автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.15, диссертация на тему:Научные и практические аспекты товароведной оценки качества растительных белков с применением гель-хроматографии в тонком слое

На правах рукописи

ГУРКОВСКАЯ ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТОВАРОВЕДНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ БЕЛКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕЛЬ-ХРОМАТОГРАФИИ В ТОНКОМ СЛОЕ

Специальность 05.18.15 - Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

10 ОКТ 2013

Москва - 2013

005534829

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» на кафедре «Аналитическая химия» и кафедре «Технология продуктов питания и экспертиза товаров»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Грузинов Евгений Владимирович доктор химических наук, профессор

Крашенинникова Ирина Геннадьевна доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского»

Иванов Александр Вадимович доктор химических наук, доцент Московский государственный университет им.М.В. Ломоносова, Химический факультет

Тырсин Юрий Александрович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Ведущая организация: ОАО Государственный научно-исследовательский институт «Синтезбелок»

Защита состоится « » декабря 2013 г. в на заседании Диссертационного совета Д 212.122.05 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского», по адресу: 109029, Москва, ул. Талалихина, д.31, ауд.13 (первый этаж)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского».

Автореферат разослан «ЗУ л сентября 2013 г.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайтах ВАК РФ Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation/ и МГУТУ им К.Г. Разумовского:

http://mgutm.ru/graduates-and-doctors/dissertation-councils/d%2012.122.05.php

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.т.н., доцент

Козярина Г. И.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Качество питания сегодня рассматривается как фактор национальной безопасности, поэтому товароведная оценка растительного сырья продуктов питания, определение химического состава, строения и структуры является актуальной задачей. Товароведение как наука непрерывно развивается, что выражается, в частности, в появлении новых, научно обоснованных товароведных показателей, количественно характеризующих свойства сырья и продовольственных товаров. Особое место при этом занимает оценка содержания и комплек-сообразования белков, так как белки являются важнейшим фактором пищевой ценности продуктов питания.

Растительные белки являются составной частью многих продовольственных товаров. Поэтому установление еще одного количественного товароведного показателя растительных белков - молекулярной массы, наряду с их аминокислотным составом, содержанием витаминов, минеральных веществ и т.д., является весьма актуальной задачей.

В настоящее время важным и эффективным способом определения молекулярных масс (ММ) белков является метод гель-хроматографии. Он отличается рядом полезных характеристик: независимостью от рН, температуры, сохранением нативных состава и структуры биополимеров. Метод существует в двух вариантах - колоночном и тонкослойном.

Более широко применяется первый вариант (колоночная гель-хроматография), но он имеет ряд недостатков: использование больших количеств анализируемого вещества, сравнительно дорогих материалов и длительность аналитического процесса. Тонкослойная гель-хроматография (ТСГХ) более чувствительна, требует минимального количества реагентов (граммы, микрограммы), аналитический процесс осуществляется в течение нескольких часов. Процедура анализа своеобразна, отличается и от техники колоночной гель-хроматографии и от техники обычной

В мировой литературе имеются ссылки на работы в области исследования белков злаков с использованием колоночной ГПХ. Сравнительно небольшой опыт применения ТСГХ для целей гистохимии и биохимии (иммунно-ферментный анализ) освещен в работах Г. Детермана, В. Иоханссона. В нашей стране известны работы Б. Беленького в области тонкослойной гель-хроматографии полимеров. ТСГХ преимущественно занимались медики, что, вследствие игнорирования ими профессионального химико-аналитического подхода, ограничивало возможности всестороннего развития этого гибкого и многообещающего метода. В других отраслях метод, к сожалению, не получил достаточного развития и применения, и почти совсем не использовался в химическом зерноведении и физико-химии зерна, хотя с точки зрения информации, ТСГХ является чрезвычайно привлекательным методом оценки, так как позволяет проводить всесторонние исследования.

Настоящая работа посвящена актуальным вопросам товароведного и аналитического исследования растительных белков в связи с проблемами их качества, технологии промышленной переработки и использованием в соответствующих отраслях пищевой промышленное™.

тех.

Цель исследования заключалась в разработке научных и практических аспектов товароведной оценки качества растительногр сырья на основе нового объективного товароведного показателя качества с применением модифицированного метода гель-хроматографии в тонком слое.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать методологию определения молекулярной массы растительных белков как объективного товароведного показателя их качества;

- разработать модель модифицированного процесса ТСГХ, изучить массооб-мен и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков с учетом особенностей диффузионно-сорбционной кинетики, структуры сорбента, угла наклона, скорости подвижной фазы (ПФ), времени эксперимента;

разработать методологаю и алгоритм модифицированного метода ТСГХ, адаптированного к товароведной оценке качества растительных белков;

изучить особенности процесса ТСГХ, оценить достоинства модифицированного метода по показателям разрешающей способности, диапазону разделения низкомолекулярных и высокомолекулярных белков и относительной молекулярной массы (ММ), и оптимизировать условия товароведной оценки растительных белков;

обосновать и разработать объективный товароведный критерий количественного анализа качества растительных белков;

изучить возможность применения модифицированного метода ТСГХ в технологии получения лейкозина из муки зародышей пшеницы (МЗП);

обосновать целесообразность использования объективного товароведного показателя качества - ММ растительных белков в технологиях пивоварения;

оценить возможность использования белков, полученных из растительного сырья с помощью модифицированного метода ТСГХ, в технологиях эмульсионных продуктов;

разработать нормативную документацию с учетом разработанного нового объективного товароведного показателя качества растительных белков и провести промышленную апробацию модифицированного метода и соответствующих технологий;

Научная концепция исследования заключается в совершенствовании методологии системного подхода к товароведной оценке качества растительного сырья с применением нового интегрального показателя на базе модифицированного метода ТСГХ.

Научная новизна. На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований:

- предложен новый объективный товароведный показатель качества растительных белков - молекулярная масса и разработана методология определения этого показателя методом ТСГХ в модификации автора;

- разработана математическая модель процесса ТСГХ, изучен массообмен и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков в процессе ТСГХ.

- обоснованы закономерности формирования хроматографических зон (ХЗ) в процессе ТСГХ на примере полиэтиленгликолей (ПЭГ);

- выявлены особенности метода ТСГХ как гидравлической системы и установлен параметр оптимизации скоростных режимов для конкретной модели потока - угол наклона камеры;

- обоснованы условия формирования ХЗ для растительных белков в зависимости от диффузиошго-сорбционной кинетики процесса и осуществлена их классификация;

- изучен механизм конформационных преобразований и установлено их влияние на фазовые переходы типа "глобула-клубок" в молекуле растительного белка при использовании модифицированного метода ТСГХ;

- разработан оригинальный методологический подход к определению состава растительных белков, который заключается в оптимизации условий анализа низкомолекулярных и высокомолекулярных фракций с применением модифицированного метода ТСГХ;

- определена функциональная зависимость количественных соотношений белковых фракций в зависимости от значения рН подвижной фазы элюента и сортовых особенностей растительного сырья;

- установлены закономерности распределения белковых фракций (низко- и высокомолекулярных) по классификационному пргонаку в зависимости от вида сырья и его качества;

- изучена возможность применения метода ТСГХ в прикладных биотехнологиях для определения качества растительного сырья и продуктов на его основе, в частности, при производстве пива, майонеза и ванильного десерта.

Практическая значимость.

- разработан новый объективный товароведный показатель качества растительных белков - молекулярная масса, который внесен в качестве основного критерия в нормативную документацию - ТУ-9143-022-56529037-13 и может служить достоверным критерием при определении степени фальсификации растительного сырья и продуктов его переработки;

- предложен оригинальный методологический подход, методика инструментального обеспечения для оценки качества белковых фракций растительного сырья на основе модифицированного автором метода ТСГХ, которая применяется в учебном процессе в виде методических указаний при подготовки специалистов и магистров, а также в таможенной практике при определении возможной фальсификации зернонродуктов;

- установлена возможность аналитической оценки белкового и клейковинно-го комплексов пшениц, прогностической оценки качества зерна и муки по составу образующих ее белков, позволяющей контролировать качество и уровень фальсификации исходного сырья и конечного продукта на предприятиях пищевой промышленности (Акт апробации результатов диссертационного исследования от 16.02.2006 г. прилагается);

- разработанный модифицированный метод ТСГХ используется для анализа высокомолекулярных фракций гордеина и глютелина ячменя, определяющих качество пивоваренной продукции, взамен традиционно используемого электрофорети-ческого метода в совокупности с колоночной ГПХ (Акт промышленной апробации от 23.11.2005 г.);

- по результатам исследований определена функциональная зависимость количества определяемых фракций в отношении рН и установлены сортовые различия в составах белковых комплексов пшениц и ячменей, что позволяет моделировать и адаптивно управлять технологическим процессом производства пива в зависимости от белкового состава, что повышает экономическую эффективность процесса пивоварения и улучшает органолептические показатели готовой продукции (Акт апробации на ОАО «Останкинский пивоваренный завод»);

