автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.13, диссертация на тему:Биохимическая характеристика культуры кинуа (Chenopodium quinoa Willd) и её промышленное использование



На правах рукописи

УДК 664.8.002:635.65

БУСТИНСА КАБАЛА ЛЕОНОР СЕГУНДА

Биохимическая характеристика культуры кииуа ( СЬепоросНит дшпоа WilId) и ее промышленное использование

Специальность 05.18.13 — технология консервирования пищевых продуктов

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

Москва-2000

Работа выполнена на кафедре пищевой биотехнологии и консервирования Московской государственной технологической академии и на кафедре биохимии факультета пищевой инженерии Universidad Peruana Union (Перу, г.Лима) . Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

академик РАТН, доктор химических наук, профессор ГОЛУБЕВ В.Н..

Официальные оппоненты:

Доктор биологических профессор ЗАКЛАДНОЙ В.Г. Кандидат технических профессор Игрицкий В.И.

наук,

наук,

Ведущее предприятие:

ЗАО «Экотехнология»

Защита диссертации состоится « Л » ШьА^и 2000 г. в « /Ч » часов на заседании диссертационного совета К.063.45.04 при Московском государственном заочном институте пищевой промышленности (МГТА) по адресу: 109803 Москва, ул. Талалихина д.31, аудитория №36.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГЗИПП. Автореферат разослан « ¿Ь » 1999 г.

Ученый секретарь ^/Ьк^ .— В.П.Малина

диссертационного совета, доктор технических паук.проф

Л82н.ч.о:

Общая характеристика работы

Актуальность темы. ГТиша-первая потребность и необходимое условие существования человечества. На протяжении тысячелетий человек использовал для своего питания вполне определенный и достаточно ограниченный набор продуктов животного и растительного происхождения, периодически ощущая лишь количественный недостаток пищи. Однако проблема изыскания и восполнения пищевых ресурсов сопутствовала человечеству с его зарождения вплоть до наших дней.

В различных государствах проблема эта ставилась и решалась по-своему, в зависимости от существующего экологического и социального статуса, уровня развития техники, технологии и науки. Однако в каких бы формах не представало и в каких бы результатах не выражалось стремление человека обеспечить продовольствием быстро увеличивающееся население земного шара, оно всегда в той или иной степени воплощало и себе мечту человека об полноценной пище и полноценном питании.

В наши дни в развитых странах мира задача увеличения продовольственных ресурсов решается на качественно новом уровне, что объясняется многими причинами, во-первых, .исключительно быстрым ростом численности населения и увеличением темпов его миграции, во-вторых, острой общественной необходимостью улучшить экономические показатели в сфере сельского хозяйства и пищевых производств, и в-третьих, повышение требований к пищевой ценности продуктов питания и совершенствования существующих моделей питания и пищевых рационов.

Одним из направлений улучшения качества и безопасности консервированных пищевых продуктов для широких слоев населения Республики Перу является комплексное исследование биохимических свойств зерна кинуа ( СЬепоросИит qшnoa), которая имеет достаточно широкое распространение в высокогорных районах Анд и широко использовалась в пищевых рационах инков ( древние индейские племена на территории Перу). Анализ немногочисленных литературных данных по химическому составу зерна кинуа показывает целесообразность и перспективность глубокой технологической переработки этой культуры для применения в составе различных пищевых продуктов для улучшения их качества и повышения пищевой ценности .

Цель и направления исследований. Целью работы являлось изучение биохимических характеристик зерна кинуа различных соргообразцов и определение оптимальных путей глубокой технологической переработки кинуа.

В процессе выполнения исследований решались следующие задачи:

-изучение химического состава (белковый и аминокислотный комплекс, углеводный и липидный состав, жирнокислотный состав масла кинуа, витаминный комплекс, макро-и микроэлементный состав муки и белка кинуа) различных сортов кинуа; -разработка технологических приемов комплексной переработки зерна кинуа с получением растительного белка, крахмала, липидно-витаминного концентрата и других пищевых ингредиентов; -теоретическое обоснование и совершенствование принципов и алгоритмов ЭВМ-проектирования многокомпонентных

консервированных пищевых продуктов с требуемым комплексом показателей пищевой и биологической ценности.

