ВведениеСовременная концепция здорового питания предполагает  повышение   биологической   ценно- сти пищевых продуктов путем введения функ- циональных ингредиентов (биокорректоров), являющихся источниками важных биологически ак- тивных веществ (БАВ). Сбалансированные функцио- нальные продукты питания предназначены не только для обеспечения организма человека необходимыми питательными веществами и энергией, но и для под- держания здоровья за счет снижения риска возникно- вения заболеваний. Одним из приоритетов мировой политики в области здорового образа жизни является необходимость устранения дефицита микро- и макро- элементов в рационе человека [12–15].Вторичные продукты переработки зерна  бога- ты источниками физиологически функциональных ингредиентов, биотрансформация которых позво- лит получить ряд БАВ с различной химической природой и широким спектром физиологических эффектов. Суммарное содержание полифенолов до- статочно полно установлено в овощах, фруктах, специях, напитках. Согласно литературным данным лидерами среди источников полифенолов  являют- ся: специи – гвоздика, мята, бадьян, содержащие от 15188 до 5460 мг/100 г полифенолов, и ягоды – аро- ния черноплодная, бузина черная, голубика, черная смородина, содержащие от 1756 до 758 мг/100 г по- лифенолов [1, 6]. Однако последние исследования показали, что общее содержание фитовеществ и ан- тиоксидантная активность цельного зерна недооце- нена в литературе. Большинство фенольных веществ содержится в связанном состоянии в зерновых: 85 % в зерне кукурузы, 76 % в зерне пшеницы и 75 % в овсе. Согласно литературным данным альтернатив- ным сырьевым источником для получения полифе- нолов могут служить цельнозерновые злаки, общее содержание полифенолов в которых находится на- равне  с  традиционными  сырьевыми  источниками фенольных антиоксидантов – ягодами. Так коли- чество полифенолов в пшенице может доходить до 1459 мг/100 г, в рисе – до 313 мг/100 г, во ржи – до 255 мг/100 г [2, 3, 5].Фитовещества зерновых включают антиокси- данты, которые сконцентрированы во внешней обо- лочке зёрен злаковых культур, где их содержание достигает 80 % от общего количества в зерне. Это обуславливает рост объёмов производства для насе- ления хлебных продуктов из цельнозерновой муки или с добавлением отрубей, а также интенсивное использование нативных антиоксидантов в других целях [10, 11, 20]. Зерновые отруби также содержат ксилановые полисахариды, которые могут быть пре- образованы в ксилоолигосахариды (КОС). Много- численные исследования препаратов КОС показали многообразие биологических свойств, проявляемых этой группой углеводов. Они антиканцерогенны, подавляют активность патогенных и энтерогнилост- ных кишечных бактерий, антигиперлипидемичны, проявляют митогенную, антиоксидантную и пре- биотическую активность, а также выступают в роли противовоспалительных и антиаллергических аген- тов. Однако важнейшим свойством КОС является их пребиотическая активность – избирательное стиму- лирование роста пробиотической микрофлоры ки- шечника человека [7–9].Проблема комплексной переработки вторичных зерновых ресурсов является актуальной и требует научно обоснованных технологических решений. Особенно в свете того, что Россия – крупнейший импортер зерна. Это обуславливает насущную не- обходимость его глубокой переработки и созданию линейки качественных и безопасных продуктов и ингредиентов функциональной направленности. Настоящее исследование связано с разработкой тех- нологии комплексной переработки вторичного зер- нового сырья путем биотрансформации зернового полимерного комплекса клеточных стенок отрубей Битюкова А. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 5–13 гидротермическим, химическим и ферментативны- ми  методами.  