного анализа можно ре- комендовать белковый концентрат, полученный из зерен овса, для рассмотрения в качестве альтернативы животных белков, в частности белков молока. Литера- турные данные о том, что овес является источником
Таблица 5. Аминокислотный состав белкового концентрата, полученного из зерна овса
Table 5. Amino acid composition of oat protein
|
Наименование аминокислоты |
Содержание аминокислоты в белковом концентрате, г/100 г продукта |
Наименование аминокислоты |
Содержание аминокислоты в белковом концентрате, г/100 г продукта |
||
|
щелочная экстракция |
кислотная экстракция |
щелочная экстракция |
кислотная экстракция |
||
|
Аспарагиновая кислота |
9,21 ± 0,46 |
9,16 ± 0,46 |
Лейцин |
6,89 ± 0,34 |
6,85 ± 0,34 |
|
Серин |
4,12 ± 0,21 |
4,15 ± 0,21 |
Изолейцин |
3,96 ± 0,20 |
3,92 ± 0,20 |
|
Треонин |
3,81 ± 0,19 |
3,76 ± 0,19 |
Тирозин |
2,50 ± 0,13 |
2,47 ± 0,12 |
|
Глутаминовая кислота |
17,81 ± 0,89 |
17,67 ± 0,88 |
Фенилаланин |
4,68 ± 0,23 |
4,65 ± 0,23 |
|
Пролин |
2,11 ± 0,11 |
2,08 ± 0,10 |
Гистидин |
2,12 ± 0,11 |
2,10 ± 0,11 |
|
Глицин |
5,35 ± 0,27 |
5,27 ± 0,26 |
Лизин |
4,86 ± 0,24 |
4,84 ± 0,24 |
|
Аланин |
4,79 ± 0,24 |
4,73 ± 0,24 |
Валин |
6,03 ± 0,30 |
5,98 ± 0,30 |
|
Цистин |
0,47 ± 0,02 |
0,41 ± 0,02 |
Аргинин |
5,98 ± 0,30 |
5,87 ± 0,29 |
|
Метионин |
2,65 ± 0,13 |
2,60 ± 0,13 |
Сумма |
86,84 ± 4,34 |
86,51 ± 4,33 |
Kashirskih E.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 216–226
Рисунок 4. Содержание аминокислот, г/100 г: 1 – в белковом концентрате, полученном щелочной экстракцией зерен овса; 2 – в белковом концентрате, полученном кислотной экстракцией зерен овса; 3 – в казеине молока;
4 – в α-лактальбумине молока; 5 – β-лактоглобулине
Figure 4. Amino acid content, g/100 g: 1 – in oat protein obtained by alkaline extraction; 2 – in oat protein obtained by acid extraction;
3 – in milk casein; 4 – in milk α-lactalbumin; 5 – in β-lactoglobulin
высококачественных белков, обладающих сбаланси- рованным составом аминокислот, подтвердились.
Для белкового концентрата, полученного из зерна овса, изучали функционально-технологические свой- ства: растворимость (рис. 5), водоудерживающая и жироудерживающая способность (табл. 6), пенообра- зующая способность (рис. 6).
Из рисунков 5, 6 следует, что у белкового кон- центрата, полученного щелочным способом, наблю- дается полимодальность распределения значений растворимости с максимумами для значений pH, которые равны 3 и 8. Для белкового концентрата, полученного методом кислотной экстракции, наблю- дается четкий оптимум растворимости при активной кислотности от 5,0 до 6,0.
Показано, что белковые концентраты, полученные из зерна овса двумя способами (щелочная и кислот- ная экстракция), характеризуются высокими значени- ями пенообразующей способности (148–177 %) при значениях рН от 6,0 до 9,0 (рис. 5), а также жиро- и водоудерживающей способности (табл. 6).
Для анализа перспектив использования белко- вых концентратов в производстве функциональных продуктов питания исследовали их антимикробные свойства in vitro.
