автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.01, диссертация на тему:Разработка способов получения и модификации рисовых белковых концентратов

На правах рукописи

!ЬаУ ___

ФАНКУИНЬЧАМ

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ И МОДИФИКАЦИИ РИСОВЫХ БЕЛКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

Специальность 05.18.01 Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых кулыур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

28 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005540256

005540256

Работа выполнена на кафедре «Биотехнология и пищевая химия» «Московский государственный университет пищевых производств»

ФГБОУ ВПО

Научный руководитель: . доктор технических наук, профессор

Колпакова Валентина Васильевна

Официальные оппоненты: Карпиленко Геннадий Петрович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет пищевых производств», профессор

кафедры «Биотехнология и технология продуктов

биоорганического синтеза»

Пушкина Вера Сергеевна

доктор технических наук, профессор,

НОУ ДПО «Международная промышленная

академия», заведующая кафедрой пищевых

производств

Ведущая организация: ГНУ НИИ кондитерской промышленности

Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится « 19 »декабря 2013 года в 10 часов на заседании Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.148.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. 302, корп. А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

Автореферат размещен на сайте ВАК при Минобрнауки России http://vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан« /5»ноябРя2013 г-

Ученый секретарь Совета, к.т.н., доц.

Белявская И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Рис является важнейшей зерновой культурой, занимающей второе место по объему производства, после пшеницы. Рис - основной продукт питания для 2,5 млрд человек в Азии и сотен миллионов людей на других континентах. В Европе и России рис пользуется большой популярностью, в 2007-2011 гг. валовой сбор его возрос на 63,8% и составил 1154,1 тыс. т. Данную культуру употребляют в виде крупы, ее перерабатывают в муку, спирт, пиво, целесообразно применять и в производстве хлеба (Богатырева Т.Г., Динь Тхи Хьен, 2010). Несмотря на то, что существует много направлений использования риса, в мире продолжается поиск перспективных путей его переработки и получения компонентов с полезными питательными и функциональными свойствами. Рисовый белок, в отличие от клейковины, является пшоаллергенным белком, что делает его конкурентоспособным для производства диетических и функциональных продуктов шп апия.

Известны способы переработки зерна риса на белки и крахмал (Morita. Kiriyama, 1993; Shih, Daigle, 1997; Wang, 1999; Hainada, 1999; Tang, 2003; Lixia et al., 2010), но даже при обработке щелочью и энзимами белки трудно выделяются из сырья, к тому же такие растворы изменяют их структуру и питательную ценность, что отрицательно отражается на функциональных свойствах белковых продуктов. В литературе практически отсутствуют сведения об отличительных особенностях белков разных видов риса, их взаимосвязи с функциональными свойствами, позволяющими экстрагировать компоненты с целенаправленно регулируемыми показателями в целях научно обоснованного и более эффективного применения их при производстве пищевых продуктов. С учетом того, что известные коммерческие белковые продукты имеют относительно невысокую массовую долю белка (60-65%) и мало сведений о его функциональных свойствах, то разработка новых способов переработки рисового сырья, предусматривающих эффективное извлечение компонента и модификацию, имеет актуальное значение для производства и расширения ассортимента пищевых продуктов с пшоаллергенным белком. Данная постановка задачи соответствует приоритетным направлениям развитая мировой и отечественной науки по вопросам глубокой переработки растительного сырья с получением ценных и полезных белковых и других ингредиентов в целях совершенствования базы сырья и производства продуктов питания целевого назначения.

Работа проводилась в рамках НИР кафедры «Биотехнология и пищевая химия» МГУПП и Договора о сотрудничестве с лабораторией биохимии азотфиксации и метаболизма азота Института биохимии им. А. Н. Баха РАН.

Целью исследований являлась разработка способов выделения, модификации функциональных свойств рисовых белковых концентратов методом ограниченного протеолиза и изучение их физико-химических характеристик, ориентированных на расширение ассортимента гипоаллергенных и других видов пищевых продуктов. В соответствии с целью решались следующие задачи:

• исследовать показатели химического и биохимического состава муки, полученной из белозерного и красиозерного риса;

• изучить процессы выделения белков с применением ферментных препаратов (ФП) амилазного и кеиланазного действия;

• разработать принципиальную технологическую схему получения белковых (БК) и белково-минеральных концетратов (БМК);

• охарактеризовать пищевую и биологическую ценность рисовых БК и БМК;

• разработать технологические параметры получения модифицированных белково-минеральных концентратов методом ограниченного протеолиза;

• изучить функциональные свойства БК, БМК и влияние на них некоторых

технологических факторов;

• исследовать физико-химические свойства белковых концетратов и установить их взаимосвязь с функциональными свойствами;

• разработать способы приготовления мучных кондитерских изделий (кекс, бисквитный полуфабрикат) с модифицированным белково-минеральиым концентратом;

• провести опытно-промышленную апробацию способов применения БМК и разработать проекты технической документации на концентрат, кекс и бисквитный полуфабрикат.

Научная новизна. Теоретически обоснованы параметры выделения БК из белозерного и краснозерного риса с применением кислотной экстракции, амилазного и ксиланазного ФП, а также способов модификации функциональных свойств белков с эндо- и экзопротеиназами. Получены математические модели зависимости количества аминного азота от температуры, концентрации субстрата и ФП, времени гидролиза, pH со степенью протеолиза 3,89-4,16 %.

Установлены особенности белков рисовых концетратов: молекулярная масса (ММ) их у белозерного риса ниже (1,3-199,5 кДа), чем у белков краснозерного риса (1,3-251,1 кДа). Большая часть белков белозерного риса сосредоточена во фракциях с ММ 11,7 - 27,5 кДа, краснозерного-в более высокомолекулярной фракции (ММ 182-251,1 кДа).

Доказано взаимодействие белков с флавоноидами, оказывающее влияние на их функциональные свойства. У белозерного риса флавоноиды взаимодействуют с 3-мя фракциями (ММ 131, 10 и 4 кДа), у краснозерного - с одной, но более высокомолекулярной (ММ 216 кДа). У концетратов из белозерного риса содержание флавоноидов ниже, чем у концетратов из краснозерного риса, а пенообразующие свойства выше.

По данным инфракрасной (ИК) спектроскопии, взаимодействие белков с флавоноидами происходит при участии ароматических, непредельных, сложноэфирных и СН2- группировок.

Методом кругового дихроизма (КД) в структуре концетратов установлено наличие а-спиралей, Зю-спиралей, ß-сгрукгуры, ß-изгибов и неупорядоченной формы молекул. Протеолиз белков сопровождается нарушением а-спиралей, формированием ß-струкгуры, нерегулярных участков, уменьшением количества SH - групп, но и увеличением S-S-связей.

Степень изменения фракционного состава белков, элементов вторичной и третичной их структуры в процессе гидролиза эндопротеиназой у БК из белозерного риса выше, чем у БК из краснозерного риса, что взаимосвязано с меньшим количеством в его составе флавоноидов.

Для пенообразующей способности (ПОС) концентратов выявлена отрицательная корреляция со значениями верхних границ ММ белков (г= -0,95), количеством высокомолекулярных фракций (г= -0,8), количеством SH-групп (г= -0,8), константами начального (г= -1,0), конечного (г= -0,8) этапов агрегации, а также положительная (г= +0,8) - с количеством S-S связей. Высокая ПОС композитов обусловлена наличием в их составе белков с ММ не более 120 кДа.

Практическая значимость работы. Разработаны способы получения рисовых БК и БМК из белозерного и краснозерного риса с содержанием белка 78-85%, с учетом специфического расщепления крахмала и гемицеллюлоз. Установлены параметры выделения белков без применения щелочных растворов и с высокими функциональными свойствами для приготовления мучных кондитерских изделий.

Определены условия ферментативного гидролиза белков с эндо- и экзопротеазами для получения модифицированных рисовых БМК (время гидролиза, температура, концентрация ФП, субстрата, pH) с повышенной растворимостью и пенообразующими свойствами.

Разработана принципиальная технологическая схема получения БК, БМК и модифицированных БМК, содержащих кальций в органической форме. Разработаны способы получения и рецептуры масляного кекса па основе рисовой муки и модифицированного БМК, не содержащего пшеничную клейковину, и бисквитного полуфабриката с сухой

белоксодержащей смесью.

Проведена опытно-промышленная проверка использования модифицированного БМК для получения масляного кекса без клейковины и бисквитного полуфабриката в производственных условиях ЗАО «Хлебокомбинат «ПЕКО», что подвержено актами испытаний. Разработаны проекты ТИ, ТУ на модифицированный БМК, масляный кекс и бисквитный полуфабрикат.

Основные положения, выносимые на защиту:

• новые, способы получения и модификации рисовых белковых концентратов без применения щелочных растворов и с относительно высоким содержанием в них белка;

• технологическая схема получения белковых и белково-минеральных концентратов и их гидролизатов;

• особенности структуры рисовых белков и взаимосвязь их физико-химических и функциональных свойств;

• способы и рецептуры с рисовым модифицированным белково-минеральным концентратом для получения безглютеновых масляных кексов и бисквитного полуфабриката.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на; 11-ой Международной НПК «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011); 9-ой, 10-ой НПК с международным участием «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (Москва, 2011, 2012); 9 и 10-ой Международной НК студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2011, 2012); 7-9-ой Международной НК «Техшша и технология пищевых производств» (Могилев, 2011-2013); в рамках конкурсов молодых ученых на VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2013) и 8-ой Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, 2013), Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2013). По итогам конкурсов, выставок и конференций получены 2 медали, 2 диплома, 1 грамота и 1 сертификат.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 138 страницах основного текста, включает 36 таблиц и 44 рисунка. Список литературы содержит 259 источника, из них 96 - на иностранном языке.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В обзоре литературы приведены сведения о биологическом строении, морфологических особенностях и классификации зерна риса. Обобщены данные по химическому составу, пищевой, биологической ценности, физико-химическим, функциональным свойствам белков, путям рационального использования риса и продуктов его переработки, а также способам выделения, модификации белков и применения, в т.ч. в кондитерской и хлебопекарной промышлешюсги. Приведены сведения по обогащению мучных кондитерских изделий белком, минеральными веществами и другими ценными пищевыми компонентами.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследования проводились на кафедре биотехнологии и пищевой химии МГУ 1111 и в лаборатории биохимии азотфиксации и метаболизма азота Института биохимии им. А.Н. Баха РАН. Общая схема исследований представлена на рисунке 1.