- получен эффект устойчивого пенообразования и стабильности пивной пены при использовании смеси лейкозина ячменного зерна и лейкозина солода, полученных с помощью модифицированного метода ТСГХ (Патент РФ 2470992);

- разработаны рецептуры и технологии новых пищевых продуктов на основе лейкозина - белка муки зародышей пшеницы с оптимальным соотношением рецептурных компонентов: способ производства десерта в виде соуса ванильного сладкого (Заявка № 2012150239; положительное решение от 25.12.2012), выпущена опытная партия продукта (Акт апробации о выпуске ванильного десерта от 12.04.2013); майонез «Белковый» и способ его получения (Заявка № 2013118572; положительное решение от 14.06.2013), разработано ТУ-9143-022-56529037-13 на майонез «Белковый». Разработана технологическая инструкция (ТИ) по выпуску данной партии майонеза. Согласно ТУ и ТИ осуществлено промышленное производство майонеза (Акт о выпуске промышленной партии майонеза «Белковый» от 28.08.2013 г. прилагается). Результаты промышленной апробации показали повышенную стойкость при хранении нового продукта по сравнению с майонезом «Провансаль», которая обусловлена снижением доли яичного порошка, являющегося питательной средой для развития микроорганизмов, отсутствием расслоения эмульсии, улучшением органолептических показателей и упрощением технологического процесса в целом.

- результаты теоретических и экспериментальных исследований были успешно апробированы в производственных условиях для оценки и контроля качества исходного сырья и готовой продукции, отслеживания динамики качественных показателей в процессе хранения и оптимизации технологических процессов в ОАО «Останкинский пивоваренный завод», ОАО «Истра-Хлебопродукт», ОАО «Вязьминский мелькомбинат», мельзавод № 2, мелькомбинат № 4, Комбинат питания МГТУ им. Баумана научно-производственная фирма НПКФ «ДекосТ», (Акты промышленных испытаний прилагаются).

Личный вклад соискателя. Личное участие автора являлось основополагающим на всех стадиях работы и состояло в формировании научных направлений, постановке задач и целей исследования, организации эксперимента, анализе и обработке результатов, подготовке материалов к опубликованию, проведению производственных испытаний. Личный вклад автора состоял в анализе международного опыта; выявлении проблемных вопросов и путей их решения; разработке структуры и схемы проведения исследований, организации, проведении и обобщении результатов теоретических исследований, анализе полученных экспериментальных результатов; автором разработана концепция совершенствования методологии системного подхода к товароведной оценке качества растительного сырья, применен функционально-логический подход к оценке взаимозависимостей множества фак-

торов, объединенных, единой целью - обеспечить качество исходного сырья и продуктов на основе его переработки, предложены критерии, позволяющие контролировать степень фальсификации растительного сырья; при разработке патентных решений по оптимизации проблемных этапов качества пищевых продуктов автором определены направления научно-технических исследований и способы достижения положительных эффектов, разработан новый объективный показатель качества растительных белков - молекулярная масса, который внесен в качестве основного критерия в нормативную документацию.

Основные положения, выносимые на защиту:

методология товароведной оценки качества растительного сырья с применением нового интегрального показателя - молекулярной массы и объективного метода ТСГХ в модификации автора;

физико-химические закономерности анализа качества растительных белков с применением ТСГХ;

алгоритм химико-аналитического сопровождения концепции обеспечения товароведной оценки качества и безопасности пищевых продуктов в условиях современного производства;

- технологические решения, позволяющие моделировать и адаптивно управлять технологически процессом производства пищевых продуктов в зависимости от белкового состава используемого сырья.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных симпозиумах, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, семинарах и школах: Всесоюзной конференции "Применение хроматографии в пищевой, микробиологической и медицинской промышленности" (Геленджик, 1990), Всесоюзной конференции по аналитической химии органических веществ (Москва, 1991), Российском семинаре "Аналитические методы контроля пищевых продуктов" (Москва, 1991), Международной конференции по хроматографии (С.Петербург, 1992), Московском семинаре по аналитической химии (Москва, 1995), 2-ом Международном симпозиуме "Хроматография и спектроскопия в анализе объектов окружающей среды и токсикологии" - ISCSE "96 (С.-Петербург, 1996), Российском научно-производственном семинаре "Современное состояние теории и практическое применение метода ТСХ" (Москва, 1996), Международном симпозиуме "Инструментальная аналитическая химия и компьютерные технологии", lncom"97 (Дюссельдорф, 1997), Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 1997), Международной научно-технической конференции "Приоритетные технологии в пищевой промышленности (Москва, 1998), Международной конференции "Будущее за новыми технологиями" (Меяеуз, 1999), 5-ой Международной научно-практической конференции "Современные проблемы в пищевой промышленности" (Москва, 1999), Российском научном семинаре "Современные проблемы пленарной хроматографии " (Москва, 2000), на VIH Всероссийском симпозиуме по молекулярной жидкостной хроматографии и капиллярному электрофорезу (Москва, 2001), на Всероссийском симпозиуме "Современные проблемы хроматографии" (Москва, 2002), на VIII Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы в развитии пищевой промышленности и стандартизации пище-

вых продуктов" (Москва,2002), на IX Международной научно-практаческой конференции "Стратегия развития пищевой промышленности" (Москва, 2003), на Международном симпозиуме "100 лет хроматографии", "SBS '03", (Москва, 2003), на Всероссийском симпозиуме "Хроматография и хроматографические приборы" (Москва, 2004), на Всероссийской конференции "Аналитика России" (Москва, 2004), на Международной конференции «Физико-химические основы новейших технологий XXI века» (Москва,2005), на Международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии» (Москва,2006), на Всероссийском симпозиуме «Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях» (Москва, 2007), на Всероссийской конференции «Химический анализ» (Москва, 2008), на XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград,2011), на III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» с международным участием (Краснодар,2011), на Всероссийском симпозиуме «Кинетика обменных процессов», (Краснодар,2012), на I-Ш Международных межвузовских конференциях «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания», (Москва, 2010-2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 130 научных работ, в том числе 3 монографии, 69 статей, в том числе 29 статей из списка, рекомендованного ВАК. По материалам диссертации получено три патента РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения (литературный обзор), восьми глав, заключения, выводов, списка литературы (337 источников, в том числе 132 иностранных) и приложений. Работа изложена на 343 страницах, содержит 100 рисунков и 73 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Обзор литературы

Глава посвящена обзору информационных источников по проблеме использования гель-хроматографии для исследования белков. Отмечено недостаточное использование в биохимическом контроле экспрессного и экономичного метода ГХ, дающего широкий спектр знаний о качественном составе биополимеров и природе макромолекулярных реакций. Проанализированы результаты оценки биохимического состава злаков и оценено его влияние на параметры технологического процесса и качественные показатели традиционной пищевой продукции. Приведено описание метода ТСГХ и подробно охарактеризованы виды сорбентов, используемых в гель-хроматографии. Проанализированы • параметры процесса ТСГХ, учитывающие своеобразие динамики микросистемы и факторы, определяющие режимы разделения. Приведены результаты анализа эффективности процесса гель-хроматографии.

2. Объекты и методы исследования

Объектами исследования являлись: пшеничное зерно (содержание белка -12%) рядовых (1 кл.) и сортовых пшениц (Саратовская 46 - 11 кл.), Мироновская 808 - 1 кл.), пшеничная мука высшего сорта (содержание белка -10,3% ), 1-ого, 2-ого сортов (содержание белка -11-12 %), полученная на мельничной установке ФЕБ «Нагема», пшеничный зародыш, зерно ячменя (содержание белка 10,3 %) сортов:

Рудик, Юбилант, Биос-1, Крона; ячменная мука (содержание белка -8,3%) и ячменный солод (содержание белка -6,5%), полученный из этих сортов; зерно кукурузы (содержание белка - 10,3%), рожь (содержание белка -9,9%) и ржаная мука сеяная (содержание белка - 6,9%), мука обдирная (содержание белка - 10,7%); пиво сортов: «Московское» (Россия), «Пльзень» (Чехия), «Живец» (Польша).

Полученные с помощью модифицированного автором метода ТСГХ высокомолекулярные фракции ячменного зерна - гордеин и глютелин являлись объектами исследования в качестве составляющих качества пива. Качество гордеина и глюте-лина ячменя оценивали с помощью следующих методов исследования: ультрацен-трифугировапие, колоночная гель-хроматография, электрофорез, изоэлектрофоку-сировапие, тонкослойная гель-хроматография.

В качестве источника получения низкомолекулярного белка лейкозина использовали муку зародышей пшеницы (содержание белка - 25-37%). Белок лейко-зин выделяли из муки зародышей пшеницы методом экстракции. Для анализа качества лейкозина использовали методы ультрацентрифугирования, электрофореза и гель-фильтрации.