Выводы
Проведенные исследования выявили рекомен- дуемые, в рамках данных выборок, значения про- цесса экстракции белка из зерен овса. Показано, что для экстракции белка кислотным и щелочным способами рациональными значениями технологи- ческих параметров процесса являются: температура
40 ± 2 °С, гидромодуль 1:10, продолжительность 90 мин, активная кислотность кислотной экстракции 2,0 ед., активная кислотность щелочной экстракции
Таблица 6. Результаты изучения водоудерживающей и жироудерживающей способности белковых концентратов, полученных из зерна овса методами щелочной и кислотной экстракции
Table 6. Water-holding and fat-holding capacity of oat protein obtained by alkaline and acid extractions
|
Наименование образца |
Водоудерживающая способность, мл/г |
Жироудерживающая способность, мл/г |
|
Белковый концентрат, выделенный из зерен овса методом щелочной экстракции |
2,95 ± 0,15 |
1,55 ± 0,08 |
|
Белковый концентрат, выделенный из зерен овса методом кислотной экстракции |
3,28 ± 0,16 |
1,74 ± 0,09 |
Рисунок 5. Зависимость растворимости белковых концентратов, выделенных из зерен овса различными способами: 1 – щелочная экстракция;
2 – кислотная экстракция
Figure 5. Solubility of oat proteins: 1 – alkaline extraction; 2 – acid extraction
Рисунок 6. Зависимость пенообразующей способности белковых концентратов, выделенных из зерна овса различными методами, от рН: 1 – щелочная экстракция;
2 – кислотная экстракция
Figure 6. Effect of pH on the foaming ability of oat proteins: 1 – alkaline extraction; 2 – acid extraction
Каширских Е. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 216–226
9,0 ед. Максимально производительный способ по- лучения белкового продукта из зерен овса – метод щелочной экстракции.
Подобраны значения параметров ультрафильтра- ции белкового экстракта зерен овса, полученного щелочным способом: мембраны с диаметром пор 100 кДа при рН 8,0 и давлении 0,5 МПа. В данном случае достигается величина интегральной селектив- ности мембраны 0,83 и степень концентрирования 4,9. Аналогичные значения параметров ультрафиль- трации (диаметр пор мембран 100 кДа, рН 8,0, дав- ление 0,5 МПа) выбраны для белковых экстрактов, полученных из зерна овса кислотной экстракцией (интегральная селективность мембраны 0,75, степень концентрирования 4,5). Ультрафильтрация белковых экстрактов, полученных из зерна овса щелочным и кислотным способами при установленных условиях, позволила сконцентрировать белковые фракции с мо- лекулярной массой 50 кДа и выше: их содержание в щелочном экстракте составляет 55,15 %, в кислотном экстракте – 56,63 %.
Разработан метод очистки белкового концентра-
та, полученного из зерен овса, – 4 цикла ОФВЭЖХ.
Метод позволяет очистить белковый концентрат, по- лученный из зерна овса щелочным способом, до сум- марного содержания высокомолекулярных фракций 72,7 %, а белковый концентрат, полученный из зерна овса кислотным способом, – до суммарного содержа- ния высокомолекулярных фракций 72,9 %.
Установили, что белковый концентрат характе- ризуется высоким содержанием белка, незаменимых аминокислот, высокими значениями переваривае- мости, пенообразующей способности, жиро- и водо- удерживающей способности. На основании данных сравнительного анализа, белковый концентрат, полученный из зерен овса, обладает достаточными характеристиками, чтобы выступать в качестве аль- тернативной замены животных белков.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте- ресов.
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках госзадания (проект 15.4642.2017/8.9).
1. Prosekov AYu. Ivanova SA. Food security: The challenge of the present. Geoforum. 2018;91:73-77. DOI: https://doi. org/10.1016/j.geoforum.2018.02.030.
2. Perfilova OV, Magomedov GO, Babushkin VA, Vlasova OG, Zelensky AA. Social importance of create out of products for healthy and functional nutrition using secondary fruit and vegetable raw materials. Nauka i obrazovanie [Science and education]. 2019;(1):41. (In Russ.).
3. Pasichnyy VN. Problema belka ili problema kachestva pishchi [Protein problem or food quality problem]. Meat business. 2004;(2):12-18. (In Russ.).
4. Dyshlyuk L, Babich O, Prosekov A, Ivanova S, Pavsky V, Yang Y. In vivo study of medical and biological properties of functional bakery products with the addition of pumpkin flour. Bioactive carbohydrates and dietary fibre. 2017;12:20-24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bcdf.2017.09.001.
5. Izgaryshev AV, Prosekov AYu, Babich OO. Technological Features of Obtaining an Antianemic Product with the Maximum Heme Iron Content. Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. 2017;9(7):1128-1132.