Изучение химического и биохимического состава муки из белозерного и краснозерного риса Исследование фракционного состава и растворимости белков риса в различных кислотах

i

Изучение процесса осаждения белков с органическими солями *— Исследование влияния ФП амилазного и ксиланазного действия на выход белков

1

Разработка технологической схемы получения белковых и белково-минеральных концентратов

+ + -

Модификация белков методом ограниченного иротеолиза Определение пищевой, биологической ценности функциональных свойств БК -1 :

Изучение взаимосвязи физико-химических и функциональных свойств белковых концентратов

Применение белково-минерального концентрата в производстве мучных кондитерских изделий, апробация результатов и разработка технической документации

Рисунок 1 - Общая схема исследований

2.1 Сырье и материалы исследований

В качестве объекта использовали муку in белозерного риса марки «Гао там» и муку из краснозерного риса «Тхай Зыонг» (Вьетнам), получеш!ую на оборудовании ГНУ ВНИИЗ РАСХН с проходом через сито № 43ПА-70 - ТУ 9293-010-00932169-96. В качестве реагентов применяли уксусную (ГОСТ 61-75), соляную (ГОСТ 3118-77) кислоты, хлорид натрия (ГОСТ 13830-97), этанол (ГОСТ 18300-72), гидроксид натрия (ГОСТ 2263-79), лактат кальция (Е 327), трехзамещенный цитрат кальция (Е 333) (Санитарные эпидемические заключения), в качестве энзимов - ФП грибного происхождения от фирмы Novozymes (Дания): Фунгамил 2500 с 2500 ед. АС/г, Шеарзим 500 Л с ПСА - 500 ед./г, Фунгамил Супер АХ с 2500 ед. АС/г и ГКА - 500 ед./г. Гидролиз белков проводили с ферментными препаратами Protamex , Neutrase 1,5 MG и Flavouizyme 500 MG с ПС 125,105 и 85 ед./г, соответственно.

Для приготовления кекса и бисквитных полуфабрикатов использовали муку пшеничную высшего сорта - ГОСТ Р 52189-2003, рисовую муку - ГОСТ Р 53495-2009, сахар-песок ГОСТ 21-94, разрыхлитель «Цикория» - сертификат ISO-9001 (ТУ 9199-012-51217184), меланж -ГОСТ Р 53155-2008, вода - СанПиН 2.1.4.559-96, масло подсолнечное рафшшрованное -ГОСТ Р 52465-2005, сухую смесь для бисквитного полуфабриката (Пат. № 2316968).

2.1 Методы исследований

Массовую долю влаги в муке и концентратах определяли по ГОСТ 9404-88, общего бежа - по методам Кьельдаля (ГОСТ 10841-91) и Лоури, жира - в аппарате Сокслета (ГОСТ 29033-01), зольность - методом сжигания (ГОСТ 27494-87). Содержание крахмала и восстанавливающих Сахаров анализировали методом Бертрана, клетчатки - по Кюршнеру и Ганеку, гемицеллюлоз - с гидролизом 2%-ной соляной кислотой, массовую долю углеводов в БК - путем вычета из 100 г массовой доли белка, жира, золы, влаги.

Фракционный состав белков муки определяли последовательным экстрагированием дистиллированной водой, 5% -ным раствором хлорида натрия, 70% -ным этанолом, 0,02 М раствором едкого натра. Аминокислотный состав белков анализировали на хроматографе L-8800 фирмы "Hitachi" (Япония), содержание минеральных веществ - по ГОСТ 26929-94 и

30178-96, перевариваемосгь белков - по методу А А. Покровского и ИД. Ертанова, количество флавоноидов в БК - спекгрофотометрическим методом, в пересчете на галловую кислоту. Степень гидролиза белков измеряли в %, по отношению к общему количеству аминного азота, полученному при пиролизе их с 6 н. HCl.

Молекулярно-весовое распределение рисовых белков и их пшролизатов исследовали методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и гельхроматографии на сефадексе G-150; спектры КД - на дихрографе Chirascan фирмы Applied Photophysics (Англия), ИК спектры - на ИК-Фурье спектрометре IFS 66 v/s Вгикег в области 400-4000 см"1. Восстановленные тиоловые группы определяли флуоресцентным методом с реактивом TioGlol (Calbiochem, USA), агрегацию белков - на спектрофотометре ССП-715 при 350 нм. Функциональные свойства БК исследовали по методикам, опубликованных в работах В. В. Колпаковой и А.П. Нечаева (1995).

Показатели качества теста, кекса и бисквитного полуфабриката анализировали стандартными и общепринятыми методами (И.С. Лурье, 2003), микробиологические показатели готовых изделий - в соответствии с СанПиН 232.1078-01.

23 Результаты исследований и их обсуждение

Химический состав и биохимические свойства белков муки из белозерного и краснозерного риса исследовали для выбора растворителя и разработки способов выделения концентратов. При этом установлено, что основную массу веществ рисовой муки составляет крахмал (64-70%), меньше содержится белков (9,08-14,16%) и гемицеллюлоз (6,0-6,4%). Мука из белозерного риса имеет в своем составе в 1,6-2 раза меньше белка, зольных элементов, но на 9,7 % больше крахмала и в 1,5-2 раза - больше жира и клетчатки, чем мука из краснозерного риса.

Основная масса белков представлена глютелиначи (оризенином) - 72,80-79,64%, далее следуют глобулины (12,60-14,15%), альбумины (4,10-6,15%) и проламины (3-6%). Мука из белозерного риса на 65% меньше содержит проламинов, на 12-50% меньше глобулинов, альбуминов, но на 9% больше оризенина, что в конечном итоге положительно отразилось на выходе и функциональных свойствах белковых концентратов. Из данных следует, что наиболее эффективным растворителем для белков должен быть раствор щелочи, однако она, как известно, денатурирует белки, вызывая образование новых видов связей, отрицательно влияющих на физиологию млекопитающих. Поэтому растворимость белков исследовалась в растворах кислот. Показано, что в 0,005-0,025 н. уксусной кислоте растворимость белков муки из белозерного риса равнялась 10,1 -20,2%, в соляной кислоте таких же концентраций - 40 - 59%. Больше всего белков переходило в раствор 0,01 и. соляной кислоты. С применением элементов статистики выявлена более точная взаимосвязь растворимости белков с гидромодулем, нормальностью кислоты и временем экстрагирования. Получены уравнения регрессии, построены пространственные поверхности отклика, отображающие изменение растворимости от исследуемых факторов (рисунок 2) и выбраны оптимальные параметры.

Наибольшая растворимость белков (60,5%) наблюдалась при гидромодуле мука:соляная кислота 1:9, концентрации кислоты - 0,01 н. и времени экстрагирования - 135 мин.

В целях повышения количества рисовых белков муки в растворе изучена их растворимость с применением ферментных препаратов, учитывая, что значительное количество крахмала, гемицеллюлоз и белков находятся во взаимодействии и тем самым затрудняется экстрагирование последних. Растворимость белков определялась с

г=а+Ьх+су+ахл2+еул2+Гху г»а+Ьх+с\'+<іхА2+еул2+Гху

а=-127.7788 Ь=28.524695 с=7995.0087 а=4.2468946 Ь=2112.4624 с=0.60328951

<¡=-1.1621291 е=-145239.09 Г=^163.63002 СІ--830І3.735 е^0.0025283553 Г-4.7024557

Рисунок 2 - Влияние различных факторов на растворимость белков муки

применением гидролитических ФП: Фунгамила 2500 и Шеарзима 500Л, катализирующих, соответственно, гидролиз крахмала и ксиланов, и Фунгамила Супер АХ, содержащего одновременно амилазу и ксиланазу. Вначале исследовали влияние гидромодуля, температуры, рН, времени и концентрации Фунгамила 2500 на выход восстанавливающих Сахаров (ВС) (рисунок 3) и установили условия для действия амилазы: гидромодуль 1:7, рН 5.8-6Д. температура 70°С, концентрация 5,8-6,3 ед. /г муки, время гидролиза- 60 мин.

«сн*>

„дао*"»1"

«ВНР»

Рисунок- 3 - Влияние технологических факторов на выход Сахаров

Опыты с Шеарзимом 500Л и Фу игам илом Супер АХ проводили с 0,01 н. НС1 при значении рН - 4,8-5,0. Результаты определения влияния гидромодуля и температуры на выход белков из муки с Шеарзимом 500Л и Фунгамилом Супер АХ (рисунок 4) показали, что с обоими ФП максимальным он получен при гидромодуле 1:6, а с фунгамилом Супер АХ - на 3-8% выше, особенно это заметно при гидромодуле 1:6 и температуре 65-70°С.

Рисунок 4 - Зависимость выхода белков от гидромодуля и температуры Установлен наиболее рациональный диапазон концентраций обоих ФП: 70-75 ед. на 1 г муки при температуре 70°С, гидромодуле 1:6, рН=4,8 и времени 120-150 мин (рисунок 5).

м 10

40 50 60 70 SO

Концентрация ФП, ед. І КЛ і муки • Шеарзим 500 Л -е-фунгамил Супер АХ

30 60 40 120 150 ISO Время обработки, мин Шеарзим 500 JI ■ фчнгамил Супер АХ

Рисунок 5 - Зависимость выхода белков от концентрации и времени обработки муки ФП В итоге, определены эффективные условия для действия ферментов: А) для Фунгамила 2500: гидромодуль 1:7, рН 5,8-6,2, температура 70°С, концентрация 5,8-6,3 ед. АС/г муки, время гидролиза- 60 мин;

Б) для Шеарзима 500 J1 и Фунгамила Супер АХ: гидромодуль 1:6, рН - 4,8-5,0; 6570°С, концентрация ФП 70-75 ед. ГКА/ г муки, время гидролиза -120 мин.