Таким  образом,  цель  исследованияразработка биотехнологии функциональных ин- гредиентов из вторичных зерновых продуктов для расширения ассортимента функциональных продук- тов питания. Объекты и методы исследованияДля получения экстрактов предварительно из- мельченные отруби заливали дистиллированной водой в соотношении 1/10 и гомогенизировали в течение 30 мин с помощью погружного гомогени- затора ULAB US-4102 при 6000 об/мин. При гидро- термическом методе экстракции отруби подвергали ультразвуковому воздействию в лабораторной уль- тразвуковой ванне «Сапфир 2,5» (35 кГц, 30 мин, температура 50 °С). Полученную суспензию термо- статировали при 55 °С в течение 3,5 ч. Далее, цен- трифугировали (4000 об/мин в  течение  20  минут) на лабораторной центрифуге UC-1536E и отделяли супернатант.Послепромывкидистиллированнойводой и центрифугирования при тех же условиях осадок повторно подвергали гидролизу: гидромодуль в аце- татном буфере (рН 4,0) как 1:10; гомогенизация в течение 30 мин УЗВ (35 кГц, 60 мин, температура60 °С); термостатирование полученной суспензии при 55 °С в течение 3,5 ч; промывка и отделение супернатанта центрифугированием; экстракция остаточных количеств полифенолов из осадка, от- ношение осадка к этиловому спирту как 1:1; гомо- генизация в течение 30 мин при 6000 об/мин, и УЗВ (35 кГц, 30 мин, температура 30 °С); объединение и концентрирование супернатантов второй и третей стадий экстракции на испарителе ротационном ИР- 1М3 при температуре 60 ± 5 °С в разряженной сре- де до конечной влажности 30 ± 2 %. Таким образом, был получен концентрат биологически активных ве- ществ (БАВ).При ферментативном методе экстракции измель- ченные отруби обрабатывали ферментными пре- паратами «Амилолюкс А» – а-амилазой (0,01 % к массе отрубей) и «Глюколюкс А» – глюкоамилазой (0,006 % к массе отрубей) в ацетатном буферном растворе (рН = 5) в соотношение 1:100 и гомогени- зировали в течение 30 мин. Полученную суспензию подвергали термостатированию при 55 °С в  тече- ние 33,0 ч. Через 2,5 ч после начала термостати- рования вносили ферментный препарат протеазы («Протосубтилин ГЗ А», 0,005 % к массе отрубей). По окончании процесса гидролиза полученную су- спензию нагревали до 100 ± 2 °С в течение 10 мин для инактивации ферментов. Жидкую фазу отделя- ли центрифугированием при 4000 об/мин в течение20 мин. Осадок промывали три раза дистил- лированной водой и снова подвергали цен- трифугированию. Твёрдый осадок подвергали ферментативному гидролизу при гидромодуле 1:10 в ацетатном буфере (рН = 4) α-1,4-глюкогидролазой с амилолитической активностью 4000 ед./г (фер- ментные препараты «Целлолюкс А», «Амилолюкс А», «Глюкаварин Г18Х»), обладающей ферулоэсте- разной, гемицеллюлазной, ксилазной и целюлазной активностями, в течение 4,5 часов при 55 °С. По окончании экстракции ферменты инактивировали кипячением в течение 10 мин с последующим разде- лением фракций центрифугированием (4000 об/мин,20 мин).  Полученный  таким  образом  суперна- тант концентрировали на ротационном испарителе при температуре 60 ± 5 °С до конечной влажности 30 ± 2 %.В отличие от предыдущих методов экстракции при химическом методе предварительно измель- ченные отруби подвергали гидратированию в 0,2М водном  растворе  соляной  кислоты  в  соотноше- нии 1:10 и последующей гомогенизации в течение30 мин. Полученную суспензию  термостати- ровали дважды в течение 60 мин при 55 °С. По окончаниитермостатирования отделяли супер- натант  центрифугированием  (4000  об/мин  в течение 20 минут). Осадок промывали дистилли- рованной водой и центрифугировали при тех же условиях. К нерастворимому осадку добавляли дистиллированную воду (1:10) и доводили  до  рН 4,0 с помощью ледяной уксусной кислоты. Далее, вносили 22 г химически чистого хлорида натрия (NaCl) и термостатировали в течение 8 часов при 55 °С. После завершения данного процесса гидро- лизат  центрифугировали  (4000  об/мин  в  течение20 минут) и отделяли супернатант. Осадок про- мывали трижды дистиллированной водой и отде- ляли надосадочный слой центрифугированием. Полученные таким образом супернатанты объеди- няли и концентрировали до  конечной  влажности 30 ± 2 %.Для получения концентрата полифенолов и КОС проводили спиртовую экстракцию полученных кон- центратов.  Соотношение  сиропа  к  этанолу  (98 %)1:3. Вследствие воздействия этанола на сироп про- исходит разделение фракций, растворение в водном растворе спирта фенольных соединений и осаж- дение КОС.  