Для разработки новых и совершенствования существующих видов продуктов - белкового майонеза, ванильного десерта и нива - использовали методы моделирования, модифицированный автором метод ТСГХ; определение аминокислотного состава осуществляли помощью автоматического аминокислотного анализатора фирмы Hitachi CLA-5, определение вязкостных свойств лейкозина определяли на ротационном. вискозиметре «Реотест-2» при 20°С. Эмульгирующую емкость белков рассчитывали как отношение количества неполярной фазы в точке инверсии к массе белка Е, = FV(C-V)-

Массовую концентрацию витаминов определяли в соответствии общепринятыми стандартными методами. Массовую концентрацию содержания витаминов В,, В2 ,Вб, В|2 и С, а также витаминов A, D, Е в белках определяли согласно МУК Р.4.1.1672-03. Массовую концентрацию витаминов В?, В5, В9 оценивали согласно ФСНД 42-3750-5384-01.

Токсичные элементы анализировали в соответствии с общепринятыми стандартными методами согласно СанПиН 2.3.2.1078-01 (индекс 1.4.4.). Массовую концентрацию кадмия и свинца определяли согласно МУК 4.1.986-00, массовую концентрацию мышьяка оценивали по ГОСТ Р 51766-2001, а ртути - по ГОСТ 2692786. Минеральные вещества определяли по ГОСТ 26928-86, микробиологические показатели белка лейкозина - согласно ТУ 9295-014-18062042-96.

Отбор и подготовку проб для определения микробиологических показателей проводили согласно ГОСТ 26668-85, ГОСТ 26669-85. Количество мезофильных анаэробных микроорганизмов определяли по ГОСТ 10444.15-94, наличие бактерий группы кишечной палочки (БГКП) - по ГОСТ Р 52814-07, дрожжей и плесневых грибов - по ГОСТ 10444.15-94, патогенных, в том числе, сальмонелл - по ГОСТ Р 52814-07.

Для исследования водопоглатительной способности белка лейкозина использовали следующие приборы и оборудование: весы электронные «Сартогосм», максимальный вес 150 г (ISO 9001); фильтровальная бумага ТУб-09-1678-95; бюкс КЛП ГОСТ 1770-64; градуированная пипетка ГОСТ 20292-74 2 KJIO; термометр.

Водопоглощеггие муки рассчитывали по формуле: Х=( Р2- Р1 )/Р) *100%, где Р2 -вес влажной навески белка; Р/ - вес сухой навески белка.

Пробоподготовка и идентификация исследуемых веществ осуществлялась применением сорбентов Сефадекс «суперфайн» в - 50, в - 75, в -100, в -150, в -200 фирма «Фармация», Швеция. В работе использовалась герметичная камера их полиэтилена высокой плотности. Для анаяша применяли стеклянные пластины размером 100x200 и 200x200 мм. Угол наклона (Р) изменялся в диапазоне 5-25°. Пробы наносили на стартовую линию стеклянным капилляром 1-5 мкл (100 - 500 мкг) (диаметр пятна 2-4-мм), затем устанавливали пластину в камеру с заданным для опыта углом наклона и соединяли фильтровальными носителями с элюентом. Угол наклона камеры варьировали в диапазоне 10 - 20". При разработке методики модифицированного метода ТСГХ в качестве стандартов впервые в качестве эталона применили полиэтиленгликоли (ПЭГ) с ММ 200, 300, 6001000, 2000, 4000, 15000, 35000, 40000 (фирма «Мерк»). Растворы ПЭГ наносили в количестве 1-5 мкл, в концентрациях, приготовленных растворением 0,1 г и 0,2 г ПЭГ в 4 мл ди-стиллированой воды.

Для калибровки исследуемых белков по значению логарифма их ММ применялись белки-маркеры: инсулин цепи Б (6000), рибонуклеаза (из поджелудочной железы крупного рогатого скота 13700) (Венгрия), химотрипсин (25000), альбумин яичный (43000), сывороточный бычий альбумин (68000). Беяки-маркеры растворяли в дистиллированной воде (0,2 мг белка в 1-3 мл воды) с добавлением 0,1н НС1 (по каплям).

Результаты разделения переснимали на хроматографическую бумагу \Vatman 3 ММ (Германия) с последующим детектированием белков: маркерный декстран голубой 2000 (фирма «Серва», ФРГ), красители- кумасси ярко голубой Р-250 и в-250 (фирма «Серва»), амидочерный 10Б (фирма «Реанал, Венгрия). Раствор 0,02%-ного амидочерного 10Б применяли в смеси этанол : уксусная кислота : вода (5:4:1) для детектирования белков. Бумажные реплики высушивали в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 5-10 мин., а затем отмывали в той же смеси без красителя. Количественную оценку осуществляли на денситометре «Ден-Скан 1 НПЦ «Ленхром», сканнерах «БЫтасЬу С8-920», «Саггод», «Сапод-2».

Суммарные белки злаков пшеничного зерна и пшеничной муки экстрагировали 0,2%-ным раствором едкого натра в 50%-пом этаноле.

Фракционные белки - пшеница; рожь; кукуруза; пшеничная мука высшего, 1-го, 2-ого сортов экстрагировали дифференцирующими растворителями по схеме Осборна, с последовательным извлечением альбуминов, глобулинов, проламинов и глютелинов, соответственно, дистиллированной водой (5мл), 0,5 М раствором хлорида натрия (3,5мл), 70%-ным раствором этанола (4,0мл), 0,1 М раствором уксусной кислоты (4,0мл) или 0,2%-ным раствором ИаОН (3,5мл); ячмень - по модифицированной схеме Осборна: дистиллированной водой (6 мл), 10%-ным раствором хлорида натрия или 5%-ным раствором сульфата калия (3,5мл), 70%-ным, раствором этанола, с предшествующей обработкой 40%-ным раствором этанола (по методу Поллока), с целью удаления антоцианогенов (3,0мл) и 0,2%-ным раствором ЫаОН (2мл).

Фракционные белки солода экстрагировали дистиллированной водой (5 мл), 10%-ным раствором хлорида натрия (3,5мл), 70%-ным раствором этанола (3,5мл), 0,2%-ным раствором №ОН (Змл) или 4 мл концентрированной аскорбиновой кислоты (10%-ный раствор). Время экстракции на каждом этапе составляло 30- 40 минут при температуре 22-50°С (при получении фракций эдестина температуру повышали до 70°С). В качестве элюирующих систем применяли дистиллированную воду (рН 7,0), слабые солевые растворы (8% №С1); фосфатно-буферные растворы (рН 9,1; рН 8,5; рН 8,0; рН 6,8; рН 5,8; рН 4,5).

Выбранная система пробоподготовки обеспечивала хорошую воспроизводимость и селективность результатов.

Общая схема организации исследований представлена на рисунке 1.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

3.1. Разработка методологии определения молекулярной массы растительных белков как объективного товароведного показателя их качества

В качестве нового товароведного критерия качества растительных белков нами предложено использовать показатель ММ, который может служить индикатором идентификации белка. Установлено, что возможности определения молекулярных характеристик белков существенно расширяются при наличии линейной зависимости удерживаемого объема (V/) от логарифма ММ биополимера (Д7М). В отличие от нелинейной зависимости, такая связь позволяет рассматривать хроматограмму как зеркальное отображение ММР анализируемого образца в логарифмическом масштабе. В результате упрощается и ускоряется обработка результатов исследований и появляется возможность калибровки хроматографической системы, что улучшает интерпретацию хроматограммы в ММР.. ММ можно определять с помощью различных методов - колоночной ГПХ, электрофореза, диализа, скоростной седиментации, хроматографии на целлюлозных сорбентах и др. Наиболее эффективным методом определения ММ является метод тонкослойной гель-хроматографии, который в силу недостаточной идентификационной способности не получил должного распространения в физикохимии пищевых продуктов. В нашей работе предпринята попытка модификации методах целью его широкого использования в товароведной экспертизе и прикладных биотехнологиях. В модифицированном варианте ТСГХ вместо объема выхода ( V) длину пробега исследуемого вещества относят к пути, пройденному стандартным веществом, а точность определения ММ (по сравнению с колоночной хроматографией) компенсируют статистической обработкой повторных результатов ряда параллельных опытов. Вид логарифмических зависимостей длины пробега от ММ белков-маркеров представлен на рис. 2,3.