Выход белков с Шеарзимом 500J1 составил 25-26%, с Фунгамилом Супер АХ - 3334%. Следовательно, комплексный ФП более эффективный, чем один Шеарзим 500JI.

С учетом этих данных исследованы 4 схемы экстрагирования белков в 0,01 н. растворе НС1 с одновременной обработкой ФП для получения их наибольшего выхода. Контролем служил образец муки, обработанный 0,01 н. соляной кислотой. В соответствии со схемой I, перед экстрагированием белков кислотой муку обрабатывали фунгамилом 2500 (гидромодуль 1:7, рН - 5,8; 70°С, концентрация ФП - 6,2 ед. АС/ г крахмала, время - 60 мин). По схеме II после обработки муки Шеарзимом 500 J1 в течение 2 ч при концентрации 70 ед. ГКА/г муки, гидромодуле 1:6, 70°С и рН = 4,8 белки экстрагировали 0,01 н. раствором НС1. По схеме III перед соляной кислотой муку обрабатывали последовательно Фунгамилом 2500 и Шеарзимом 500 Л, после чего белки экстрагировали 0,01 н. соляной кислотой. Схема IV включала обработку муки Фунгамилом Супер АХ при концентрации 70 ед. ГКА /г муки в течение 2 ч при рН - 4,8 и 70°С.

С Фунгамилом 2500 растворимость белков, по сравнению с контролем, повышалась всего на 6%, с Шеарзимом 500 Л - на 21 %, с Фунгамилом 2500 и Шеарзимом 500 JI, как и с Фунгамилом Супер АХ, - на 34%. Наибольшая растворимость белков достигалась в схемах 111 и IV (таблица 1).

Таблица 1 - Растворимость белков при различных схемах экстрагирования

Варианты схем Способ обработки муки Растворимость белков, %

Контроль 0,01н. соляная кислота 59 ± 1

Схема I Фунгамил 2500 + 0,01 н. НС1 65 ± 1

Схема 11 Шеарзим 500 Л + 0,01 н. НС1 80 ±2

Схема III Фунгамил 2500 + Шеарзим 500 Л + 0,01 и. НС1 92 ± 1

Схема IV Фунгамил Супер АХ+ 0,01н. НС1 92 ±2

Исследования по выделению белков из краснозерного риса выполнены по описанным выше схемам с теми же режимами. Установлено, что белки растворялись всего на 64-67%, против 90-92% для белозерного риса. Меньшая растворимость белков, несмотря на более высокое их содержание в муке, объясняется различиями в физико-химических свойствах, о чем свидетельствуют ниже приведенные данные.

Для вьшелення белков из раствора вначале использовали метод изоэлектрического осаждения 0,0! н. №ОН при различных значениях рН. Установлено, что при рН 7,3 белки

выделяются в количестве 87% от общего количества (рисунок 6). Различий в изоэлектрической точке (ИЭТ) белков разных видов риса не обнаружено.

Усвоение белков в организме требует присутствия минерального элемента кальция, поэтому в целях создания белково-минерального композита и повышения выхода белков исследовано их осаждение из раствора добавлением трехзамещенного цитрата и лактата кальция. Показано, что максимальная степень осаждения белков (50%) достигалась с 10% цитратом кальция, меньшая (40%) - с 7,5% лактатом кальция (рисунок 7). Комбинированное осаждение белков в изоэлектрической точке (рН=7,3) с 2-3%-ным раствором цитрата кальция обеспечило осаждение белков в количестве 95-96% от общего его количества в растворе (рисунок 8).

£ и в у 4-1 )=а+Ъх+схА2 1^2=0.96677819 а=0.089344625 Ь=-0.021727498 с=0.0015158573 N° О4 Ю О

е ю 90 £ і70 и ° 50 90 ю в

>

щ ■'••..; 70 || и "Ї0 °

я

■

ё 4 6 8 10 ё о ,, <и Д Рн Й

Рисунок 6 - Влияние рН на степень осаждения белков рисовой муки

'Ш

80 -

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Массовая доля цитрата кальция, % -белозерный рис • красиозерныП рис

Рисунок 7 - Влияние цитрата кальция на Рисунок 8 - Комбинированное осаждение степень осаждения белков белков

С использованием в схемах выделения белков III или IV данного приема осаждения и установленных технологических режимов (таблица 2), разработана схема получения БК и БМК содержащих органическую форму кальция (рисунок 9); проведена характеристика их пищевой и биологической ценности.

Таблица 2 - Технологические режимы получения белковых концентратов

Параметры Вариант 1 Вариант 2

Фунгамил 2500+ Шеарзим 500 Л Фунгамил Супер АХ

Фунгамил 2500 Шеарзим 500 Л Концентрация цитрата кальция, % Фунгамил Супер АХ Концентрация цитрата кальция,%

Гидромодуль 1:7 1:6 2+0,2 1:6 2±0,2

Температл'ра,°С 65-70°С 65-70 °С 65-70 °С

рН 5,8-6,2 4,8-5,0 4,8-5,0

Концентрация ФП, ед/г сырья 5,8-6,3 70-75 70-75

Время обработки, мин 60 120 120

Выход БК и БМК белозерного риса составил 7,8-8,1%, для концентратов из краснозерного риса - 8,6-9,0 % от общего количества сырья.

Рисунок 9 - Принципиальная технологическая схема выделения белковых концентратов

При определении пищевой и биологической ценности концентратов показано, что содержание белка в БК и БМК из белозерного риса достигает 83-85%, против 78-80% для краснозерного. крахмала - 9,0-11,0% и 14,1-16,1%, соответственно. Массовая доля жира и клетчатки - по 0,3% при влажности 4-6%.

Содержание калия, магния, кобальта, марганца, хрома в концентрате из белозерного риса на 10-20% больше, чем в БК из краснозерного риса, тогда как массовая доля кальция, наоборот, меньше в 2,3 раза. Содержание железа, меди, цинка также меньше в данном БК в 1,1 - 2,5 раза. Белково-минеральный концентрат из белозерного риса обогащен кальцием до 7,01 г/кг, из краснозерного - до 7,50 г/кг, против 0,073 и 0,170 г/кг в белковых концентратах, полученных без кальция, цинком - до 34 -36 мг/кг и железом - до 5,4-9,2 мг/кг продукта.

Определение биологической ценности концентратов на основании анализа аминокислотного состава и перевариваемости in vitro показало, что из заменимых аминокислот в БК из риса содержится значительное количество пролина, аргинина, аспарагиновой и глютами новой кислот, из незаменимых - треонина, валина, лейцина, серосодержащих и ароматических аминокислот

(таблица 3). Первая лимитирующая аминокислота - лизин (2,9-3,2 г/100 г), вторая - изолейцин. Значительных различий в составе аминокислот между БК из разных видов риса не обнаружено.

Исследования перевариваемости БК, проведенные in vitro с системой ФП пепсин -панкреатин, в сравнении с яичным альбумином, показали, что атакуемость белков с пепсином более низкая, чем с панкреатином (рисунок 10).

Гидролиз белков исследуемых концентратов протекал более интенсивно, чем гидролиз яичного альбумина: к концу процесса у БК из белозерного зерна с пепсином она была выше в 1,5 раза, с панкреатином - в 2,8 раза, по сравнению с перевариваемостыо контрольного яичного альбумина. Перевариваемость у БК из белозерного риса с пепсином

Рисунок 10 - Перевариваемость БК in vitro на 38-66 %, а с панкреатином - на 28-БК белозерного риса: 1- негидрапизовсатый , 2- 50% больше, чем у БК ИЗ гидрализованный: БК краснозерного риса: 3- краснозерного риса, следовательно, И негидротаованный. 4 - гидрализованный: 5- контроль биологическая ценность его выше.

Для улучшения функциональных свойств белков проведена ферментативная модификация рисовых белков эндопротеиназным ФП Protamex" и экзопротеиназным Flavourzyme 500 MG на примере БК из белозерного риса (белок 8385%). Показано, что наибольшее количество аминного азота выделялось при массовой доле концентрата 25%, температуре 50°С и времени гидролиза 150-180 мин. Наиболее эффективным значением рН явилось 5,0-6,0, а концентрации - 1,0-1,4 Е/г (рисунки 11-12). Максимальное количество аминного азота (900-920 мг%) выделялось при степени протеолиза 3,89-4,03%.

При определении оптимальных параметров гидролиза белков с ФП Flavourzyme 500 MG переменными факторами служили: температура (Xi), концентрация ФП (Xi), время гидролиза (Х3) функцией (Y) - аминный азот. Опыты проводились при массовой доле субстрата - 25 % и рН - 6,0-6,2 (const), в результате получено уравнение для прогнозирования количества аминного азота в зависимости от исследуемых факторов (рисунок 13). Обработка данных в программах Matematika и Table Curve позволила

Таолица 3- Аминокислотный состав концентратов

Аминокислота Аминокислотный скор, %

краснозерный белозерный

Изолейцин 80 85

Лейцин 96 108

Лизин 53 58

Метионин (М) 106(М+Ц| 97 (М+Ц)

Цистим (Ц)

Фенилаланин+тирозин 160 130

Треонин 120 110

Ваши 110 110

Продолжительность гидролиза, мни

Рисунок 11 - Влияние рН и времени Рисунок 12 - Влияние концентрации

гидролиза на содержание аминного азота, РгсЛатех* на содержание аминного азота, рН: 1 - 4,0; 2 - 5.0; 3 - 6,0; 4 - 7,0 Е/г белка: 1 - 0,6; 2-1,0; 3-1,4

получить оптимальные параметры гидролиза для точек экстремума максимума азота: 55°С, концентрация ФП - 1,5 Е/г белка, время гидролиза - 195 мин.