Центрифугирование  при  5000  об/мин в течение 25 минут позволяет в полной мере раз- делить фракции двух независимых сред. Надоса- дочный спиртовой слой жидкости, состоящий из антиоксидантов на основе фенольных соединений, концентрировали до конечной влажности 30 % и за- тем лиофильно высушивали до конечной влажности 8 ± 1 %.Исследование пребиотических свойств кси- лоолигосахаридов, полученных путем био- модификации овсяных отрубей,  проводили согласно ГОСТ 10444.11-89 [17]. Для установле- ния пребиотических свойств были использованы штаммы микроорганизмов Lactobacillus acidophilus (L. acidophilus) и Bifi obacterium bifi um (B. bifi um). Выращивание пребиотических культур проводили на стандартных средах с добавлением исследуемых пребиотиков (ксилоолигосахаридов и смесь БАВ, состоящую из ксилоолигосахаридов и полифено- лов) из расчета 2 % массовой доли в культуральной жидкости в течение 72  часов.  В  качестве  контро- ля  использовали  стандартную  питательную  среду Bityukova A.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 5–13 с добавлением лактулозы и  обезжиренного  моло- ка. Массовая доля вносимой стартерной культуры составила 2 %. Определение количество клеток микроорганизма L. acidophilus проводили  соглас- но ГОСТ 10444.11-2013 [16]. Метод подсчета клеток микроорганизма B. bifidum осуществляли согласно МУК 4.2.999-00 [18]. Результаты исследований и их обсуждениеВ настоящее время перспективным направлени- ем в совершенствовании технологий переработки вторичных продуктов растительного сырья, вклю- чая зерновые, является создание новых биотехноло- гических подходов, основанных на использовании ферментных препаратов и усовершенствованной гидротермической обработки, в частности ульт- развукового воздействия (УЗВ), позволяющего ин- тенсифицировать процесс экстракции. Для каждой конкретной биотехнологии необходимо научно обо- сновать выбор ферментных препаратов или техно- логические параметры УЗВ с учётом специфичности к компонентам сырья, оптимальных параметров их действия, а также схемы последовательности воздей- ствия на биополимерный комплекс сырья с целью получения различных промежуточных продуктов, которые могут иметь самостоятельное физиологиче- ское действие на организм человека.В связи с вышеперечисленным  на  первом  эта- пе исследований изучали был изучен химический состав овсяных отрубей, как наиболее важных вто- ричных продуктов переработки зерна. Отруби овса представляют собой материал клеточных стенок, содержащий ценные макронутриенты (белок, крах- мал и пищевые волокна) и комплекс фитовеществ с антиоксидантными свойствами (фенольные кис- лоты, флавоноиды, полифенолы, кумарины и т. д.). Благодаря этому отруби имеют огромный потенци- ал для применения в составе продуктов питания. Однако сегодня незначительная часть производи- мых отрубей в РФ потребляется в составе пищевых продуктов. Путём измельчения и дополнительной гидротермической обработки, регулированных био- модификаций  растворимости  полимеров   матрик- са отрубей диапазон использования их может быть значительно расширен за счет получения новых функциональных пищевых ингредиентов, оказы- вающих физиологическое воздействие на организм человека и животных. Технологические показатели исследуемых отрубей были определены в соответ- ствии  с   нормативно-техническими   документами. В исследуемых овсяных отрубях, отобранных для эксперимента, содержание пестицидов, токсичных элементов, микотоксинов, зараженность и загрязнён- ность вредителями хлебных запасов и содержание ГМО соответствовало требованием ТР ТС 021/2011«О безопасности пищевой продукции» [19].Нами разработаны три метода трансформации многокомпонентного субстрата отрубей для полу- чения продуктов с заданными функциональными свойствами, улучшенными показателями качества при максимальном их выходе (рис. 1). Методология направленного биокатализа  предусматривает  бо- лее полное использование сырья (отрубей), увели- чение выхода целевых продуктов (полифенолов, гидролизатов гемицеллюлоз, углеводно-белковых концентратов, пищевых волокон, экстрактов пре- биотической и антиоксидантной направленности) с заданными функциональными свойствами, а также решение экологических проблем за счет замены кис- лотного и щелочного гидролиза.