Научные и практические аспекты товароведной оценки качества растительных белков с применением гель-хроматографии в тонком слое

Методология товароведной оценки качества растительного сырья

с применением нового интегрального показателя • молекулярной массы

х

Физико-химические закономерности анализа качества растительных белков с применением ТСГХ

X

Алгоритм химико-аналитического сопровождения концепции обеспечения товароведной оценки качества и безопасно-' сти пишевых продуктов в условиях современного производства

Технологические решения, позволяющие моделировать и адаптивно управлять технологическим процессом производства пищевых продуктов в зависимости от белкового состава используемого сырья

Разработка методологии инструментального метода ТСГХ, адаптированного к новой товароведной оиенке качества растительных Капков

л_

Разработка математической модели процесса ТСГХ

Модифицированные показатели разрешающем способности метода

Анализ стандартных белков н проблема идентификации исследуемых вешеств

Контроль качества ИСХОДНОГО сырья II конечного продукта

Классификация растительных белков по значению относительно// молекулярной массы - нового товароведного критерия качества

Исследование растительного сырья на основе нового товароведного показателя качества - молекулярной массы

Массообмсн и факторы. определяющие физико-химические закономерности анализа белков

Условия формирования хроматографи веских зон

Диффузнонно-сорбционная кинетика процесса ТСГХ

Гидравлическая система замкнутого _цикла

Параметр оптимизации для конкретной модели потока

Обоснование объективного товароведного показателя качества - ММ растительных белков в технологиях пишевых производств

Анализ существующих методов оиенкн качества растительных белков

Разработка методологических подходов

Разработка модели процесса ТСГХ

Параметры пронесся ТСГХ

X

Фальсификация растительного сырья и продуктов его переработки

Аналн» низко- и высокомолекулярных белков методом ТСГХ

П рогностн чсская оценка качества зерна и муки

Исследование гор-леина и глютелина зерна ячменя

Влияние рН среды элюента на эффективность процесса ТСГХ

т

Оиснка безопасности и контроль качества пищевого сырья и продуктов переработки

Модифицированный метод ТСГХ, новый товароведный критерии - ММ

I

Методология анализа качества растительного белкового сырья с применением модифицированного метода ТГСХ

X

Обоснование возможности применения метода ТСГХ в прикладных биотехнологиях

Контроль качества растительного сырья и продуктов на его основе

X

Применение белков, полученных из растительных сырья С ПОМОЩЬЮ модифицированного метода ТСГХ в технологиях производств

Разработка новых рецептур и технологии пишевых продуктов на основе лейкозина - белка муки зародышей пшеницы (МЗП)

Промышленное производство пива

Промышленное производство майонеза

Промышленное производство ванильного десерта

Методика оценки качества, безопасности и степени фальсификации растительного сырья

Новые виды продуктов и технологий

х

Разработка нормативной документации на базе нового объективного товароведного показателя качества растительных белков и их

опытно-промышленная апробация

Рис. 1 Схема структурных исследований

Рис. 2. Зависимость длины пробега Я от ^ рис. 3. Зависимость длины пробега Я от ^ ММ стандартных белков на 0-75 «в!"». М80 ММ стандартных белков на О-ЮСк^». I-180 мин.р: (1)-100,(2)-12°,(3)-150, (4)-18°, (5)-20°. мин.р: (1)-10°,(2)-120,(3)-15°,(4)-180, (5)-20°.

Изучено влияние внешних факторов - температуры, рН, ионной силы раствора, присутствия органических растворителей (8М мочевина или гуанидингидро-хлорид) на эффективность фазовых переходов типа «глобула-клубок». Показано, что вышеназванные факторы являются доминантными в процессе «развертывания» белковой молекулы в процессе ТСГХ.

Изучены особенности взаимодействия параметров модифицированного процесса ТСГХ, вязкости, гидродинамической характеристики ПФ, равновесных состояний атомов и диффузионно-сорбционной кинетики - при которых наблюдается «разворачивание» полипептидной цепи. Особенность ТСГХ-процесса заключается в том, что процесс разделения макромолекул определяется равновесными параметрами и основан на энтропийном эффекте. Молекулы избирательно распределяются между фазами хроматографической системы с коэффициентом межфазного распределения К^. Величина зависит от соотношения радиуса пор сорбента (г) и гидродинамического радиуса макромолекул (1?^~М[г1]|/3), К^ =АТУг). В результате этого в ТСГХ реализуется УКЗ Бенуа, основанная на том, что разделение полимеров происходит в соответствии с их гидродинамическими размерами (объемами -

V,,).

Своеобразие динамики микросистемы «сорбент - подвижная фаза» заключается в том, что с одной стороны ПФ подчиняется законам гидравлики, а с другой -на кинетику химических процессов оказывает влияние капиллярная структура сорбента, поэтому перемещения и силовые воздействия фиксируются косвенно по конечному результату.

3.2. Разработка модифицированной модели процесса ТСГХ. Массообмен и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков с учетом особенностей диффузионно-сорбционной кинетики процесса

На рис. 4 схематично изображена разработанная нами модель рабочего процесса ТСГХ. На стеклянную пластину (6), покрытую слоем (от 0,5 до 1,0 мм) сорбента (3), подается элюент из специального резервуара (1) в верхней части рабочей

камеры и отводится в нижний резервуар (5) с помощью специальной пористой бумаги за счет ее капиллярных свойств. Пластина расположена под углом (Р) к горизонту. Нанесение исследуемого вещества производится на линии старта (2). Пластина по боковым сторонам снабжена ограничителями высоты слоя сорбента (4). Представленную модель можно рассматривать как гидравлическую микросистему с замкнутым циклом.

Эффективность разделения зависит от параметров процесса: скорости потока, вязкости, массообмена, размера и конфигурации капилляров и их сечений, которые при определенных условиях являются интегральной характеристикой слоя сорбента.

Для обоснования техники выполнения модифицированной ТСГХ была разработана рабочая камера, выполненная из полиэтилена высокой плотности с герметичным покрытием из органического стекла и отверстием для нанесения образцов. Рабочая часть камеры подвижна, снабжена устройством для фиксации под заданным углом наклона р, имеет верхний и нижний резервуары, между которыми находится поверхность с фиксирующим зазором для установки пластин.

Критерием выбора оптимальных параметров процесса предложено считать скорость потока в зависимости от марки сорбента. Угол наклона камеры варьировали в диапазоне 5 - 25°. Для этих целей использовали следующие виды сорбентов: Сефадекс й - 50, в - 75, О -100, в -150, й - 200 «суперфайн». В качестве элюиру-ющих систем применяли дистиллированную воду, 0,05М фосфатный (рН 7,0) и щелочные буферные растворы (рН 8,5; рН 8,0;). В камере проводили исследование ПЭГ с ММ от 200 - 40000, приготовленными растворением 0,1 и 0,2г анализируемого ПЭГ в 2-4 мл дистиллированной воды. Пробы наносили капилляром 1 -3 мкл (100 - 300 мкг). Сорбент наносили на тщательно очищенную с помощью ПАВ стеклянную пластину (200x200 мм), обработанную этанолом (96%). Готовая пластина помещалась в рабочую камеру и выдерживалась в течение 1 -4 часов при заданном угле наклона для получения постоянной скорости потока. Результаты разделения переснимались на хроматографическую бумагу П11гак РЫ РЫ 7, И11гак РЫ 3 (Германия) и детектировали в камере с парами йода после высушивания реплики в сушильном шкафу в течение 20-30 минут при 1100°С.

Опытным путем установлено, что равномерная толщина слоя сорбента обеспечивает равные объемы выхода, которые в ГХ являются линейной функцией от логарифма ММ.

21

Рис. 4. Общая модель процесса ТСГХ Ь - длина пластины, Ь - ширина пластины, Ьс - толщина слоя, р - угол наклона камеры

характеризуют геометрический напор,

и - скорость ПФ; ] ;5-резервуары для ' ^ заполнения элюентом, 2 - линия старта,

3 -рабочая поверхность пластины, ■1 4 - ограничители толщины слоя, 6-стеклянная подложка.

Массообмен в ТСГХ является одним из основных факторов эффективности процесса. Известно, что скорость ПФ в капиллярах зависит от структуры сорбента, скорости потока, концентрации и вязкости. При радиусе пор Ю^м наблюдаются пуазейлевские явления, поэтому в разработанной нами модели для ламинарных потоков с небольшим диаметром капилляров и малых скоростях течения распределение скоростей может выглядеть следующим образом (рис.5).

Скорость потока ПФ в капиллярном канале для ламинарных течений с учетом фактора вязкости определяется по формуле (1): .. mg sin 0(R2 - r~)

£/=—-—---Cl)

4 r¡L '

Из выражения (1) видно, что скорость потока в любой точке капилляра является параболической функцией радиуса - г, подтверждая наличие пуазейлевских явлений при течении вязких жидкостей по капиллярам, в подавляющем большинстве имеющих эллипсоидные сечения, а также - более сложной формы.

Рис. 5. Влияние вязкости на скорость ПФ в капиллярных каналах. А-А - центральная ось капилляра (условно); U - скорость подвижной фазы; L — элементарный участок между сечениями В, и В2; R - радиус капилляра; (r+dr) - внутренние радиусы концентрических цилиндров; р - угол наклона центральной оси потока; т) - коэффициент пропорциональности, характеризующий вязкость.