Научная новизна работы. Впервые получены комплексные биохимические данные по аминокислотному, углеводному, липидному и жирнокислотному составу зерна кинуа в зависимости от сортовой принадлежности. Установлены технологические параметры выделения белковой фракции зерна кинуа и определены химические и микробиологические свойства растительного белка.

Разработана математическая модель комбинированного пищевого продукта повышенной биологической и пищевой ценности.

Практическая значимость работы. Разработан технологический регламент комплексной переработки зерна кинуа с получением растительного белка и других пищевых ингредиентов. На основании теоретических подходов созданы модели комбинированных пищевых продуктов повышенной пищевой и биологической ценности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на :

- У Международном симпозиуме «Экология человека: пищевые продукты и технологии на пороге XXI века», Пятигорск, 1997 г.- 1У и У Международных научно-технических конференциях

«Современные проблемы в пищевой промышленности», Москва, МГЗИПП, 1998,1999 гг.

- 1 Inter. Sym. "Química у Biotecnología de Alimentos", 1998, Lima, Perú.

-Ill Международном симпозиуме«Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», 1999, Пущино.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит таблиц, рисунков. Список литературы включает 184 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и определена цель исследования.

В обзоре литературы обобщены современные представления о роли биологически активных веществ растительного и животного сырья, в питании человека, приведены имеющиеся данные по культуре кинуа и производству белков из вторичного растительного сырья, а также показаны основные области их использования.

На основании изложенных сведений определена цель и сформулированы задачи собственных исследований.

В экспериментальной части дана характеристика методологических подходов к организации экспериментов, объектов и методов исследования, изложены основные результаты

собственных исследований, сформулированы выводы и практические рекомендации.

Обьекты исследования. В соответствии с целью и задачами работы были выбраны 4 наиболее районированных в Перу сорта зерна кинуа ( желтый, белый, красный и сахама).

Все виды сырья соответствовали требованиям стандартов и технических условий, опытные и контрольные образцы готовили из одной партии сырья.

Изучаемые показатели сведены в следующие группы: - химический состав, характеризующийся массовыми долями воды, сухих веществ, белка, жира, золы, минеральных веществ и углеводов:

-фракционный и аминокислотный состав белков: -жирнокислотный состав липидов,

-атакуемость белков протолитическими ферментами in vitro, -макро-и микросостав белка кинуа,

-витаминный состав, включающий установление содержания витамина А, ji-каротина, витаминов РР, группы В и витамина С, -относительная биологическая ценность модельных комбинированных продуктов.

Методы исследований. Для комплексной оценки сырья и конечных продуктов использовали физико-химические, химические, биохимические и органолептические методы.

Определение массовой доли белка-по Кьельдалю на автоматическом анализаторе "Rjeltec-Auto 1030 - Tecator", количество белка N хб.25.

Аминокислотный состав белков -на автоматическом анализаторе " Hitachi CLA-5" ( Japan) по стандартным аналитическим методикам фирмы " Hitachi".

Перевариемость белков протеолитическими ферментами in vitro проводили в соответствии с базовой методикой А.А.Покровского в модификации Н.Н.Липатова.

Жирнокислотный состав липидов определяли по Кейтсу на газовом хроматографе "Crom-5", метиловые эфиры жирных кислот выделяли в соответствии с методикой по ИСО 5509.

Минеральный состав - рентгекофлуоресцентным методом с помощью флуоресцентного анализатора TEFA-6A "Optec" (USA).

Витамин А - методом ВЭЖХ, витамины группы В флуорометрическим методом, витамин С -титрованием раствором 2,6-дихлорфенолиндофенола по ГОСТ 24556-89.

Микробиологические показатели - в соответствии с нормативными документами, действующими в консервной отрасли пищевой промышленности.

Статистическую обработку полученных экспериментальных данных проводили с использованием программы 'STATISTICA" фирмы Microsoft.

Постановка исследований. Общую постановку осуществляли согласно разработанной схеме проведения экспериментов ( рис.1). Для достижения поставленной цели были проведены экспериментальные работы в лабораторных и опытно-производственных условиях кафедр и лабораторий Московской государственной технологической академии, Universidad Peruana Union и ВНИИсинтезбелок.