6. Prosekov AYu, Kurbanova MG. Analiz sostava i svoystv belkov moloka s tselʹyu ispolʹzovaniya v razlichnykh otraslyakh pishchevoy promyshlennosti [Analysis of the composition and properties of milk proteins to be used in various sectors of food industry]. Food Processing: Techniques and Technology. 2009;15(4):68-71. (In Russ.).
7. Mäkinen OE, Wanhalinna V, Zannini E, Arendt EK. Foods for special dietary needs: Non-dairy plant-based milk substitutes and fermented dairy-type products. Critical reviews in food science and nutrition. 2016;56(3):339-349. DOI: https://doi.or g/10.1080/10408398.2012.761950.
8. Lucena ME, Alvarez S, Menéndez C, Riera FA, Alvarez R. Beta-lactoglobulin removal from whey protein concentrates: Production of milk derivatives as a base for infant formulas. Separation and Purification Technology. 2006;52(2):310-316. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2006.05.006.
9. Agarwal S, Beausire RL, Patel S, Patel H. Innovative uses of milk protein concentrates in product development. Journal of Food Science. 2015;80(1):A23-A29. DOI: https://doi.org/10.1111/1750-3841.12807.
10. Prosekov AYu, Dyshlyuk LS, Milent’eva IS, Pavsky VA, Ivanova SA, Garmashov SY. Study of the biofunctional properties of cedar pine oil with the use of in vitro testing cultures. Foods and Raw Materials. 2018;6(1):136-143. DOI: https://doi. org/10.21603/2308-4057-2018-1-136-143.
11. Halavach TM, Kurchenko VP, Albulov AI. Enzymatic hydrolysis of milk proteins as a basis of specialized food products biotechnology. Nauka i studia. 2016;3:1196-1207.
12. Ryan L, Thondre PS, Henry CJK. Oat-based breakfast cereals are a rich source of polyphenols and high in antioxidant potential. Journal of Food Composition and Analysis. 2011;24(7):929-934. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfca.2011.02.002.
13. Ballabio C, Uberti F, Manferdelli S, Vacca E, Boggini G, Redaelli R, et al. Molecular characterisation of 36 oat varieties and in vitro assessment of their suitability for celiac’s diet. Journal of Cereal Science. 2011;54(1):110-115. DOI: https://doi. org/10.1016/j.jcs.2011.04.004.
14. Functional properties of the enzyme-modified protein from oat bran / A. Prosekov, O. Babich, O. Kriger [et al.] // Food Bioscience. - 2018. - Vol. 24. - P. 46-49. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fbio.2018.05.003.
15. Stark A, Madar Z. Dietary fiber. In: Goldberg I, editor. Functional foods. Designer foods, pharmafoods, nutraceuticals. New York: Springer; 1994. pp. 183-201. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-2073-3.
16. Gallaher DD. Dietary fiber and its physiological effects. In: Schmidt MK, Labuza TP, editors. Essentials of Functional Foods. Springer; 2000. pp. 271-292.
17. Pashchenko L. Oves segodnya i navsegda [Oats today and forever]. Bread products. 2008;(2):35-37. (In Russ.).
18. Rasane P, Jha A, Sabikhi L, Kumar A, Unnikrishnan VS. Nutritional advantages of oats and opportunities for its processing as value added foods. Journal of Food Science and Technology. 2015;52(2):652-662. DOI: https://doi.org/10.1007/ s13197-013-1072-1.
19. Sibakov J, Myllymäki O, Holopainen U, Kaukovirta-Norja A, Hietaniemi V, Pihlava JM, et al. Lipid removal enhances separation of oat grain cell wall material from starch and protein. Journal of Cereal Science. 2011;54(1):104-109. DOI: https://doi. org/10.1016/j.jcs.2011.04.003.
20. Prosekov AYu. Theory and practice of prion protein analysis in food products. Foods and Raw materials. 2014;2(2):106- 120. DOI: https://doi.org/10.12737/5467.
21. Mehta B, Jood S. Sensory evaluation and nutritional composition of oat based value added gluten free muffins. Food Science Research Journal. 2018;9(1):12-19. DOI: https://doi.org/10.15740/HAS/FSRJ/9.1/12-19.