У= -5341,16+134,2741X,-18,9436Х,+2,549306ХГІ,38757Х,2-103,741хЛ

0,0729Хз2+10.54811Х1Х,+0,005208Х2Хз-«),0143Х|Хз Рисунок 13 - Зависимость аминного азота от факторов гидролиза

В итоге, определены оптимальные условия для протеолиза БК с ФП:

• для Рпйатех®: температура 50°С, концентрация субстрата 25%, рН - 5,0-6,0, концентрация ФП - 1,0-1,4 Е/г, время гидролиза 150-180 мин;

• для Науоиггуте 500 МС: температура 55°С, концентрация субстрата 25%, рН - 5,5-6,2, концентрация ФП - 1,5 Е/г, время гидролиза 195 мин.

Изучение функциональных свойств белковых концентратов (таблица 4) показало, что ЖСС, ВСС и растворимость БК из белозерного риса на 10-15% выше, чем у БК, полученного из краснозерного риса (столбцы 1); ПОС у него также выше - в 5-6 раз, а стабильность пены из краснозерного риса вообще отсутствовала.

Концентраты, содержащие кальций (столбцы 2), отличались более низкой ПОС и стабильностью пены, по сравнению с обычным БК, на 11-52%. Пена у БК из краснозерного также была нестабильной.

Функциональные свойства белков, полученных с ФП РгсЛатех® (столбцы 3), отличались от свойств негидролизованных белков: у них значительно повышены ПОС и растворимость.

функциональные свойства у гидролизата БК из белозерного риса более высокие, чем у гидролизата из краснозерного риса: ВСС, ЖСС, ЖЭС и СЭ выше - на 9-18 %, ПОС - в 5 раз выше, а растворимость - на 21 %. Стабильность пены также отсутствовала.

Таблица 4 - Функционально-технологические свойства концентратов

Функционально-технологические свойства Вид риса и коцентраты, полученные при различных условиях

Белозерный Краснозериый

1 2 3 1 2 3

ВСС, г/г 1,50 1,49 1,78 1,32 1,29 1,51

ЖСС, г/г 1,42 1,41 1,32 1,27 1,26 1,10

ЖЭС,% 50 50 48 46 46 43

СЭ,% 50 50 48 48 48 43

ПОС, % 90 81 280 16 10 55

СП,% 83 70 83 0 0 0

Растворимость, % 3,0 3,0 42,5 2,6 2,6 35,0

Примечание: ВСС - водосвязывающая способность; ЖСС - жиросвязывающая способность;

ПОС — пенообразующая способность; ЖЭС стабипьность эмульсии; СП - стабильность пены.

Растворимость гидролизованных белков в кислых и щелочных средах выше у БК из белозерного риса, по сравнению с белками из краснозерного риса При рН от 5 до 9 она выше в 2-2,7 раза, по сравнению с исходными (рисунок 14), следовательно, их применение перспективно для мучных кондитерских изделий при рН 7,5-9,5.

Для всех видов БК наиболее высокие показатели и для ВСС, ЖСС, ЖЭС и ПОС получены при нейтральных или слабощелочных значениях рН (около 8), что также делает перспективным их использование при изготовлении пищевых продуктов (рисунок 15).

- жироэл<ульгир)<ющая способность; СЭ

Рисунок 14 - Растворимость белков при разных значениях рН

БК из белозерного риса: 1-негидролизованный. 2 - гидролизованный; БК из краснозерного риса: 3- негидролизованный. 4- гидролизованный

Рисунок 15 - Влияние рН на свойства концентратов БК из белозерного риса: I - негидролизованный, 2 - гидролизованный; БК из краснозерного риса: 3 - негидролизованный, 4 - гидролизованный

Для обоснования различий в функциональных свойствах концентратов и их гидролизатов изучены физико-химические свойства и особенности структуры белков.

Гель-фильтрация на сефадексе С-150 позволила фракционировать белки обоих видов БК и их гидролизатов на 13 фракций: у белозерного риса (рисунок 16, кривая 1) с ММ от 1,3 до 199,5 кДа, у краснозерного (рисунок 17, кривая 1)-с ММ от 1,3 до 251,1 кДа.

Рисунок 16 - Гель-хроматография рисовых БК из белозерного риса на сефадексе О 150 Экстинция при длине волны 280 нм: 1 - негидролизованные БК; 2 - гидролюованные БК; Экстинция при длине волны 405 нм: 3- негидролизованные БК; 4- гидролизованные БК

Рисунок 17 - Гель-хроматография рисовых белковых концентратов из краснозерного риса

Экстинция при длине волны 280 н.м: / - негидролизованные БК; 2—гидролизованные БК: Экстинция при длине волны 405 нм: 3- негидролизованные БК; 4- гидролизованные БК

У белозерного риса высокомолекулярные (ВМ) белки (пики 1-V) составляют 24,5%, у краснозерного - 51,3%; белки со среднемолекулярной (СМ) массой (пики VI-VII) - 9 и 18,5%, с низкомолекулярной (НМ) (пики V11-XIII) - 66,5 и 30,2 %, соответственно (таблица 5).

ММ белков в ВМ области у БК из белозерного риса ниже (69,2-199,5 кДа), чем у краснозерного (77,6-251,1 кДа), а большая часть белков у него сосредоточена в VIII - ом пике (34,4%), тогда как у краснозерного - в более высокомолекулярном 1-ом пике - (45,3%).

Установлено, что в БК присутствуют соединения, поглощающие свет при 405 нм, к которым относятся флавоноиды. В БК из краснозерного риса они присутствуют только в I-ой фракции (ср. ММ 216 кДа) (кривая 3, рисунок 17), а в БК из белозерного они распределяются по 3-м более НМ фракциям: 131, 10 и 4 кДа (кривые 3, рисунок 16). Вероятно, что более низкие значения ПОС у БК из краснозерного риса, обусловлены тем,

что гидрофобные флавоноиды вступают во взаимодействие с ВМ белками, что не способствуют удерживанию воды на пленках и пена становится нестабильной.

Таблица 5 - Молекулярные массы (ММ) белков негидролизованных концентратов

Фракции Белозерный рис Краснозерный рис

М.М, кДа % от общ. М.М., кДа % от общ.

Высокомолекулярные 69,2 -199,5 24,5 77,6 - 251,1 51,3

Среднемолекулярные 27,5-69,2 9,0 28,5-77,6 18,5

Низкомолекулярные 1,3-27,5 66,5 1,5-27,5 30,2

У БК белозерного риса, подвергнутых модификации ФП Ргойтех®, обнаружено 18 фракций, вместо 13 для негидролизованных (кривая 2, рисунок 16).

Количество ВМ фракций уменьшилось почти в 2 раза, НМ (1,3-27,5 кДа) - в 2,5 раза, (таблица 6). Верхняя граница ММ ВМ фракций снизилась с 199,5 до 120,2 кДа. В процессе гидролиза образовались пептиды с ММ менее 1300 Да, в количестве 52,8% от общей массы.

Если у негидролизованных БК флавоноиды распределялись между одной ВМ фракцией (131 кДа) и двумя НМ (ММ - 10 и 4 кДа) (кривые 3, рисунок 16), то у гидролизованных - между одной с ММ 27,5 кДа и двумя с НМ (< 1,3 кДа) (кривые 4, рисунок 16).

Таблица 6- Молекулярные массы (ММ) белковых гидролизатов

Фракции Белозерный рис Краснозерный рис

ММ, кДа % от общ. ММ., кДа % от общ.

Высокомолекулярные 63,1 - 120,2 12,4 77,6-251,1 12,8

Среднемолекулярные 27,5 - 63,1 8,7 27,5-77,6 8,7

Низкомолекулярные 1,3-27,5 26,1 1,3-27,5 27,5

Низкомолекулярные <1,3 52,8 <1,3 51,0

Из таблицы 6 также видно, что количественный фракционный состав гидролизатов у разных видов риса практически одинаковый, а ММ у всех фракций БК из краснозерного риса выше, чем у БК из белозерного риса, особенно в высокомолекулярной области.

Из рисунка 17 видно, что у гидролизованных БК из краснозерного риса флавоноиды находятся в составе 2-х белковых фракций: высокомолекулярной (ср. ММ - 216 кДа) и низкомолекулярной (ММ < 1,5 кДа) (кривые 4). Следовательно, при гидролизе БК обоих видов риса уменьшается количество флавоноидов, находящихся во взаимодействии с ВМ белками, что благоприятно отражается на ПОС, по сравнению с негидролизованными БК.

Подтверждением того, что флавоноиды понижают ПОС, служат результаты определения общего их количества спектрофотомегтрическим методом. В БК из краснозерного риса флавоноидов содержится в 2,3 раза больше, чем в обоих БК из белозерного риса: 1305±5 * 1328±3 мг/100г, против 561±2 ^ 560±3 мг/100г. Наиболее низкие значения ПОС и отсутствие стабильности пены белков из краснозерного риса сопровождаются их взаимодействием с наиболее ВМ (ММ 77,6 - 251,! кДа).

Расчет коэффициентов корреляции для 4-х образцов БК показал, что между ПОС и верхними границами ММ (г=-0,95), количеством ВМ фракции (1=-0,8) существует значительная функциональная взаимосвязь, так как коэффициенты близки к 1, и ее можно описывать математической функцией. Для того, чтобы рисовые белки имели высокую ПОС (около 280%), ММ полипептидов не должна быть более 120 кДа. Чем выше значения

ММ белков и больше количество фракций с ММ >120 кДа, тем пенообразующие свойства БК риса ниже.

Методом спектроскопии кругового дихроизма (КД) изучены параметры вторичной структуры и перестройки в молекулах рисовых белков после их гидролиза. Из рисунка 18 видно, что спектры КД характеризуется характерными для а-спирали белков положительным максимумом при 191 нм и двумя отрицательными - при 208 и 221 нм. В

200 220 240

Длина волны, нм.

200 220 Дпинн полны, нм.

Рисунок 18- Характеристика спектров кругового дихроизма рисовых концентратов

/ - БК белозерного риса; 2 - гидролизат БК белозерного риса; 3—БК краснозерного риса; 4 -гидролизат БК краснозерного риса

белках обнаружены все формы вторичной структуры. Содержание участков а - спирали и Зю - спирали меньше 30% (таблица 7). Низкое количество 3,0 спирали соответствует литературным данным о незначительном распространении данной формы в белках.