Информационная связь Технологическая часть —> ----->

Рис. I. Схема проведения исследований 7

Основные результаты исследований

В табл, 1 приведен усредненный химический состав зерна кинуа в сравнении с химическим составом некоторых наиболее распространенных зерновых культур, который демонстрирует эту культуру как ценное исходное сырье для получения белкового, минерального и витаминного обогатителя пищевых продуктов.

Таблица 1

Химический состав некоторых зерновых культур

кинуа пшеница кукуруза овес рис полу-очищеиный

Калорийность, ккал 350 330 332 405 347

влага, % П.4 14,4 15,2 9,3 15,6

белки, % 14,0 9,0 8,4 10,6 7,3

жиры, % 6,5 1,5 0,3 10,2 0,5

усвояемые углеводы, % 59,6 71,0 72,0 65,5 75,8

пищевые волокна, % 5,8 3,0 3,8 2,7 0,5

зола, % 2,7 1,1 1,2 1,5 0,6

кальций, мг 135 365 6,0 140 7

фосфор, мг 420 224 267 321 127

железо, мг 5,2 4,6 3,7 2,5 0,8

тиамин, мг 0,30 0,20 0,3 - 0,09

рибофлавин,мг 0,30 0,08 0,16 0,04 0,12

ниацин, мг 1,43 2,85 3,25 - 2,05

аскорбиновая

кислота, мг 1,1 - - - -

Изучение фракционного состава белка семян кинуа показало наличие четырех фракций: альбумина, глобулина, проламина и глютелина (рис. 2)

аэот альбумин прол?.мш

Рис. 2. Фракционный состав белка семян кинуа Сорта-§|-желтая, ¡Щ)-красная, £3"белая> ^-сахама.

Аминокислотный состав белка кинуа в сортовом разрезе представлен в табл. 2.

Таблица 2.

Аминокислотный состав белка семян кинуа

Аминокислоты Содержание, мг/100г

Валин 1700

Изолейцин 1600

Лейцин 2700

Лизин 380

продолжение таблицы 2

Метионины 680

Триптофан 650

Треонин 1500

Фенилаланин 16 00

Алании 1800

Аргинин 2600

Аспараги новая кислота 1800

Глутаминовая кислота 3400

Пролин 1700

Тирозин 1100

Цистин 400

Глицин 1500

Гистидин 1000

В дальнейшем нами были проведены исследования химического состава только наиболее распространенного сортп зерна кинуа - белого.

В табл.3 приведены данные по групповому составу липидов и составу жирных кислот, которые показывают как высокое содержание липидов, так и высокое содержание (свыше 60%) ненасыщенных жирных кислот.

Таблица 3

Липидный и жирнокислотный состав жировой фракции семян кинуа

Липиды Содержание, %

Полярные липиды 3,0

Моноглицериды 0,2

Диглицериды . 0.2

Стерины 2,1

Высшие спирты 0,5

Свободные жирные кислоты 2,8

Триглицериды 83,3

Воски 5,1

Эфиры стеринов 2,8 .

Пигменты (мг/ЮОг)

Лютеин/зеааксантин 0,2

Жирные кислоты Содержание, отн. %

Стеариновая 18:0 0,78

Олеиновая (9с) 18:1 25,97

Вакденовая(Пт) 18:1 0,66

Линолевая 18:2 51,40

Линоленовая 18:3 5,20

Нонаденановая 19:0 0,04

Арахиновая 20 : 0 0,48

Гадолеиновая 20: 1 1,58

Эйкозадиеновая 20 : 2 0,11

Эйкозатриеновая 20 : 3 0,24

Маргариновая 17:0 0,04

Гексаденадиеновая 16:2 0,27

Пальмитиновая 16:0 10,51

Пентаденановая 15:0 0,06

Мириетиновая 14 : 0 0,17

Лауриновая 12:0 0,04

Как следует из полученных данных по углеводному составу семян кинуа ( табл.4) главным компонентом является крахмал.