Если предположить, что межблочный канал имеет поперечное сечение в форме круга, то эпюра скоростей в вязкой среде имеет пуазейлевский профиль, и при перемещении молекул белков, (1,2,3), имеющих длинноцепочечную форму (АВ), скорость ПФ постоянна (рис.6). Молекула «2», ориентированная перпендикулярно потоку, с максимальным сопротивлением ПФ, не испытывает растягивающего усилия и Ра и Рь обращаются в нуль, а <3а и (}Ь - максимальны и может совершать вращательно-поступательные движения. Молекула «3» ориентирована вдоль потока ПФ с минимальным сопротивлением потоку и совершает поступательное движение. Составляющие Ра и РЬ практически равны между собой (при ср = 0) и равны Ра и РЬ, а растягивающая сила обращается в нуль. " ....................ншд

Рис. 6. Влияние фактора вязкости на разрыв внутримолекулярных связей в молекулах белка.

Наиболее вероятное положение молекулы в вязкой среде, при которой возможен ее разрыв, возникает при вращении молекулы из положения молекулы «2» в положение молекулы «1», когда растягивающее усилие возрастает и достигает максимума при расположении молекулы под углом <р = 45°.

Для характеристики хроматографического метода как гидравлической системы воспользуемся уравнением Д. Бернулли. Модифицированный метод ТСПС имеет все элементы гидравлической системы, но, в силу своей специфики, из полного уравнения Д. Бернулли исключены члены уравнения, характеризующие пьезометрическое давление из-за их равенства, и члены, характеризующие скоростной напор, из-за их малых величин.

Если принять Ъ-± =0 (рис.4), а суммарные потери на участке 1-1 и 2-2 равные ЕНп, то уравнение Д. Бернулли, с учетом всех поправок, для представленной хро-матографической модели, примет вид:

Таким образом, полученное выражение (2) является частным случаем уравнения Бернулли для конкретной модели потока. Следует отметить важное практическое значение параметра Ъ, изменяя который можно в определенных пределах регулировать хроматографический процесс, добиваясь его оптимальной эффективности, т.е. осуществлять адаптивное управление процессом ТСГХ.

В разработанной модифицированной модели процесса ТСГХ поведение молекул определяет соотношение между диффузионными и сорбционными взаимодействиями (рис. 7), что подтверждают эксперименты с ПЭГ.

Совмещенные зоны ПЭГ представлены на рис. 8 и 9.

Области с преобладанием сорбционных взаимодействий характеризуются расположением ХЗ ПЭГ с небольшими значениями ММ и имеет форму, близкую к форме круга. Вторая характерная область формирования ХЗ ПЭГ, близкая к эллипсу, происходит вследствие диффузии и фильтрации. Состояния, имеющие признаки сорбционных и диффузионных взаимодействий можно охарактеризовать как промежуточные. К ним относятся ХЗ ПЭГ с ММ 1000 и 2000 на О - 50 (рис. 8) и ХЗ ПЭГ с ММ 4000 на в - 100 (рис. 9).

(2)

-Г

Рис. 7. Общая схема процесса молеку-лярно-массового распределения (ММР) биополимеров и формирования хромато-графических зон в ТСГХ.

С-50

Г

линия стлрт'а

.1инкя старта

5ч24-0ИИН; г •. <

15°160мин ^ Л /

в-ЮО

35000 «юпо юоо 300 10000 2000 боо 200

2517ЙМИН __. ^ | Ы чО. $ топаомин ~Г р, -3-

20:Шмин 157135ммн ( ' ■ '

Рис. 8 Особенности формирования ХЗ в зависимости от диффузионных, сорбциоиных процессов на С-50. р — 5°, 10°, 15°, I - 240, 160, 240 мин. ММ ПЭГ - 200, 300, 600, 1000 - сорбционные процессы; ММ ПЭГ - 2000, 4000, 15000, 35000 - диффузионно-фильтрационные процессы; ММ ПЭГ- 1000, 2000, 4000 - смешанные процессы (сорбци-онно-диффузионные)

Рис. 9. Особенности формирования ХЗ в зависимости от диффузионных, сорбциоиных процессов на О-100. (3-10°, 15°, 20°, 25°, I -170, 135, 110, 80,70 мин. ММ ПЭГ - 200, 300, 600, 1000 - сорбционные процессы; ММ ПЭГ - 2000, 4000, 15000, 35000 - диффузионно-фильтрационные процессы; ММ ПЭГ - 1000, 2000 - смешанное процессы (сорбционно-диффузионные)

Механизм и особенности формирования хроматографических зон белков можно описать системой уравнений Беленького-Виленчика (3).

А, с11 ах ск <1с\ ИГ \

¿с, ИГ -ЁУ. а, сН (3)

Л аг , V ' = Лгсг -лгс,. А - - >

ИГ а.. , , = —-Я..с,. -Л,с„ р. У У У У

Нами предложена система уравнений в виде разложения по координатам XX и У-У (4), что позволяет рассматривать частные случаи хроматографического процесса. Приведенная система уравнений описывает процесс хроматографического разделения за счет диффузионных и фильтрационных процессов, что возможно при относительно большой разнице в размерах молекул исследуемого вещества и сечений капиллярных каналов.

Л

с1 сх тт с/с

-т± + иАх)~Г

ах ах

с1с„ с1'с„ Л ■ с/у2

Для аналитического описания процесса формирования хроматографических зон было использовано каноническое уравнение эллипса (5):

В процессе ТСГХ конфигурацию хроматографической зоны можно определить по значениям осей эллипса а И Ь. Установлены частные случаи процесса ТСГХ:

а > Ь - зона имеет форму эллипса, вытянутого параллельно движения подвижной фазы;

а < Ь - зона имеет форму эллипса, вытянутого перпендикулярно движения подвижной фазы;

а = Ь - зона имеет форму круга.

Нами составлен атлас наиболее характерных хроматографических зон моле-

Рис. 10. Атлас характерных хроматографических зон молекул белков. 1,2,3,4,5,6 -варианты ХЗ

При отношении a^ < 1 наблюдается активизация диффузионных процессов по оси У-У, при этом ХЗ имеет форму эллипса, вытянутого в поперечном направлении (вариант 3, рис.10).

При отношении а/Ь = 1 наблюдается активизация сорбционных процессов и ХЗ имеет форму круга (вариант 2, рис 10).

При отношении а/Ь >1-3 или даже 4 снижается долевое участие диффузионных процессов и увеличивается роль конвективного фактора (вариант 1,4, рис. 10).

- По величине отношения диффузионной и конвективной составляющей, а/Ь, можно судить об особенностях формирования ХЗ более сложных форм (вариант 5,6, рис. 10).

Хроматограмма суммарных белков пшеничной муки (в -50, I = 75 мин., рН 7,0, р=12°) (рис. 11) показала ряд последовательно расположенных ХЗ эллиптической формы с продольно ориентированной большой осью, как и хроматограмма суммарных белков ячменей и его разновидностей (в -50,1 = 75 мин., рН 7 0 (5 = 12°) (рис. 12).

В ячменном зерне установлено наличие фракций пептидов с ММ от 2500 до 3600. Известно, что фракционный состав растительных белков идентичен, различия заключаются в количественном соотношении фракций белков. Исходя из этого положения, мы доказали, что ММ белков может служить корректным индикатором идентификации белков растительного происхождения.

2 3 4 5 6

* | ° 1 © 1

П с» Г О с

А и

, С , г- <■-. С.

Рис. 11. Хроматограмма Рис. 12. Хроматограммы на в -50: суммарных белков зерна суммарных белков пшенич- ячменя, муки и солода: а) сорт Рудик; б) сорт Крона; в) рядо-ной муки высшего, первого вой пивоваренный ячмень и второго сортов на С-50, (3=12°, рН - 7,0. Время разделения - 75 мин.

3.3. Разработка методологии и алгоритма инструментального метода ТСГХ, адаптированного к товароведной оценке качества растительных белков.

На рис.13 представлен алгоритм инструментального метода ТСГХ для качественного анализа растительных белков.

Преимущества модифицированного метода ТСГХ заключаются в следующем:

- поведение веществ в пределах обычных условий анализа не зависит от температуры, ионной силы и состава буферного растйора, разделение можно проводить в любых условиях;

- объем элюирования находится в прямой зависимости от ММ аналита;

- при определении ММ отсутствует необходимость в тщательной очистке образца;

- возможность параллельного сравнительного анализа исследуемых образцов.

3.4. Оценка модифицированного метода по показателям разрешающей способности, диапазону разделения низкомолекулярных и высокомолекулярных белков и относительной молекулярной массы

На основании разработанной методики, алгоритм которой приведен на рис. 13 провели идентификацию растительных белков с применением хроматографи-ческого анализа. При анализе суммарных белков пшеничного зародыша на в -100 получено две фракции с ММ 20000 и 26000, что указывает на возможное присутствие в пшеничном зародыше незначительного содержания низкомолекулярного глиадина. Для фракционных белков зерна рядовых пшениц на О-100 получено от 6 до 8 фракций (ММ 6500-25300) (М20 мин., рН 4,5). На в - 75 альбумины

разделились на 6 фракций с ММ 6000-23500, а глобулины на 3 фракции (ММ 20500,22000 и 24000), (t-180 мин., pH 4,5).