Таблица 7 - Вторичная сгруктура рисовых белков и их гидролизатов, %

Структура Белковые концентраты

Белозерный эис Краснозерный рис

Негидролизованный Гидролизат Негидролизованный Гидролизат

а - спираль 23 2 10 5

Зю- спираль 5 4 4 4

Р- структура 23 36 31 35

Р - изгибы 14 9 12 10

Нерегулярная 36 47 42 46

Сумма 101 98 99 100

После гидролиза белков амплитуда сигнала КД падает и спектр деформируется, особенно у белозерного риса, что сопровождаются почти полным исчезновением а-спиралей и одновременным увеличением доли р-структуры и нерегулярных участков (в сумме на 41 %).

Гидролиз белков краснозерного риса приводит к значительно меньшей деформации спектров КД: доля а-спирапьных участков уменьшилась на 50%, но на 11 % увеличилось количество (^-структуры и нерегулярных участков, что указывает на то, что данные белки более устойчивы к ферментативному гидролизу, чем белки из белозерного риса, и это может быть обусловлено их взаимодействием с флавоноидами.

Методом ИК спектроскопии выявлено участие функциональных групп в структуре БК. Спектры обоих БК - это типичные спектры полипептидов, так как наиболее интенсивными у них являются полосы в области 3500-3200 см", характерные для валентных колебаний связей 1ч!-Н, а также полосы 1664 и 1531 см"1, характеризующие группы С=0 пептидных связей (рисунок 19). Полученные данные подтверждают наличие ограниченного протеолиза в белках.

Функциональные группы в составе БК двух образцов риса существенно отличаются, на что указывают различия в спектрах в области поглощения связей С-Н и С=0. Высокая интенсивность полос в области 2840-2960 см"1, соответствующая валентным колебаниям связей в фуппах -СН2, свидетельствуют о повышенном их содержании в семействе флавоноидов краснозерного риса (флаваны, катехины и т.д.). В этом же спектре отчетливо проявляется ненасыщенность (полосы ЗОЮ см"1, 700-740 см"'), характерная для непредельности ароматических секстетов (-С=С) бензольных ядер флавоноидов и их трехуглеродной матрицы (-С-С-С-). Содержание подобных групп атомов в БК из белозерного риса ничтожно мало.

Рисунок 19 - ИК - спектры рисовых БК и гидролизатов: белозерный рис: I -негидролизованный БК; 2 - гидролизованный БК; краснозерныйрис;3 - гидролизованный БК; 4- негидролизованный БК.

В спектре белков краснозерного риса дополнительно проявляется интенсивная полоса 1742 см"', характерная для кетонной (К2С=0) или сложноэфирной (11-С(=0)(Ж|) группировок, вероятно, метиловых эфиров гидроксигрупп флавоноидов.

ИК-спектры гидролизатов подтверждают данные хроматографии и КД о незначительных изменениях в белках краснозерного риса при протеолизе, за исключением области валентных колебаний ОН- и >)-Н-групп, указывающей на перестройки водородных связей.

В БМК из белозерного риса обнаружено повышенное количество катионов металлов, в противовес свободным карбоксильным группам, а учитывая, что белок получен с цитратом кальция, то возможно заключить о присутствии в нем данного минерала

Для определения роли 8Н- групп и ковалентных в-Б связей в структуре БК определено их количество флуоресцентным методом. Пример спектра флуоресценции (506 нм) белков в разных растворителях, приведен на рисунке 20, результаты измерения количества 8Н- групп и 8-8 связей - в таблице 8.

Значения содержания ЭН-групп выше в растворителе - диметилсульфоксиде (ДМСО), чем в додецилсульфате натрия (ДДС-Ыа). поэтому они и использовались для расчета Э-Б связей (таблица 8). Видно, что количество 8Н-групп в БК обоих видов риса практически одинаково, тогда как содержание 8-8 связей почти на 60% выше в БК из белозерного риса.

При гидролизе БК из белозерного риса с препаратом Ргсйатех® количество 8Н-групп в нем уменьшалось на 32%, тогда как из краснозерного - на 7%. Одновременно увеличилось количество 8-8 связей: в БК из белозерного риса - в 3,1 раза, из краснозерного - в 2,7 раза.

СП)

Таблица 8 - Содержание БЫ- групп и связей в БК, мкмоль/мг белка

№ п/п Белковый концентрат группы, реагент связи ПОС, %

Диметилсульфоксид Меркаптоэтанол

из белозерного риса:

1 негадролизованнын 763,2 1287,4 262,1 90

2 гидролизованный 577,3 2003,2 813,4 280

из краснозерного риса:

3 негидролизованный 773,9 1108,8 167,4 16

4 гидролизованный 721,5 1630,5 454,5 55

Коэф( жциент корреляции, г -0,8 +0,8

Таким образом, протеолиз белков риса сопряжен с конформационными переходами в молекулах белка не только во вторичной структуре (а-спираль, р-структура, неупорядоченные участки), но и третичной переходы), которые также в большей степени происходят в белках из белозерного риса, чем из краснозерного. Выявленные структурные изменения в исследуемых белках сопровождались отрицательной корреляцией между ПОС и содержанием БН групп и положительной - с количеством Б-Б связей (таблица 8).

Участие гидрофобных связей в структуре БК изучено методом агрегации и

установлено, что способность к агрегации у БК белозерного риса во много раз меньше, чем

). У БК константа начального этапа ниже в 67 раз, константа конечного этапа - в 3 раза, у гидролизованного БК - в 167 и в 10 раз, соответственно. Это подтверждает участие большего количества гидрофобных бензольных ядер и сложноэфирных группировок флавоноидов в структуре БК, следовательно, и в формировании функциональных свойств. Выявлена закономерность: чем сильнее гидрофобные Рисунок 21-Кривые агрегации белков свойства белков, тем ПОС ниже, на что Белозерный рис: 1 - негидролизованный: 2 - указывают высокие коэффициенты гидролизованный; Краснозершй рис: 3 - корреляции между константами агрегации и негидролизованный: 4 - гчдролизоеанный ПОС (г= -1,0 и - 0,8).

При гидролизе понижаются гидрофобные свойства белков, что свидетельствует о перераспределении в них гидрофобных и гидрофильных групп и большей доступности последних (-ОН, -БН, -ЫЬЬ, -СООН и т.д.) в составе свободных аминокислот.

Таким образом, флавоноиды краснозерного риса отрицательно влияют на пенообразующую способность белков и их гидролизатов, как и на свойство перевариваемое™ (рисунок 10), что следует учитывать при выборе вида риса при

из краснозерного риса (рисунок 21, таблица'

10 20 30 40 Продолжительность, с

Рисунок 20 - Спектры флуоресценции БК из белозерного риса: У- сДМСО; 2- с ДДС-Ыа: 3 - с меркаптоэтанолом; 4 -контроль

500

в 400 х £

а д зоо

І |200 к^іоо

450 500 550 600 Длина волны, нм

получении их в качестве функциональных компонентов. С другой стороны, такие концентраты содержат флавоноиды с антиоксидантными свойствами, а также больше кальция, железа и цинка.

Таблица 9- Константы агрегации белков рисовых концентратов

Белковые концентраты Константы НОС, %

начального этапа (К х 10") | конечного этапа (т юс)

Белозерный рис:

негидролизованный 1,40±0,05 1,85±0,05 90

гидролизованный 0,03±0,005 0,20±0,005 280

Краснозерный рис:

негидролизованный 94,60 ±0,5 5,60±0,05 16

гидролизован ный 5,07 ±0,05 1,95±0,005 55

Коэффициент корелляции, г -1,0 -0,8

В целях разработки способов приготовления мучных кондитерских изделий с модифицированным рисовым БМК изучена микроструктура пены концентрата и яичного альбумина при разных их соотношениях. Установлено, что пузырьки воздуха в пене яичного белка и модифицированного БМК имеют практически одинаковую форму (шарообразная) и размеры (20 - 50 мкм) (рисунок 22), однако у БМК больше межпоровых перегородок, чем можно объяснить высокую стабильность его пены - 85%. Смесь яичного белка и БМК отличалась от одного яичного белка большей равномерностью распределения воздушных пузырьков и более тесным их расположением относительно друг друга.

3- БМК + яичный белок

Г-Яичный белок + сахар 2'-БМК + сахар 3'-БМК + яичный белок + сахар

Рисунок 22 - Микроструктура различных образцов пены При добавлении сахара к БМК в количестве 54% структура пены улучшалась, по сравнению с белками и их смесью, при этом часть пузырьков еще больше уменьшилась в размере. Добавление яичного белка к смеси сахара с БМК обеспечивало получение пены, напоминающей пену одного яичного белка с сахаром, из полученных данных соотношение гидролизата и яичного белка в изделиях выбрано 50:50.

С учетом высокого качества пены с гидролизатом рисовых белков, исследовали применение модифицированного БМК для приготовления масляных кексов. При этом замену меланжа на концентрат проводили в количестве 50% и 100% от массы сухих

веществ яичного белка. Одновременно, взамен рецептурного количества пшеничной муки, использовали одну рисовую муку для разработки изделия без клейковины.

Показано, что опытные образцы имели высокие показатели качества (таблица 10). По сравнению с контрольными образцами, у них повышалась пористость, улучшалась формоустойчивость; удельный объем кекса с заменой 50% меланжа на гидролизат, практически равнялся объему контроля.