Таблица 4

Углеводный состав зерна кинуа

Углеводы Содержание г/100г

Сахароза 2,7

пектин 3,1

гемищеллюлозы А + В 1,6

крахмал 55,6

амилоза (10,4)

Следует отметить, что зерна крахмала имеют малый размер частиц 1,5-3 мкм и водные растворы имеют большую вязкость.

В табл.5 приведены данные по витаминному и пигментному составу зерна кинуа, анализ которого показывает на перспективность использования липидно-пигментного и витаминного комплекса кинуа в качестве натуральной биологически-активной добавки. Достаточно высокое содержание токоферолов и каротиноидов ,а также наличие витамина С указывает на высокую антиоксидантную активность БАДа из кинуа.

Таблица 5

Витаминно-пигментный комплекс зерна кинуа

Витамины

Содержание, мг/ЮОг

Витамин Е: 5 - токоферол Р + у токоферол ос - токоферол X токоферолов

0,2 7,9 1,9 10.0

продолжение таблицы 5

Витамин В1 Витамин В2 Ниацин Витамин С

Таблица 6

Минеральный состав зерна Кинуа___

Элемент № К Са Ре Р Мл 1п

Содержание, мг/кг 134 4424 983 2033 249,3 392 0 68 32

Таким образом, полученные данные по химическому составу зерна кинуа позволяют рекомендовать его к глубокой технологической переработке . Нами были определены основные технологические стадии промышленной переработки и сделан упор на оптимизации стадии выделения белковой фракции (рис.2) , исследования функциональных свойств растительного белка из кинуа и моделирование на его основе комбинированных пищевых продуктов в повышенной биологической и пищевой ценностью.

Разработка технологии получения белка

На основании литературного анализа нами были определены и осуществлены основные этапы в разработке технологии получения белка из кинуа. При этом определяли изоэлектрическую точку исследуемого белка, изучали влияние наиболее существенных параметров процесса экстракции ( температура, время экстрагирования, рН среды, гидромодуль и т.д.) на выход белка. Процесс экстрагирования был оптимизирован.

Определение изоэлектрической точки. Определение изоэлектрической точки является важным этапом при разработке технологии получения белка. Зависимость содержания белка в насадочной жидкости от рН среды представлена на рис. 3. Как видно минимальное содержание белка находится при рН=4,4,т.е. это и есть величина изоэлектрической точки исследуемого объекта .

Оптимизация процесса экстрагирования белка. С целью установления интервалов варьирования независимых переменных, нами было изучено влияние температуры, продолжительности и рН экстракции на выход белка. Графическое выражение такой зависимости представлено на рис.4. Анализ полученной информации свидетельствует о том, что основная яасть белка экстрагируется за первые 30 минут , а увеличение температуры и рН среды значительно ускоряет этот процесс. Так как нашей задачей являлось получение белка пищевого достоинства, то нами были приняты для независимых переменных определенные ограничения.

Для поиска оптимальных условий процесса экстрагирования белка использовали метод крутого восхождения.

«

к

I о,«

I 0,41

В.

4)

§

X

\ / У

/

4,0 4,2 4,4 4,6 4,6 5,0

раствора

Рис. 3. Определение изоэлектрической точки.

- температура экстракции 20°С , 2 - температура экстракции 40°С 3 - температура экстракции 60°С

Рис. 4. Зависимость выхода белка от параметров процесса при температуре: 1 - 20°С, 2 - 40°С, 3 - 60°С

л

Руководствуясь общей теорией шагового эксперимента для описания поверхности рис.4, необходимо было использовать ортогональное планирование второго порядка. Нами было найдено, что оптимальным вариантом экстрагирования белка из кинуа

О

является : температура - 54 С, экспозиция - 20 мин.,рН=10,9, гидромодуль 1:10.

Влияние различных солей на выход и качество белковой пасты. С целью улучшения качества получаемойбелковой пасты, нами было изучено влияние электролитного состава среды на выход и качество белка. С учетом известных литературных данных по экстракции белка из растительных объектов нами были апробированы различные варианты добавок солей магния и кальция в присутствии сульфита натрия, вносимых на разных этапах технологического процесса. Как видно из данных рис.5 и б влияние соли сульфата магния и хлористого кальция весьма существенно сказывается на процентном содержании белка . при этом белковая паста получается более светлой.