Физико-химический состав углеводно-белковых концентратов, полученных после первого этапа ги- дролиза, состоящих из продуктов гидролиза крах- мала и белка, представлен в таблице 1.Анализируя данные таблицы 1, можно сделать вывод, что влияние метода экстракции на процесс извлечения продуктов гидролиза белков и углеводов незначительно и не превышает границы абсолют- ной погрешности измерений при доверительной ве- роятности P = 0,95 по соответствующим методикам испытаний. Углеводно-белковые концентраты харак- теризуется как продукты, содержащие значительное количество белка и продуктов гидролиза – полиса- харидов (глюкоза,  мальтодекстрины).  Кроме  этого, в углеводно-белковых концентратах содержится от 0,06 % до 0,08 % свободных полифенолов (ПФ).В ходе исследований были получены кон- центраты БАВ, содержащие КОС и фенольные соединения (табл. 2). Полученные концентраты, по- мимо полифенолов, содержание которых  доходило до 67 % от общего их количества в овсяных отрубях (1,5 ± 0,2 %), также включают: белок до 6,9 %, угле- воды до 80,7 %, в том числе КОС, обладающие пре- биотическими свойствами – 35,3 % до 71,5 %, и золу 11,3  %.  Внешний  вид  концентрата  полифенолов– мелкокристаллический порошок светло-желтого либо светло-коричневого цвета с ванильно-зерно- вым запахом. Осажденные этанолом КОС аналогич-  Таблица 1 – Физико-химический состав углеводно-белковых концентратов в абсолютно сухом веществе (в а.с.в).Table 1 – Physico-chemical composition of carbohydrate-protein concentrates in absolutely dry matter Физико-химические показателиУглеводно-белковый концентратГидротермический методХимический методФерментативный методВлажность, %29,830,230,5Сырой протеин в а.с.в, %39,540,340,1Углеводы (общие) в а.с.в,%55,352,955,1Зола в а.с.в, %4,65,04,5Полифенолы в а.с.в, %0,060,070,07 Битюкова А. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 5–13  Рисунок 1 – Технологическая схема комплексной переработки зерновых с получением экстрактов пребиотической и антиоксидантной направленностиFigure 1 – Technological scheme of complex processing of grain with obtaining prebiotic and antioxidant extracts  но подвергают высушиванию в сушильном шкафу до конечной влажности 8 ± 1 %. При этом получают мелко дисперсный порошок светло-коричневого цве- та с незначительным зерновым запахом.Пребиотики – неусваиваемые пищевые ингре- диенты, способствующие пролиферации и адсо- рбции бифидо-  и  лактобактерий  в  кишечнике  [4]. К ним относят лактулозу, лактосахарозу, галакто-, фрукто-, изомальтоолигосахариды, лизоцим, дрож- жевые экстракты, низко-осахаренную кукурузную патоку,  ячменно-солодовый  экстракт,  гидролизаты казеина и сывороточных белков, муцин, пантетин, лактоферрин и другие [5, 11]. Были проведены ис- следования пребиотической активности полученных экстрактов с помощью ферментативного гидролиза. Для установления пребиотических свойств были ис- пользованы штаммы микроорганизмов Lactobacillus acidophilus и Bifi obacterium bifi um.Согласно данным, представленным на рисунке 2, количество клеток L. acidophilus на среде с добавле- нием концентрата КОС составило 2,8 × 1011 КОЕ/см3 на  3  сутки  культивирования.  Этот  показатель  на  Таблица 2 – Физико-химический состав концентратов БАВTable 2 – Physical and chemical composition of biologically active concentrates Метод экстракцииВлажность,%Протеин в а.с.в, %Зола в а.с.в, %Углеводы:ПФ, ва.с.в, %КОС в а.с.в, %Остаточные углеводы в а.с.в, %Гидротермический метод31,26,710,935,345,31,0Химический метод30,66,310,560,422,20,7Ферментативный метод29,45,910,371,511,00,8 Bityukova A.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 5–13           (а)                                                                                                                  (б) Рисунок 2 – Динамика роста микроорганизма (а) L. acidophilus и (б) B. bifidum культивировании на различных средахFigure 2 – The dynamics of (a) L. acidophilus and (b) B. bifidum in various media  2,4 × 1011 КОЕ/см3 больше, чем в числе колоний, вы- росших на обезжиренном молоке. При дальнейшем культивировании количество клеток  L.  acidophilus не увеличивалось.  