Таблица 10 - Показатели качества масляных кексов

Наименование показателей Значение показателей

Контроль Опытные образцы с гидролизатом БМК, % к массе с. в. меланжа

50 100

Влажность, % 19,0 20,0 20,0

Удельный объем, см~Уг 2,57 2,56 2,20

Формоустойчивость Н/Д 0,50 0,57 0,53

Пористость, % 77,0 78,0 78,0

Щелочность, град. 1,8 1,8 1,8

,Вк>с

Ціи-т

(Структ}ра п конснстшнм

По орпанолептическим показателям кексы не уступали контрольному образцу, при этом наблюдался выраженный его аромат. При замене меланжа в количестве 100% на рисовый гидролизат уменьшался удельный объем, появился специфический привкус риса. Результаты органолептической оценки кекса, с применением 5-ти балльной шкалы, показали, что изделия на основе рисовой муки, имели такие же высокие показатели, как и контроль из пшеничной муки (рисунок 23), тогда как при замене 100% меланжа на гидролизат они ухудшались.

Исследования по применению модифицированного БМК для производства бисквитного полуфабриката проводили с использованием известной рецептуры порошкообразной сухой смеси, содержащей сухую пшеничную клейковину (Пат. 2316968). Показатели качества контрольного и опытного бисквитных полуфабрикатов приведены в таблице 11. Видно, что платность бисквитного теста с сухой смесью, содержащей рисовый модифицированный БМК, несколько понижалась, а удельный объем, формоустойчивость, пористость изделий увеличивались, по сравнению с контролем.

-Б

— в

Форма н ши'шннн вил

Рисунок 23 - Органолептическая оценка кексов: А - с меланжем (контроль); Б -с заменой 50%меланжа; В -сзаменой 100% меланжа.

Наименование показателей Показатели качества кексов

Контроль Опыт

Плотность теста, кг/м'і 525 518

Формоустойчивость Н/Д 0,33 0,38

Удельный объем, см"'/г 3,12 3,25

Пористость, % 77,0 79,0

По результатам органолептической оценки полуфабриката строили профилограммы для полуфабрикатов с меланжем и сухой смесью, содержащей рисовый

модифицированный БМК (рисунок 24). Бисквит, приготовленный с известной сухой смесью, обладал правильной формой, имел ровную поверхность и ярко выраженный вкус, свойственный данному виду изделий. У бисквита с предлагаемой сухой смесью были более высокие органолептические показатели; по структуре, консистенции, форме и внешнему виду образец превосходил контрольный. Вкус, запах, цвет его не отличались от показателей контрольного образца.

Вкус

Рисунок 24 - Органолептические

показатели полуфабриката:

Цвет/Я'у* / 2, . Стр\ш)1н и А - с меланжем;

консистенция Б — со смесью, содержащей

X / / ¡К —А \/ Ц —Б модифицированный БМК риса.

Запах Форма и внешний вил

Опытно-промышленная апробация и разработка проектов технической документации. Отработка процесса приготовления кексов и бисквитного полуфабриката с рисовым модифицированным БМК проведена в условиях ЗАО «Хлебокомбинат «ПЕКО» и это подтверждено актами испытаний. В готовом кексе с рисовым БМК содержание белка повышается на 7%, кальция и магния - в 1,7 и 2,6 раза, скор лизина - с 68 до 85%, треонина - с 88 до 100%, а количество жира понижается на 3,5%, по сравнению с контрольным. У кекса опытного образца через 3 и 7 дней хранения общая микробная обсемененность, количество дрожжей и плесеней были ниже, чем у контрольного с меланжем.

Использование сухой смеси, в которой сухая пшеничная клейковина заменяется на рисовый гидролизат, также улучшает показатели качества бисквитного полуфабриката, повышает содержание белка с 10,4 до 15,6%, понижает калорийность на 27 ккал, по сравнению с основным бисквитом. Скор лимитирующих аминокислот лизина и треонина составляет 100 и 115%, соответственно. Количество кальция в изделии повышается в 1,5 раза, магния в 4,1 раза и достигает 43,0 мг/100г и 43,3 мг/100г, соответственно. В процессе всего периода хранения общая обсемененность микроорганизмами у контроля выше, чем у опытного образца.

ВЫВОДЫ

Проведены комплексные исследования по разработке способов получения и модификации рисовых белковых концентратов из белозерного и краснозерного риса, в результате сделаны следующие выводы:

1. В сравнительном аспекте изучен состав муки из разных видов зерна риса и показано, что мука из белозерного риса характеризуется меньшим количеством белка, зольных элементов, и большим содержанием крахмала, жира и клетчатки. Ее белки содержат меньше проламинов, глобулинов и альбуминов (на 12-65%) и, соответственно, больше - глютелинов, что отражается на выходе и свойствах концентратов;

2. Для разработки способа выделения белков исследована их растворимость и обосновано применение 0,01 н. соляной кислоты взамен растворов щелочи; созданы математические модели взаимосвязи растворимости с технологическими факторами и выявлены их оптимальные значения: соотношение мука:кислота - 1:9; концентрация кислоты - 0,01 н.; время экстрагирования -135 мин;

3. Установлены режимы обработки рисовой муки ферментными препаратами Фунгамилом 2500, Шеарзимом 500 JI и Фунгамилом Супер АХ, применяемые перед экстрагирова1шем белков 0,01 н. соляной кислотой, а также условия их осаждения (ИЭТ=7,3) с добавлением 2-3% цитрата кальция;

Разработана технологическая схема получения белковых и белково-минеральных концмггратов с выходом 7,8-8,1% для белозерного риса, а краснозерного - 8,6- 9,0% от общего количества сырья;

4. Определена пищевая и биологическая ценность БК и БМК. Установлено, что концентрат из белозерного риса содержит на 5-6% больше белков (83-85%), калия, магния; кобальта, молибдена, хрома, но меньше кальция, железа, чем концешрат из краснозерного риса;

БМК концентраты в 4,3-5,0 раз богаче зольными элементами и, соответственно, минеральными элеме1ггами, чем БК. Концешраты хорошо сбалансированы по незаменимым аминокислотам. Перевариваемость БК и БМК из белозерного риса с пепсипом на 38-66 %. а с панкреатином - на 28-50% выше, чем перевариваемость БК и БМК ш краснозерного риса, но у всех она выше, чем у яичного альбумина;

5. Разработан процесс гидролиза рисовых белков эндо- (Protamex®) и экзопротеиназным (Flavourzyme 500 MG1) ФП со степепью протеолиза 3,89-4,16%. Получены математические модели зависимости количества аминного азота (930-950 мг%) от технологических параметров, выявлены оптимальные значения дня температуры, концентрации субстрата, времени гидролиза и концентрации ФП;

6. Установлено, что функциональные свойства кондампратов выше у БК из белозерного риса, чем у БК го краснозерного риса. При этом ПОС почти в 5-6 раз выше, а стабильность пены у белков из краснозерного риса вообще отсутствует. Под влиянием цитрата кальция свойства белковых концентратов несколько ухудшаются;

У гидролизатов БМК, полученных с ФП Protamex®, повышаются ВСС, ПОС и растворимость, а ЖСС, ЖЭС и СЭ, наоборот, понижаются, по сравнению с негидролизованными БК. Пенообразующая способность гидролизам белково-минералыюго концентрата го белозерного риса достигает ПОС яичного альбумина;

7. Выявлены особенности структуры белков рисовых концентратов, установлено присутствие в них флавоноидов, отличия в степени протеолиза и взаимосвязь функционалы lux свойств белков с их структурой;

• гельфильтрацией на сефадексе G-150 установлено, что белки из белозерного риса имеют более низкие молекулярные массы: 1,3-199,5 кДа, против 1,5-251,1 кДа у краснозерного риса. У первого БК большая часть белков сосредоточена в низкомолекуляных фракциях (11,727,5 кДа), тогда как у второго - в одной более высокомолекулярной фракции (182-251,1 кДа). В процессе гидролиза ММ высокомолекулярных белков у белозерного риса понижаются с 199,5 до 120,2 кДа с образованием пеппадов с ММ < 1,3 кДа, а у краснозерного - не изменяются, что подтверждает меньшую степень их протеолиза:

• белки риса взаимодействуют с флавоноидами: у белозерного с 3-мя относительно НМ фракциям! (131, 10 и 4 кДа), у краснозерного - с ВМ фракцией (216 кДа). Количество флавоноидов в концентратах из белозерного риса в 2,3 раза меньше, чем в концентратах из краснозерного риса;

• методом КД в концентратах обнаружены элементы вторичной структуры белков: а — спираль, Зщ - спираль, Р-струкгура, |}-изгибы и неупорядоченная форма. Протеолиз белков сопровождается уменьшением количества а-спиралей, увеличением р-струкгуры, нерегулярных участков, ослаблением гидрофобных свойств и увеличением содержания S-S связей. Изменения у гидролизатов краснозерного риса меньше, чем у гидролизатов из

белозерного риса;

• методом ИК-спектроскопии подтверждена ограниченная степень протеолнза белков. У БК из краснозерного риса присутствуют в большей степени -СН2 группы семейства флавоноидов, область ненасьиценности групп бензольных ядер, кетонных и сложноэфирных группировок, указывающих на взаимодействие флавоноидов с белками;

8. Выявлена отрицательная корреляция (г) пенообразующей способности белков с верхними границами значений ММ (-0,95), их количеством ВМ (-0,8) и константами агрегации (-0,8; -1,0), а также положительная (+0,8) - с количеством S-S связей. Высокая ПОС взаимосвязана с белками с ММ не выше 120 кДа;

9. Разработаны способы и рецептуры бисквитного полуфабриката и масляных кексов с модифицированным БМК из риса. Обосновано применение модифицированного БМК и рисовой муки взамен всей пшеничной муки в кексах без клейковины. Установлено положительное влияние сухой белковой смеси с БМК на физико-химические и микробиологические показатели бисквигаого полуфабриката. Разработаны проекты ТУ и ТИ на модифицированный БМК, на масляный кекс «Бесклейковинный» и бисквитный полуфабрикат «Вегетарианский». Проведена опытно-промышленная апробация в условиях ЗАО «Хлебокомбинат «ПЕКО».

Список работ, опублпковапных по теме диссертации

1. Фан Куинь Чам, Колпакова В В. Растворимость и выход белков рисовой муки в присутствии ферментных препаратов // Известия вузов. Пищевая технология. -2012. - № 4. -С. 30-33.