100%

ад

60%

0,02 0,06 0,1 0,14 0,2 С, %

Рис. 5. Зависимость концентрации О^ на содержание белка.

0,656

0,4$

0,2%

0,02 0,06 0,1 С , %

Рис.6. Влияние концентрации СаСна содержание белка в надосадочной жидкости

Изучение химического состава твердого остатка после извлечения из кинуа крахмальной, липидной и белковой фракций представляет определенный интерес. И как видно из данных табл. 7, значительную часть этого остатка составляют клетчатка, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, некоторое количество белка, т.е. он может быть использован в дальнейшем при производстве комбикормов.

Таблица 7.

Характеристика твердого остатка

Наименование показателей Массовая доля,%

Сухая масса ' 58,3

Общий белок ( N х'6.25) 9.27

Пектин 0,60

Гемицеллюлоза 7.7

Клетчатка 33.3

Характеристика белковой пасты. Результаты количественного анализа различных форм азота в исследуемой белковой пасте приведены в табл.8.

Таблица 8.

Содержание различных форм азота (% на СВ)

Формы азота

Общий (N хб.25) Белковый Небелковый Аминный

80 74,4 5.6 0.2

Анализируя полученные данные по химическому составу зерна кинуа и белковой пасте следует сделать вывод, что полученный белковый продукт-паста является ценным пищевым продуктом. Она содержит все незаменимые аминокислоты, и достаточно высокое содержание лейцина, триптофана и фенилаланина. Содержание липидов в пасте -0.9%, содержание клетчатки - 0.3%.

Микрофлора белковой пасты.

В связи с необходимостью хранения белковой пасты, нами были проведены исследования, направленные на изучение влияния сорбиновой кислоты ( широко используемого и экономически доступного консерванта) на микрофлору белковой пасты при различных режимах хранения.

Исследование родового состава микромицетов, вегетирующих на белковой пасте, свидетельствовало о том, что в контрольном образце (не хранившемся в холодильнике), а также в пасте с содержанием 0.05 и 0.1 % сорбиновой кислоты ( при температуре 18-20°С), высеваются грибы рода Aspergillus,Mucor, Pénicillium,

Щизориэ и дрожжи КосЫоги1а.

Биологическая ценность белковой пасты.

Как видно из данных табл.9, где приведены данные по перевариемости белка в зависимости от концентрации сорбиновой кислоты, обработка пасты сорбиновой кислотой (0.1%) не только приводит к максимальному подавлению микрофлоры сырья, но и увеличивает перевариваемость на 6% конечного продукта.

Таблица 9.

Исследуемый обьект Перевариваемость

белка, %

Белок, полученный без использования

сорбиновой кислоты (контроль) 74.9

Белок + 0.05% сорбиновой кислоты 75.8

Белок + 0.1 % сорбиновой кислоты 81.1

Белок + 0.2% сорбиновой кислоты_81.7_

Физико-химические свойства белков кинуа. Результаты хроматографирования на ДЭАЭ-целлюлозе и данные электрофореза в ПААГ свидетельствуют о гетерогенности полипептидного состава белков.

Результаты определения эмульгирующих свойств пасты показали, что она обладает емкостью Е^=7.09 кг масла/1 г белка, предельное эмульгирование равно 0.58. Эмульгирующая активность белковой пасты при С? =70% (рис.7) характеризуется следующими показателями: стабильность эмульсии ( Е5) - 0.86, флотационная устойчивость ( ) - 0.47. Поэтому получаемая белковая паста может использоваться как в эмульсионных продуктах, так и в комбинированных консервированных продуктах в качестве разбавителя ( в консервах типа « Паштет») и белкового обогатителя.

Исходная доля кеполярко! фази

Рис.7. Диаграмма стабильности эмульсии с белковой пастой. С целью обоснования оптимального рецептурного состава

пищевых продуктов нового поколения с использованием белковой

пасты из зерна кинуа нами были развиты теоретические

представления ЭВМ-конструирования функциональных

комбинированных продуктов питания на основе формулы:

где В ^^биологическая ценность смеси,%; X;. -массовая доля ¡-го компонента; в*/; - биологическая ценность ¡-го компонента,%; п-число компонентов системы.