Выбор сорбента Се-фалекс (суперфаГш):

размер гранул 10-40 мкм.

- G-50,

- G-75. -G-100,

- G-150,

- G-200

Подготовка рабочей камеры:

- промывание дистиллированной Н2О; высушивание; наполнение буферным раствором.

• установка рабочей камеры под углом наклона -!0°-25'\

Л

Подготовка пластины к хроматопрафическому процессу:

- очистка с помощью растворителя (ПАВ);

- промывание дистиллированном Н20;

- сушка: I - 120"С; время 2-3-часа;

- опрыскивание этанолом (96и) перед нанесением суспензии.

ГТробонодготовка растительных белков.

- Экстракция общего белка: 0,5 г - Змл 0,2%-ного раствора №ОН в 50%-ном этаноле;

- Экстракция фракционных белков по схеме Осборна.

Подготовка сорбента для нанесения:

-замачивание сухого сорбента в буферном растворе;

-мл Н-.0/г сухого геля: С-50 -5,0, в-15 -7,5, С-100-10,0.

Набухание сорбентаi буферном растворе: t-21"C

G-50. G-75 - 24 часа; G-100, G-150, G-200-72 часа.

Помещение пластины в рабочую камеру

Идентификация анализируемых объектов (растительные белки):

1. См. блок-схему анализа эталонных образ-: цов;

2. Количественная оценка осуществляется денситометрнчески.

<=

Нанесение жидкой суспензии на стеклянную пластину:

- пластина I ООх 100 мм -30 мл геля;

- пластина 200x200 мм -60 мл геля.

- толщш га слоя геля - 0,5-1,0 мм.

Рис. 13. Алгоритм модифицированного метода ТСГХ

Блок-схема анализа эталонных образцов

Полпэтиленгли-

коли (ПЭГ): ММ -200-40000

Л

Белки-маркеры

П ро бо п одгото в ка

ПЭГ Растворение 0,1 г и 0,2г в 4 мл дистиллированной 1ЬО Белки-маркеры Растворение: 1 п в 1-3 мл дистиллированной ЬЬО с добавлением 0,1 н раствора HCL (по кап-

а

Нанесение на пластину

ПЭГ - 1-5 мкл (100500 мкг) Белки-маркеры - 3-5 мкл (300-500 мкг)

1

Идентификация - Перенос результатов на бумажную реплику: хроматографическая бумага «Фильтрак» ФН7; - Высушивание реплики в сушильном шкафу: \ - 120°С; время - 10-20 минут.

ПЭГ детектирование: в камере с парами йода Белки-маркеры детектирование: «Амидо-Шварц 1 ОБ» в смеси этанол: уксусная кислота: вода (5:4:И

Результаты разделения низкомолекулярных белков рядовых пшениц методом ТСГХ в сравнении с физико-химическими методами исследования, представлены в табл. 1. Из данных табл. 1 можно видеть, что ММ альбуминов, полученных модифицированным методом ТСГХ, с воспроизводимыми результатами сравнимы с результатами, полученными методами ультрацентрифугирования и гельфильтра-ции на ДЭАЭ-целлюлозе, но несколько выше результатов, рассчитанных по ами-

нокислотному составу. При общем незначительном содержании альбуминов и глобулинов в пшенице ими наиболее богат зародыш, из которого водой и солевыми растворами можно экстрагировать около 20 % белка, причем на долю альбуминовой фракции приходится 85%.

Таблица 1. Характеристика значений молекулярных масс альбуминов и

глобулинов пшеницы, идентифицируемых различными методами

Методы определения Молекулярная масса, Да

Глобулины Альбумины

Метод ультрацентрифугирования 24800, 26000 13950

Метод электрофореза в присутствии ДДС - 13200

Рассчитанный по аминокислотному составу 20000 12900

Гельфильтрация на ДЭАЭ-целлюлозе и ультрацентрифугирование 19800, 23000 11200

Модифицированный метод ТСГХ

Сефадекс в - 50 22000 ± 930 26100± 930 13800 ±490

Сефадекс О - 75 26000± 930 11000 ±550

Сефадекс в - 100 19200 ±490 11000 ± 550

Сефадекс в - 200 24000 ± 930 13400 ± 490

До настоящего времени исследование качества ячменя методом ТСГХ не проводилось, хотя рядом исследователей (Мальцев П.М, Колчи Н.М., Голикова Н.В.) отмечена необходимость изучения фракционного белкового состава зерна ячменя в процессе пивоварения, т.к. ТСГХ имеет ряд преимуществ, по сравнению с другими методами анализа, из-за большой чувствительности, что исключительно важно в контроле за технологическом процессом пивоварения.

При разделении на сорбенте в-50 в лейкозине зерна нами обнаружено 7 низкомолекулярных фракций с ММ от 3500 до 36000, а в лейкозине муки - 5 фракций с ММ от 6000 - 30000. В лейкозине солода - 8 фракций (в зависимости от рН элюента) с ММ, соответственно, от 2600 до 27000, и эдестине - 7 фракций с ММ от 3300 до 31000. На сорбенте в-75 получено 10 фракций лейкозина зерна с ММ от 4600 до 6800; 9 фракций лейкозина ячменной муки с ММ от 5600 до 7500 и 7 фракций лейкозина солода с ММ от 3600 до 24000.

На рис. 14 представлены хроматограммы суммарных белков пива, эдестинов сортовых ячменей и лейкозинов зерна, муки и солода. Результаты хроматографи-ческого анализа эдестинов позволили выявить сортовые особенности зерна ячменя. Сорт Юбилант показал присутствие всего одной белковой фракции с ММ 18000 Да, тогда как для других сортов оказалось характерным наличие как минимум двух фракций белка с ММ > 10000 Да. Во всех сортах были обнаружены не менее двух фракций в диапазоне ММ 26000 - 28000 Да, что отвечает определенному методом центрифугирования а- компоненту эдестина с ММ - 26000 Да.

При разделени на сорбенте G - 200 обнаружено: для сорта БИОС-1 6-8 фракций эдестина с ММ от 7000 до 17000; для сорта Рудик 6 фракций с ММ от 6800 до 12400; для сорта Юбилант 7 фракций с ММ от 6400 до 18000 и 8 фракций с ММ от 6600 до 16600 для сорта Крона. Фракции эдестинов с ММ > 20000 для этих сортов обнаружены не были.

Анализируя полученные результаты, можно сказать, что присутствие низкомолекулярных фракций белков и пептидов характерно для солода. Именно в процессе солодоращения белки расщепляются ферментными комплексами до низкомолекулярных компонентов и аминокислот, которые служат строительным материалом для развивающегося зародыша и отвечают за стабильность пива и полноту вкусовых качеств.

Полученные результаты обладают высокой надежностью, воспроизводимостью и качественной значимостью, позволяющей использовать их в исследованиях белков при оценке их ММ, отвечающих за качество продукции.

Рис. 14. Хроматограммы : а) эдестинов ячменного зерна сортов: Р - Рудик, Ю — Юбилант, Б - Биос-1, К -Крона, б) суммарных белков пива сортов: П - Пльзень, Ж - Живец, М - Московское, в) лейкозинов: муки, солода, зерна

J

В табл. 2 представлены сравнительные данные разделения ячменного лейко-зина и эдестина с применением модифицированного метода ТСГХ и других физико-химических методов анализа.

Таблица 2. Результаты сравнительного анализа определения молекулярных масс лейкозина и эдестина ячменя, идентифицируемых различными методами. ___

Методы исследования Лейкозины Эдестины

Кол-во фракций Молекулярная масса Кол-во фракдий Молекулярная масса

Осаждение сульфатом аммония; электрофорез и ультрацентрифугирование /Квенцель/ - - 4 а -26000 р-100000 у 166000 5 300000

Изоэлектрофокусирование Радола,Драверт,Голикова 20 Определение вели в градиенте плотностей в области значений рН 3 - 10. ММ не указаны.