2. Колпакова В В., Фан Куинь Чам, Чумикина Л.В., Смирнов С О. Рисовый белок получение биотехнологаческим способом с применением карбогидраз // Храните и переработка сельхозсырья. - 2012. - №11. - С. 20-24.

3. Колпакова В В., Чумикина Л.В., Васильев A.B., Фан Куинь Чам, Арабова Л.И.. Топунов А.Ф. Влияние ферментативной модификации на физико-химические свойства зерновых белков // Известия вузов. Пищевая технология. - 2013. - №1. - С. 19-24.

4. Колпакова ВВ., Фан Куинь Чам. Чумикина ЛВ., Васильев A.B., Арабова ЛИ., Топунов А.Ф. Функциональные свойства зерновых белков, гидролизованных ферментными препаратами//Известия вузов. Пищевая технология. -2013. -№1. - С. 47-50.

5. Фан К\инь Чам, Румянцева Г.Н., Колпакова В.В. Кинетика и режимы действия а- и ß-амилаз в процессе получения мальтозосодержащих гидролизатов // Сб. статей XI межд. научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технолопш в промышленности», 4.2. - СПб.: 2011. - С. 234236.

6. Фан Куинь Чам, Колпакова В В. Экстрагирование белков рисовой муки // Сб. мат. IX Межд. научно-практической конференции «Технолопш и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты».-М.: МГУПП, 2011.-С. 336-338.

7. Фан Куинь Чам. Колпакова В.В. Комплексная обработка рисовой муки ферментными препаратами // Сб. мат. IX Межд. научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения». - М.: МГУПБ., 2011. - С. 49-51.

8. Фан Куинь Чам, Румянцева Г.Н., Колпакова В.В. Микробные амилазы для получения мальтозосодержащих гидролизатов // Тезисы докл. VIII Межд. научной конференции студентов и аспирантов «Техника и технология пищевых производств», 4.2. - Могилев: УО «МГУП»., 2011. - С. 8.

9. Фан Куинь Чам, Колпакова В В., Чумиюша Л.В. Ферментативная экстракция и выделение белков из белозерного и краснозерного риса // Тезисы докл. VIII Межд. научной конференции студентов и аспирантов «Техника и технология пищевых производств», 4.1. -

Могилев: УО «МГУП», 2012. - С. 119.

10. Фан Куинь Чам, Колпакова В В. Получение и свойства рисового белка как сырья для функциональных продуктов питания // Сб. мат. Х-ой научно-практической конференции с международным участием «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты». - М.: МГУПП, 2012. - С. 274-276.

П. Фан Куинь Чам, Белоусов В.И., Колпакова В.В. Получение и функциональные свойства гидролизатов белков белозерного и краспозерного риса //Материалы X Мевд. научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения». -М.: МГУПП, 2012. - С. 8-9.

12. Фан Куинь Чам, Колпакова В.В., Чумикина Л.В. Биогехнолошческий способ модификации рисовых белков эндопротеиназами // Сб. тезисов IX Межд. научной конференции «Техника и технология пищевых производств», 4.1. - Могилев: УО «МГУП»., 2013.-С. 229.

13. Фан Куинь Чам, Колпакова ВВ., Чумикина Л.В. Разработка параметров ферментативной модификации рисовых белков // Сб. статей Межд. научного форума «Пищевые инновации и биотехнологии». - Кемерево, 2013.-С. 249-252.

14. Фан Куинь Чам, Колпакова В.В. Ферментативное выделение и функциональные свойства рисовых концентратов // Материалы VII Московского Межд. Конгресса «Биотехнология: Состояние и перспективы развитая», 4.2. - М: ЗАО «Экспо-биохим-технолопш», РХГУ им. Д. И. Менделеева, 2013. - С. 65-66.

15 Колпакова ВВ., Фап Куинь Чам, Чумикина Л.В. «Способ получения гидролизата белка из рисовой муки». Заявка на изобретение №2012147113 от 07.11.2012

Список принятых сокращений

ФП - фермеш-ный препарат; АС - амилолигическая активность; ПС - протеолитическая активность; ГКА - кешкшазная активность; ВСС - водосвязывагощая способность; ЖСС -жиросвязывающая способность; СП - стабильность пены; ПОС - пенообразующая способность; ЖЭС - жироэмулыируклцая способность; кДа - килодальтон; ДМСО -днметтшсульфоксид- ДДС-Na - додецилсульфат натрия; SH-группы - сульфгидрильные группы; S-S связи - дисульфидные связи; ММ - молекулярная масса; ВМ -высокомолекулярные белки; СМ- среднемолекулярные белки; НМ - иизкомолекулярные белки; КД - круговой дихроизм; ПК - спектроскопия - инфракрасная спектроскопия; БК -белковый концентрат; БМК - белково-минеральный концентрат, ИЭТ - изоэлекгрическая точка.

Summary

Parameters of protein concentrates isolation from white and red rice using acid extraction, amylase and xylanase enzymes as well as parameters of their functional properties modification by endo- and exoproleases are established theoretically. Methods of obtaining rice protein concentrates and modified rice protein concentrates containing calcium with high protein content and certain desirable functional properties are described. The relational patterns of molecular weights, aggregation ability and presence of flavonoids with functional properties are identified for further modification and regulation of the latter. Possibilities of modified rice protein concentrates application as foaming agents in production of biscuits and cakes are investigated. Quality characteristics of biscuits and gluten-free cakes based on modified rice protein concentrates are studied

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за помощь при выполнении работы к.б.н„ ст. научному сотруднику Л.В. Чумикиной; д.т.н., проф. Г.Н. Румянцевой; дб.н., проф. А.Ф. Тоиунову; кб.н., научному сотруднику Л И. Арабовой; кт.н., доц. Т.А. Юдиной; д.т.п., проф. З.Г Скобельской и д.т.н., проф. Т.Г. Богатыревой.

Отпечатано в типографии ООО "Франтера" Подписано к печати 12.11.2013г. Формат 60x84/16. Бумага "Офсетная №1" 80г/м2. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 1,30. Тираж 110. Заказ 649

WWW.FRANTERA.COM

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ

ПРОИЗВОДСТВ»

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ И МОДИФИКАЦИИ РИСОВЫХ БЕЛКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

Специальность: 05.18.01. - Технология обработки, хранения и переработки

злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

На правах рукописи

04201450172

Фан Куинь Чам

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.В. Колпакова

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................5

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................10

1.1 Рис как сырье для получения продуктов повышенной пищевой ценности.......10

1.1.1 Биологическое строение и классификация зерна риса.......................................10

1.1.2 Химический состав, пищевая, биологическая ценность риса и продуктов его переработки..........................................................................................................................15

1.1.3 Физико-химические свойства и структурные особенности белков риса.........23

1.2 Пути рационального использования риса и продуктов его переработки...........25

1.3 Способы выделения и модификации рисовых белков...........................................30

1.4 Функционально-технологические свойства и применение рисовых белков в промышленности.................................................................................................................34

1.5 Мучные кондитерские изделия и проблема их обогащения................................37

1.6 Заключение по литературному обзору.....................................................................42

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ........................................................................44

2.1 СЫРЬЕ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................44

2.2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................................45

2.2.1 Методы исследований сырья и белковых препаратов........................................45

2.2.2 Методы исследований теста, кексов и бисквитного полуфабриката...............46

2.2.3 Методика проведения гидролиза рисовых белков...............................................47

2.2.4 Методы определения аминного азота и степени гидролиза белков.................47

2.2.5 Методы определения физико-химических свойств белков..............................48

2.2.5.1 Определение фракционного состава белков......................................................48

2.2.5.2 Методики высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и гель-фильтрации белков на сефадексе в-150.................................................................48

2.2.5.3 Спектроскопическое исследование белков круговым дихроизмом (КД) ... 50

2.2.5.4 Методика исследования белков инфракрасной (ИК) спектроскопией.........51

2.2.5.5 Содержание сульфгидрильных групп и дисульфидных связей в белковых препаратах............................................................................................................................52

2.2.5.6 Определение агрегирующей способности белков...........................................52

2.2.6 Определение функциональных свойств белковых концентратов...................53

2.2.7 Методы оценки пищевой и биологической ценности белковых концентратов.......................................................................................................................54

2.2.7.1 Аминокислотный состав белков..........................................................................54

2.2.7.2 Минеральный состав белковых концентратов..................................................55

2.2.7.3 Определение перевариваемости рисовых белков in vitro................................55

2.2.7.4 Определение общего количества флавоноидов................................................55

2.2.8 Методы математического планирования и статистическая обработка

экспериментальных данных..............................................................................................56

23 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ...............................................................57

2.3.1 Химический и биохимический состав рисовой муки.........................................57

2.3.2 Исследования по выделению белков из белозерного риса................................58

2.3.2.1 Обоснование выбора растворителя для выделения белков из муки.............58

2.3.2.2 Исследование различных схем экстрагирования рисовых белков с ферментными препаратами...............................................................................................65

2.3.3 Исследования по выделению белков из краснозерного риса............................67

2.3.4 Осаждение экстрагированных бежов из раствора..............................................68

2.3.5 Принципиальная технологическая схема получения белковых концентратов и их характеристика...............................................................................................................70

2.3.6 Пищевая и биологическая ценность рисовых белковых концентратов...........72

2.3.7 Ферментативная модификация рисовых белков ограниченным протеолизом........................................................................................................................76

2.3.8 Функционально-технологические свойства белковых концентратов и влияние на них технологических факторов...................................................................................80

2.3.9 Исследование физико-химических свойств рисовых белков............................84

2.3.9.1 Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) и гель-

фильтрация белков на сефадексе G-150..........................................................................84

2.3.9.2. Спектроскопия кругового дихроизма (КД) рисовых белков.........................90

2.3.9.3 Инфрокрасная (ИК) спектроскопия белков риса.............................................94

2.3.9.4 Содержание сульфгидрильных групп и дисульфидных связей.....................97

2.3.9.5 Агрегирующая способность бежов..................................................................100

2.3.10 Разработка нового ассортимента и способов приготовления мучных кондитерских изделий с рисовым белковым концентратом.....................................102