При этом мы исходили из следующих принципиальных положений:

-пищевые продукты или составленные из них редептуры рассматриваются как невзаимодействующие потоки биологически активных веществ;

-к каждому из этих потоков предьявляются требование взаимоной сбалансированности составляющих их нутриентов по отношению к некоторму гипотетическому потоку, принимаемому за эталон;

-пищевая композиция представляет собой динамическое сочетание рецептурных ингредиентов, количественному соотношению которых можно поставить соответствующий вектор критериев, характеризующих пищевую ценность композиции.

ВЫВОДЫ

На основе исследования химического состава зерна кинуа разработана комплексная технология безотходной ее переработки, включающая получение белковой пасты, крахмала, растительного масла и кормового концентрата.

1. Изучены биохимические свойства кинуа. Установлено, что зерно кинуа характеризуется значительной массовой долей как основных пищевых веществ (белков - 14%, жиров -6,5%, углеводов -65,4%), так и ряда других незаменимых факторов питания (макро- и микроэлементы, Р-и Е -активных соединений, кислот алифатического ряда, аминокислот и др.). Показано , что кинуа является хорошим источником пищевого белка, а также Е- витаминного концентрата .

2. Проведены исследования микрофлоры муки кинуа и ее изменений в процессе хранения, полученные данные свидетельствуют о микробиологической безопасности и возможности ее использования для производства пищевого белка.

3. Математическая обработка экспериментальных данных методом планирования эксперимента с использованием ортогонального планирования второго порядка, позволила

выявить оптимальный режим экстракции белка: температура экстрагирования - 54°С, рН=10.9, экспозиция -20 мин.,гидромодуль -10,4:1.

4. Химический состав белковой пасты (в % на сырую массу) представлен 80% белка, 1,9% зольных элементов, 1%-липидов,2.5%углеводов. Массовая доля сухих веществ составляет 15%, спектр аминокислот в белке насчитывает 18 индивидуальных представителей, лимитирующей биологическую ценность по шкале ФАО/ВОЗ , является лизин.

5. О функциональных свойствах белковой пасты из кинуа судили по жиросвязывающей способности, стабильности эмульсии, флотационной устойчивости, что позволило наметить область применения ее в качестве разбавителя и обогатителя комбинированных продуктов.

6. На основании предлагаемых принципов проектирования состава комбинированных продуктов питания научно обоснована технология конструирования оптимизированных по химическому составу многокомпонентных рецептур продуктов нового поколения.

Перечень публикаций по теме диссертации

1. Голубев В.Н.,Леонор Бустинса Биохимическая характеристика белковой культуры Chenopodium quinoa (кинуа). Сб.» Актуальные проблемы медицинской экологии», Орел, 1998, с.105-107.

2. Бустинса Леонор Сегунда, Голубев В.Н. Технология белковых продуктов из зерна кинуа. Сб. « Современные проблемы в пищевой промышленности», М.,МГЗИПП, 1999, вып.4, с.234-236.

3. Леонор Бустинса, Голубев В.Н. Характеристика биологически активной добавки и ее использование при производстве некоторых продуктов. Сб.» Современные проблемы в пищевой промышленности», М.,МГЗИПП.,вып.4, с.238-242.

4. Голубев В.Н.,Леонор Бустинса. Энзимная технология переработки зерна кинуа. «Биотехнология и управление», 1999, т.7, вып. 1-2, с. 78-81.

5. Голубев В.Н.,Наумов К.В.Леонор Бустинса, Научные основы создания продуктов питания с требуемым комплексом показателей пищевой и биологической ценности. Материалы Третьей межд. научн.-техн. конф. «Пища, экология, человек», М.,1999,т.1, с.75.

6. Golubev V.,Leonor Bustinsa de Carbo, Seed Storage Protein of Quinoa (Chenopodium quinoa). J. of Agr. And Food Chem., 1999, v.48, p.283-286.