Колоночная гель-фильтрация с последующим определением оптической плотности /Нарцисс/ 5 2600 4600 12000 30000 60000 - -

Ультрацентрифугирование /Лундин, Сведберг/ 3 35000 - 21500

Гель-хроматография (колоночный вариант) /Колчин/ 6* <- 20000 20000-40000 40000 - 80000 80000-160000 >- 160000 - -

Модифицированный метод ТСГХ Сорбент й-50 10 <- 6000 6000-15000 15000-30000 >- 30000 6 < - 6000 6000- 15000 15000-30000 >- 30000

Сорбент С - 75 16 <- 6000 6000-15000 15000-30000 30000-60000 >- 60000 6 6000- 15000 15000-30000 30000 -60000 >- 60000

Сорбент С - 100 16 <- 6000 6000- 15000 15000-30000 30000 - 60000 60000-100000 >-100000 9 6000-15000 15000-30000 30000 - 60000 60000- 100000 >- 100000

Сорбент С - 200 14 < - 6000 6000-15000 15000-30000 30000-60000 60000-100000 >- 100000 макс.ММ 180000 10 6000- 15000 15000-30000 30000 - 60000 60000 - 100000 >- 100000 макс.ММ 290000

*) дальнейшее разделение проводилось по величине изоэлектрической точки.

Анализ результатов, приведенных в табл. 2 позволяет утверждать, что, применяя модифицированный метод ТСГХ, можно достичь разрешения, сопоставимого с результатами совместного действия колоночной ГПХ и электрофореза по отношению к водорастворимым фракциям белка ячменного зерна (определено до 23 фракций).

В дальнейших исследованиях было установлено, что модифицированный метод ТСГХ позволяет определить ММ высокомолекулярных фракций эдестина, гордеина и глютелина, что ранее было невозможно в колоночной ГПХ и, как правило, осуществлялось исключительно электрофоретическим методом (гордеин). Как показали результаты собственных экспериментов, удачная комбинация модифицированного метода ТСГХ и материаловедческих тестов показала эффективность предлагаемого метода. •

Модифицированный метод ТСГХ использовали также при оценке качества пива. Известно, что образование слоя пены определенной высоты и ее стойкость являются важнейшими и характерными показателями качества пива и обусловлены наличием поверхностно-активных веществ коллоидного характера, среди которых доминируют белки. Используя разработанную методику, нам удалось раз-

делить суммарные белки пива. Пробы пива «Московское» (Россия), «Пльзень» (Чехия), «Живец» (Польша) упаривали при температуре не выше 50оС, затем анализировали при комнатной температуре с использованием сорбентов в - 50 и в -75.

Результаты хроматографического исследования пивной пены выявили слабо окрашенные полосы, свидетельствующие о присутствии следовых количеств белка в пивной пене, отвечающих величинам ММ от 3500 до 8000. Слабее были выражены ХЗ на уровне значений ММ от 15000 до 27000, которые для сорта пива «Московское» практически не визуализировались. Анализ пива «Пльзень» со стойкой пивной пеной показал наличие 3-х фракций, а пива «Живец» - 2-х фракций белков с ММ в пределах 30000 - 60000 Да, что подтверждает их пеностой-кость. Результаты определения ММ коррелируют с результатами определения высоты пены с коэффициентом корреляции (г= +0,93), указывающие на решающую роль в пенообразовании белковых фракций с ММ > 12000. Исследованные образцы пива по наличию низкомолекулярных белковых фракций указывают на высокое потребительское качество, так как высокомолекулярные фракции (ММ > 60000), отвечающие за помутнение пива в процессе хранения, обнаружены не были.

Результаты определения высокомолекулярных белков свидетельствуют о том, что модифицированный метод ТСГХ может служить индикатором характеристики клейковины зерна пшеницы и пшеничной муки посредством определения отношения глиадин: глютенин.

Хроматограммы фракционных белков зерна пшеницы и пшеничной муки, представленных на рис.15 и 16, (С-150, рН 6,86, I - 65 мин., р = 12о) показали наличие 32 зон у пшеницы и 30 зон у пшеничной муки.

„ „ 0,5 70% 0.1 М цл 0,5 70% 0.1 М

¡\аС1 эт. укс. к-та . " 1ЧаС1 эт. укс. к-та

•Si-

Рис. 15. Хроматограмма фракционных белков пшеничного зерна на 0-150, (3-12°, рН - 6,86. Время анализа - 65 мин.

Рис. 16. Хроматограмма фракционных белков пшеничной муки высшего сорта на G-150, р-12°, рН-6,86. Время анализа-65 мин.

Шлейфы у низкомолекулярных и высокомолекулярных белков на четырех дорожках свидетельствуют о повышении вязкости раствора при разрушении водородных связей, сольватации освободившихся полипептидных цепочек, структурировании молекул и соизмеримости размеров сечения пор с молекулами белков и их сегментами. С классификационной позиции ХЗ низкомолекулярных белков на сорбенте G-150 (первая и вторая дорожки) и высокомолекулярных белков (третья и четвертая дорожки) можно отнести к «варианту 3».

Зависимость относительной длины пробега и логарифма ММ для зерна пшеницы (G- 50) описывается линейно (рис.17). Обнаружено 6 фракций глиади-нов с ММ от 25000 до 64000 и 4 фракции глютенинов с ММ от 58000 до 100000; для пшеничной муки (G - 100) 4 фракции глиадинов с ММ от 19000 до 64500 и 3 фракции глютелинов с ММ от 71000 до 90000 (рис. 18).

Рис. 17. Зависимость длины пробега от lg ММ фракционных белков пшеницы Мироновской 808 на G-50. t - 60 мин., (3 - 12°, рН 6,86. о -альбумины(5), □ - глобулины(5), Д - глиадины (7), V - глютенины(4), •- реперные точки

4,0 4,5 5,0

Рис. 18. Зависимость длины пробега от ММ фракционных белков муки пшеничной 1-го сорта на в-100. рН -6,86, (3 - 15°, I - 150 мин. о - альбумины(4), □ - глобулины(5), Д -глиадины(б), V- глютенины (3), •- реперные точки

Суммирующие результаты определения ММ глиадиновых фракций сортовых пшениц в сравнении с литературными данными, полученными разными методами, в том числе и колоночной ГПХ, приводятся таблице 3.

Установлено, что для зерна ржи характерно высокое содержание альбуминов - около 35% от общего белка, причем большая часть белков зерна ржи растворяется в воде и солевых растворах. Сопоставление результатов определения высокомолекулярных белков глиадинов и глютенинов ржи и пшеницы указывает на соответствие в целом их качественного состава требованиям нормативной документации, но обнаруженные различия в содержании высокомолекулярных компонентов позволяют рекомендовать этот методологический подход как наиболее чувствительный при установлении степени фальсификации зернового сырья. Главным компонентом глиадина ржи является белок с ММ 40000. Фракционные белки зерна ржи и ржаной муки анализировали на сорбентах в -50, в - 75 и в - 100. На в -75 глиадины ржи и ржаной муки показали наличие 4 фракции с ММ от 32000 до 86000, глютенины ржи - две фракции с ММ 94000 и 120000, а ржаной муки две фракции с ММ 100000 и 140000 (I =145 минут, рН 6,86).

Таблица 3. Результаты сравнительного анализа определения молекулярных масс глиадинов пшеницы, идентифицируемых _ различными методами_

Методы определения Молек улярная масса, Да

глиадин а-глиадин р-глиадин у-глиадин ш-глиадин

Ультрацентрифугирование, при исключении агрегирования молекул 25000 - -

Суммарный глиадин по Осборну 100000 - - - -

Колонка сефадекс G-100 26000 - - _

По данным Войчика и Джонса - - - 26000 37000 -

По данным Гюбнера, Ротфуса. Уолла - - - 16000 18000 -

По данным Бернардена, Казарда, Мичема - 49000-55000 - - -

Электрофорез в ПАА геле в присутствиии ДСЫ после гельфильтра-ции на колонке 6 полос от 30000-75000 с преоблад. фрак, с ММ 32000, 36000 3 компонента с ММ от 36000 до 44000 2 компонента с ММ от 38000 44000

Электрофорез, в ПАА геле в присутствиии flCN по данным Хама-узи, Джонезава и др. 33000 38 000 2 компонента с ММ 38000 и 46000 3 компонента с ММ 50000,54000, 64000

Метод седиментацион-ного равновесия показал однородность всех операций по ММ 27000 27000 28000 27000

Модифицированный метод ТСГХ 16500 +500 25000 +-930 36000+-930 45000 +-860 -

Мироновская 808 Сорбент G - 50 32000 +-930 45000+-960 56000+-650

Сорбент G- 100 - 24000 +-930 32000+-930 67000+-1040 _

Саратовская 46 Сорбент G - 100 - 24000 +-930 34000+-930 35000+-930 47000 +-860 52000 +-640 64000+-1040 -

Сорбент G - 200 19500 +500 - 35000+-930 38000+-860 57000 +-650 65000+-1040 -

Анализ высокомолекулярных белков показал, что из пяти компонентов гор-деина, р- и е-гордеин играют негатиную роль как составные части обратимого и необратимого процесса помутнения пива. При гидролизе гордеин образует много пролина глютаминовой кислоты. Содержание глютелина (в процентах от общего азота) постоянное, и является сортовым признаком культуры. Запасные белки ячменя анализировали на в -75, в -100, О -200. На в -75 (рН 7.0, (3 = 15о, г - 120 ми-

нут) было получено 5 фракций гордеина с ММ от 12000 до 84000; 5 фракций глю-телина с ММ от 18000 до 96000. Запасные белки ячменной муки показали 5 фракций гордеина с ММ от 13000 до 63000 и 4 фракции глютелина с ММ от 15500 до 82000. Гордеин солода разделился на 5 фракций с ММ от 6800 до 64000, а глютелин - на 4 фракции с ММ от 6000 до 46000. На G - 200 гордеин ячменя разделился на 8 фракций, ячменная мука - на 7 фракций и солод - на 6 фракций; глютелины в тех же условиях элюирования разделились: в зерне - на 6 фракций, в муке и солоде - на 5 фракций.