22. Loskutov I. Oves: funktsionalʹnye svoystva i osobennosti ispolʹzovaniya [Oats: functional properties and special aspects of the use]. Bakery / Confectionery industry. 2016;65(3):17. (In Russ.).
23. Kriger OV, Kashirskikh EV, Babich OO, Noskova SY. Oat protein concentrate production. Foods and Raw Materials. 2018;6(1):47-55. DOI: https://doi.org/10.21603/2308-4057-2018-1-47-55.
24. Gupta, S. Process optimization for the development of a functional beverage based on lactic acid fermentation of oats /S. Gupta, S. Cox, N. Abu-Ghannam // Biochemical Engineering Journal. - 2010. - Vol. 52, № 2-3. - P. 199-204. DOI: https://doi. org/10.1016/j.bej.2010.08.008.
25. Boeck T, D’Amico S, Zechner E, Jaeger H, Schoenlechner R. Nutritional properties of various oat and naked oat cultivars. Bodenkultur. 2018;69(4):215-226. DOI: https://doi.org/10.2478/boku-2018-0018.
26. Shishkov VA. Razrabotka tekhnologii polucheniya belkovykh preparatov iz rastitelʹnogo syrʹya s primeneniem fermentativnykh i membrannykh protsessov [New technology for the production of protein preparations from vegetable raw materials using enzymatic and membrane processes] [Internet]. [cited 2018 Oct 17]. Available from: http://dis.podelise.ru/text/ index85427.html.
27. Yang Y, Kashirskikh EV, Garmashov SY, Izgaryshev AV, Kriger OV, Evsyukova AO. Functional sports food based on the oat grain protein concentrate. Science Evolution. 2017;1:73-81. DOI: https://doi.org/10.21603/2500-1418-2017-2-1-73-81.
28. Osterman LA. Metody issledovaniya belkov i nukleinovykh kislot: Ehlektroforez i ulʹtratsentrifugirovanie (prakticheskoe posobie) [Methods of research of proteins and nucleic acids: Electrophoresis and ultracentrifugation (practical guide)]. Moscow: Nauka; 1981. 288 p. (In Russ.).
29. Pomeranz Y. Industrial uses of oats. In: Welch R, editors. The Oat Crop. Production and Utilization. Dordrecht: Springer Netherlands; 1995. pp. 480-503. DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-011-0015-1.
30. Ma CY. Chemical characterization and functionality assessment of protein concentrates from oats. Cereal Chemistry. 1983;60:36-42.
31. Guan X, Yao H. Optimization of Viscozyme L-assisted extraction of oat bran protein using response surface methodology. Food Chemistry. 2008;106(1):345-351. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2007.05.041.
32. Wu YV, Sexson KR, Cluskey JE, Inglett GE. Protein isolate from high-protein oats: Preparation, composition and properties. Journal of Food Science. 1977;42(5):1383-1386. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1977.tb14504.x.
33. Dyshlyuk LS, Izgaryshev AV, Garmashov SY, Sukhikh SA, Kashirskih EV. Studying the features of the protein extraction from oat grains. Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. 2017;9(8):1344-1349.
34. Mohamed A, Biresaw G, Xu J, Hojilla-Evangelista MP, Rayas-Duarte P. Oats protein isolate: Thermal, rheological, surface and functional properties. Food Research International. 2009;42(1):107-114. DOI: https://doi.org/10.1016/j. foodres.2008.10.011.
35. Sunilkumara BA, Leonova S, Öste R, Olsson O. Identification and characterization of high protein oat lines from a mutagenized oat population. Journal of Cereal Science. 2017;75:100-107. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcs.2017.03.003.
36. Pomeranz Y, Robbins GS, Briggle LW. Amino acid composition of oat groats. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1971;19(3):536-539. - DOI: https://doi.org/10.1021/jf60175a016.
37. Zhong L, Ma N, Wu Y, Zhao L, Ma G, Pei F, et al. Characterization and functional evaluation of oat protein isolate- Pleurotus ostreatus β-glucan conjugates formed via Maillard reaction. Food Hydrocolloids. 2019;87:459-469. DOI: https://doi. org/10.1016/j.foodhyd.2018.08.034.
38. Prosekov A, Babich O, Kriger O, Ivanova S, Pavsky V, Sukhikh S. et al. Functional properties of the enzyme-modified protein from oat bran. Food Bioscience. 2018;24:46-49. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fbio.2018.05.003.