Число  колоний  В.  bifidum  на 3 сутки на среде с добавлением концентрата КОС составило 1,9 × 1011 КОЕ/см3, что на 1,7 × 1011 КОЕ/ см3 превышает число колоний, выросших на обе- зжиренном молоке. Дальнейшее культивирование не приводило к увеличению биомассы микроорганиз- ма В. bifidum. Показано, что полученные экстракты различными методами проявляли пребиотическую активность, сравнимую с известным пребиотиком лактулозой.Известно,  что  производные   гидроксибен- зойной и гидроксикоричной кислот, входящие в состав полифенольных соединений, обладают высо- кими антиоксидантными свойствами. Антирадикаль- ная активность (АРА или АОА) полифенолов отрубей определяли методом АРА, основанном на реакции стабильного свободного радикала 2,2’-дифенилпи- крилгидразила с подвижный атомом водорода или электроном в спиртовом растворе исследуемого ве- щества. Массовая доля вносимых полифенолов в ре- акционную среду составляла 30, 20, 10 и 5 мг/см3 [4].Данные таблицы 3 свидетельствуют о высокой антиоксидантной активности полученных полифено- лов. Различия в антиоксидантной активности между разными методами экстракции связаны с полнотой извлечения и стабильностью извлекаемых феноль- ных соединений. Установлено, что ультразвуковая обработка улучшает кинетику экстракции и выход полифенолов на начальной стадии. При этом потре- бляется меньше энергии, чем при обычной экстрак- ции, а антиоксидантная активность полученного экстракта повышается. Результаты исследования по изменению показателя антиоксидантной активности (антирадикальной активности) концентрата полифе- нолов в процессе хранения не выявили ее изменений в течение 8 месяцев при температуре 20 ± 1 °С и от- носительной влажности воздуха 70 ± 5 %.Таким образом, подтверждена целесообразность глубокой переработки вторичных зерновых про- дуктов с  получением  экстрактов  пребиотической и антиоксидантной направленности. Исследования подтвердили значительный бифидогенный эффект полученных экстрактов, что открывает перспективы их использования в технологии синбиотичних про- дуктов питания. ВыводыВ результате экспериментальной работы ис- следован потенциал вторичного зернового сырья в качестве источника получения эссенциальных ком- понентов, а именно полифенолов и ксилоолигоса- ридов. В результате изучения влияния трех видов экстракции на процесс извлечения биологически ценных веществ из овсяных отрубей были получены углеводно-белковый концентрат, концентраты БАВ,  Таблица 3 – Антиоксидантная активность препаратов полифенолов из овсяных отрубейTable 3 – Antioxidant activity of oat bran polyphenol preparations Концентрация препарата ПФ, мг/см3Антиоксидантная активность, у.е.а./ см3МеханическийХимическийФерментативный301052,0965,21130,020865,4752,7921,110408,0344,1493,65158,6121,8270,2 Битюкова А. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 5–13 КОС и полифенолов. Изучение физико-химических и биологических свойств полученных ингредиентов также указало на целесообразность применяемых технологий экстракции. Углеводно-белковые кон- центраты характеризуются как продукты, содер- жащие значительное количество белка и продуктов гидролиза полисахаридов (глюкоза, мальтодекстри- ны). Концентраты БАВ, помимо полифенолов, со- держание которых доходило до 67 % от общего их количества в овсяных отрубях, также включали: бе- лок до 6,9 %, углеводы до 80,7 %, в том числе КОС от 35,3 % до 71,5 %, и золу 11,3 %. Подтвержден пре- биотический эффект концентратов КОС по величине стимулирования роста и развития пробиотических культур микроорганизмов. Кроме этого, доказана антиоксидантная активность концентратов полифе- нолов, не меняющаяся в течение 8 месяцев. В резуль- тате исследования экспериментально обоснована технология комплексной переработки зернового сы- рья, в частности овсяных отрубей, для получения БАВ, обладающих рядом положительных биологи- чески активных свойств. Конфликт интересовАвторы заявляют об отсутствии конфликта инте- ресов.