2.3.10.1 Применение рисового модифицированного белково-минерального концентрата для приготовления масляных кексов......................................................104

2.3.10.2 Применение рисового модифицированного белково-минерального

концентрата для приготовления бисквитного полуфабриката.................................108

ВЫВОДЫ..........................................................................................................................113

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................116

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................................139

Приложение А Временная технологическая инструкция по производству концентрата рисового модифицированного белково-минерального пищевого.... 139 Приложение Б Проект технических условий на концентрат рисовый

модифицированный белково-минеральный пищевой................................................151

Приложение В Акт проведения опытно-производственных испытаний приготовления масляных кексов с использованием белкового гидролизата из

белозерного риса...............................................................................................................160

Приложение Г Проекты ТУ, ТИ по производству кекса масляного

«Бесклейковинный»..........................................................................................................163

Приложение Д Акт проведения попытно-производственных испытаний приготовления бисквитного полуфабриката с сухой смесью, содержащей

белковый гидролизат из белозерного риса..................................................................179

Приложение Е Проекты ТУ, ТИ по производству бисквитного полуфабриката «Вегетарианский».............................................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Рис является важнейшей зерновой культурой, занимающей второе место по объему производства, после пшеницы. Рис - основной продукт питания для 2,5 млрд. человек в Азии и сотен миллионов людей на других континентах. В Европе и России рис также пользуется большой популярностью, в 2007-2011 гг. валовой сбор его возрос на 63,8% и составил 1154,1 тыс. т. Данную культуру употребляют в виде крупы, ее перерабатывают в муку, спирт, пиво, целесообразно применять и в производстве хлеба (Богатырева Т.Г., Динь Тхи Хьен, 2010). Несмотря на то, что существует много направлений использования риса, в мире продолжается поиск перспективных путей его переработки и получения компонентов с полезными питательными и функциональными свойствами. Рисовый белок, в отличие от клейковины, является гипоаллергенным белком, что делает его конкурентоспособным для производства диетических и функциональных продуктов питания.

Известны способы переработки зерна риса на белки и крахмал (Monta, Kiriyama, 1993; Shih, Daigle, 1997; Wang, 1999; Hamada, 1999; Tang, 2003; Lixia et al., 2010), но даже при обработке щелочью и энзимами белки трудно выделяются из сырья, к тому же щелочью растворы изменяют их структуру и питательную ценность, что отрицательно отражается на функциональных свойствах продуктов. В литературе практически отсутствуют сведения об отличительных особенностях белков разных видов риса, их взаимосвязи с функциональными свойствами, позволяющими экстрагировать компоненты с хорошо регулируемыми показателями в целях научно обоснованного и более эффективного применения их при производстве пищевых продуктов. С учетом того, что известные коммерческие белковые продукты имеют относительно невысокую массовую долю белка (60-65%) и мало сведений об их функциональных свойствах, то разработка новых способов переработки рисового сырья, предусматривающих его эффективное извлечение и модификацию, имеет актуальное значение для

производства пищевых продуктов с гипоаллергенным белком и расширением их ассортимента. Данная постановка задачи соответствует приоритетным направлениям развития мировой и отечественной науки по вопросам глубокой переработки растительного сырья с получением ценных и полезных белковых и других ингредиентов в целях совершенствования базы сырья и производства продуктов питания целевого назначения.

Работа проводилась в рамках НИР кафедры «Биотехнология и пищевая химия» МГУПП и Договора о сотрудничестве с лабораторией биохимии азотфиксации и метаболизма азота Института биохимии им. А. Н. Баха РАН.

Цели и задачи исследований

Целью работы являлась разработка способов выделения и модификации функциональных свойств рисовых белковых концентратов методом ограниченного протеолиза с изучением их физико-химических характеристик, ориентированных на расширение ассортимента гипоаллергенных и других видов пищевых продуктов. В соответствии с целью решались следующие задачи:

• исследовать показатели химического и биохимического состава рисовой муки из белозерного и краснозерного риса;

• изучить процессы выделения белков с применением ферментных препаратов (ФП) амилазного и ксиланазного действия;

• разработать принципиальную технологическую схему получения белковых (БК) и белково-минеральных концентратов (БМК);

• охарактеризовать пищевую и биологическую ценность рисовых БК и БМК;

• разработать технологические параметры получения модифицированных белково-минеральных концентратов методом ограниченного протеолиза;

• изучить функциональные свойства БК, БМК и влияние на них технологических факторов;

• исследовать физико-химические свойства белковых концентратов и установить их взаимосвязь с функциональными свойствами;

• разработать способы приготовления мучных кондитерских изделий с модифицированным белково-минеральным концентратом (кекс, бисквитный

6

полуфабрикат);

• провести опытно-промышленную апробацию способов применения модифицированного БМК и разработать техническую документацию (ТД) на концентрат, масляный кекс и бисквитный полуфабрикат.

Научная новизна

Теоретически обоснованы параметры выделения БК из белозерного и краснозернош риса с применением кислотной экстракции, амилазного и ксиланазного ФП, а также способов модификации функциональных свойств белков с эндо- и экзопротеиназой. Получены математические модели зависимости количества аминного азота от температуры, концентрации субстрата и ФП, времени гидролиза, рН со степенью протеолиза 3,89-4,16 %.

Установлены особенности структуры рисовых белковых концентратов: молекулярная масса (ММ) белков белозерного риса ниже, чем белков белозерного риса: 1,3-199,5 кДа против 1,3-251,1 кДа. Большая часть белков белозерного риса сосредоточена во фракциях с ММ 11,7-27,5 кДа, краснозерного - во фракциях с более высокими ММ (182-251,1 кДа).

Доказано взаимодействие белков с флавоноидами, оказывающее влияние на их функциональные свойства. У белозерного риса флавоноиды взаимодействуют с 3-мя фракциями белков (ММ 131,10 и 4 кДа), у краснозерного - с одной, но более высоко- молекулярной (ММ 216 кДа). У концентратов из белозерного риса содержание флавоноидов ниже, чем у концентратов из краснозерного риса, поэтому пенообразующие свойства их выше.

По данным инфракрасной (ИК) спектроскопии, белки концентратов взаимодействуют с флавоноидами при участии ароматических, непредельных, сложноэфирных группировок и СН2- групп.

Методом кругового дихроизма (КД) в структуре концентратов выявлено наличие а - спиралей, Зю - спиралей, Р-структуры, Р-изгибов и неупорядоченной формы молекул. Протеолиз белков сопровождается нарушением а-спиралей, формированием Р-структуры, нерегулярных участков, уменьшением количества -сульфгидрильных (8Н) групп и увеличением дисульфидных (Б-З) связей.

Степень изменения фракционного состава, элементов вторичной и третичной структуры белков в процессе гидролиза с эндопротеиназой у БК из белозерного риса выше, чем у БК из краснозерного риса, что соотносится с меньшим количеством в его составе флавоноидов.

Для пенообразующей способности (ПОС) концентратов выявлена отрицательная корреляция со значениями верхних границ ММ белков (г = -0,95), количеством высокомолекулярных (ВМ) фракций (г= -0,80), количеством БН-групп (г= -0,8), константами начального (г= -1,0) и конечного (г= -0,8) этапов агрегации, а также положительная (г= +0,8) - с количеством 8-8 связей. Высокая ПОС рисовых белков обусловливается наличием белков с ММ не более 120 кДа.

Практическая значимость работы

Разработаны способы получения рисовых БК и БМК из белозерного и краснозерного риса с учетом специфического расщепления крахмала и гемицеллюлоз. Установлены параметры выделения белков без применения щелочных растворов с содержанием их в готовом продукте 78-85% и положительными функциональными свойствами для приготовления мучных кондитерских изделий.

Определены условия ферментативного гидролиза белков с эндо- и экзопротеазами для получения модифицированных рисовых БМК (время гидролиза, температура, концентрация ФП, субстрата, рН) с повышенной растворимостью и пенообразующими свойствами.

Разработана принципиальная технологическая схема получения БК, БМК и модифицированных БМК, содержащих органический кальций. Разработаны способы получения и рецептуры масляного кекса на основе рисовой муки и модифицированного БМК, не содержащего пшеничную клейковину, и бисквитного полуфабриката с сухой белоксодержащей смесью.

Проведена опытно-промышленная проверка использования модифицированного БМК для приготовления масляного кекса, не содержащего пшеничную клейковину, и бисквитного полуфабриката в производственных условиях ЗАО «Хлебокомбинат «ПЕКО», что подвержено актами испытаний.

Разработаны проекты ТИ, ТУ на модифицированный БМК, масляный кекс и бисквитный полуфабрикат.

Апробация работы

Основные результаты исследований доложены на: 11-ой Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности (Санкт-Петербург, 2011); 9-ой, 10-ой научно-практической конференции с международным участием «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (Москва, 2011, 2012); 9 и 10-ой Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2011, 2012); 7-9-ой Международной научной конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2011-2013); в рамках конкурсов молодых ученых на VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2013) и 8-ой Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, 2013), Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2013). По итогам конкурсов, выставок и конференций получены 2 медали, 2 диплома, 1 грамота и 1 сертификат.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Рис как сырье для получения продуктов повышенной пищевой

ценности

1.1.1 Биологическое строение и классификация зерна риса

Рис (Oiyza) - род однолетних и многолетних трав трибы рисовых (Oryzeae) семейства злаков, ценная зерновая культура и одно из древнейших продовольственных растений Земли [66]. Рис относится к одной из трех важнейших продовольственных культур, мировое производство которой лишь немногим уступает производству зерна пшеницы, и посевы которой размещены в 112 странах на площади 145 млн. га [6,69, 93,159].

Хотя рис принято считать тропической культурой, он обеспечивает урожаи и в областях с умеренным климатом Африки, Азии, Северной, Южной Америки, Океании, юга Европы, России. Рис выращивают в основном посевной (чаще при орошении). Более половины мировой продукции риса выращивают в ведущих по количеству населения странах - Китае и Индии, откуда его, впрочем, практически не экспортируют. Другими