Качественный состав белковых фракций зерна ячменя, муки и солода находится в пределах значений ММ 6500 - 350000. Высокомолекулярные фракции белков не переходят в конечный продукт, но имеют существенное влияние на потери в технологическом процессе и качество готового продукта. Хотя существует мнение, что природа запасных белков ячменя одинакова, а гордеины являются составной частью структуры глютелинов с меньшей степенью полимеризации, общепризнанно, что гордеин и глютелин по своей растворимости в разных растворителях принадлежат к разным группам белков.

Для анализа высокомолекулярных белков кукурузы, как правило, используется метод колоночной ГПХ: метод ТСГХ для этих целей не использовался никогда. Известно, что количество проламина кукурузы - зеина может колебаться в пределах от 4 до 60% всего белка зерновки. Основной причиной таких расхождений являются различные условия извлечения белка. Первостепенное значение при этом имеет концентрация этанола, применяемого для растворения проламинов и температура экстракции. Максимальное количество зеина переходит в раствор при температуре бОоС и концентрации этанола в пределах от 55 до 60%. Однако, при этих условиях, растворяется около 80% всего проламина; для извлечения оставшегося белка необходимо применять этанол 85-96%-ной концентрации. Изучение глютелиновой фракции кукурузы затруднено вследствие слабой растворимости ее в обычных растворителях, поэтому глютелины кукурузы могут переходить в раствор только при разрушении его дисульфидных связей.

Анализ высокомолекулярных белков кукурузы осуществляли с применением модифицированного метода ТСГХ на G -100 и G -200. В зеине кукурузы обнаружено 4 фракции с ММ от 32000 до 150500, а в глютелине - 2 с ММ 93600 и 120000 (рН 6,86, t- 150 минут). В тех же условиях разделения на G- 200 зеин разделился на пять фракций с ММ от 26 000 до 150000, а глютелин - на две фракции с ММ 100000 и 140000. Результаты хроматографического анализа зеина кукурузы модифицированным методом ТСГХ в сопоставлении с литературными данными, представлены в табл. 4.

Таким образом, применение модифицированного метода ТСГХ для анализа высокомолекулярных белков кукурузы является высокоэффективным. Информативность метода не вызывает сомнений, т.к. позволяет однозначно идентифицировать состав белковых фракций зерна кукурузы в качественном соотношении. Анализируя полученные результаты разделения можно утверждать, что нативное или близкое к нему состояние макромолекул указывает на предконформационное состояние молекулы, что позволяет прогнозировать более высокую биодоступность зернового сырья.

Таблица 4. Результаты сравнительного анализа определения молекулярных _масс зеииа кукурузы, идентифицируемые различными методами_

Методы определения Молекулярная масса Примечание

1 .Ультрацентрифугирование исходного зеина 44000 Неразделенного на а- и (5-фракции

2.Ультрацентрифугирование восстановленного иалкилнрованнного зеина 19000

3. ГПХ на колонке в -200 ■ 52000-190000 -

Модифицированный метод ТСГХ

4. Сорбент й-100: фракции зеина: 1 2 3 4 32000 + 960 52000+1800 . 120000+ 1800 150500+ 1800 -

5. Сорбент в -200 фракции зеина : 1 2 3 4 5 26000 + 800 35000 + 960 44000 + 960 56000+ 1800 150000+ 1800 -

3.5. Обоснование и разработка объективного товароведного критерия количественного анализа качества растительных белков.

Заключительным этапом модификации метода ТСГХ является количественная оценка фракционированного по величине ММ вещества. Результаты количественного анализа качества фракционных белков представлены в табл. 5. Они дают четкое представление о количественном составе глютелина и "распределении" глиадиновой фракции между низкомолекулярными и высокомолекулярными составляющими белка, т.е. определенную характеристику запасных белков и самой клейковины, основанную на содержании в зерне пшеницы высокомолекулярных белковых фракций.

Таблица 5. Количественная характеристика белковых фракций зерна

пшеницы, полученная на сефадекс С - 50

№ Молекулярные Альбумины, Глобулины, П рол амины. Глютелины,

п/п массы, Да (%) (%) (%) (%)

I. 6000 - 9000 21.9 9.9 - -

2. 10000-13800 21.9 17.6 - _

3. 14000-17200 21.9 17.6 - _

6. 25500-30000 - 27.4 10.8 _

7. 31000-35000 - 10.8 _

8. 36000 - 44000 - - 10.8 16.3

9. 44000 - 52000 - - 14.0 16.3

10. 53000 - 54000 - - 21.9 16.3

11. 65000-81500 - - 31.7 25.5

12. 82000-100000 - - - 25.5

Результаты сравнительного анализа качественного состава белков пшеницы в зависимости от сортовой принадлежности (табл.6) показывают, что содержание

высокомолекулярных фракций белкой в сортовых пшеницах примерно на 10% больше, чем в рядовых, причем эта разница является статистически достоверной. Таблица 6. Количественная характеристика белковых фракций сортовых и

рядовых пшениц

№ Молекулярные Мироновская 808, Саратовская 46, Рядовая

п/п массы, Да (%) (%) (%)

1. 6000- 15000 5.9 6.6 6.7

2. 16000-30500 7.5 9.6 11.2

3. 31000-40500 9.2 11.9 15.6

4. 41000-58000 15.6 16.7 19.9

5. 59000 - 78000 25.0 22.7 20.8

6. 80000-100000 36.8 32.5 25.8

Результаты сравнительного анализа (табл. 7) молекулярного состава суммарных белков сортовой хлебопекарной муки в количественном соотношении представляют характеристику, основанную на содержании в пшеничной муке высокомолекулярных фракций, непосредстренно определяющих качество готового хлеба. Как видно из результатов анализа, приведенных в табл.7, суммарное содержание высокомолекулярных фракций зависит от сорта муки: в муке в/с и 1/с их суммарное значение больше на 7-8% больше по сравнению с мукой 2/с.

Таблица 7. Количественная характеристика белковых фракции

суммарного белка пшеничной муки высшего, первого и второго сорта

№ п/п Молекулярная масса, Да Высший сорт (%) Первый сорт (%) Второй сорт (%)

1. 6500-17000 1.8 1.5 2.7

2. 18000-25500 3.4 2.4 3.8

3. 26000 - 32000 7.1 7.3 8.6

4. 33000-46000 11.3 9.6 15.6

5. 47000 - 56000 16.2 17.0 19.3

6. 57000 - 70000 28.2 29.2 23.5

7. 71000-86000 32.0 33.0 26.5

Известно существенное влияние количественного соотношения фракций белка (растворимых к нерастворимым; гордеинов к глютенинам и т.д.) на эффективность технологического процесса производства пива. При оценке количественного содержания белковых фракций зерна ячменя, ячменной муки и солода (табл. 8) подтверждены незначительные отличия содержания белковых комплексов ячменного зерна и муки по величинам их ММ.

Процесс солодоращения сопровождается увеличением количества низкомолекулярных белков и распадом высокомолекулярных фракций (ММ > 100000), количество которых уменьшается с 14% в зерне до 4% в солоде. Заметно снижается содержание высокомолекулярных гордеинов, которые в ячменном зерне определяли в диапазоне ММ 30000 - 100000, а в солоде с преобладающим значением ММ гордеинов до 30000. Количество низкомолекулярных фракций в солоде (ММ < 15000) увеличивается в 3-4 раза.

зо ,

Таблица 8. Количественная харшстеристика суммарных белков ячменя

и его разновидностей

№ п/п Молекулярная масса Зерно Мука Солод

I. ММ < 6000 4.6 2.8 21.8

2. 6000-15000 10.2 6.7 19.9

3. 15000-30000 24.8 26.7 22.6

4. 30000 - 60000 23.6 28.1 19.8

5. 60000 - 100000 22.8 20.4 11.6

6. ММ > 100000 14.0 15.3 4.3

Анализ количественных характеристик ячменя показал, что все сорта обладают высокой ферментативной способностью. Сорта БИОС-1 и Крона содержат большое количество высокомолекулярных фракций белка, что подтверждает их специфические свойства - высокую способность к набуханию, что повышает степень развариваемости и сокращает время приготовления готовых продуктов из крупяных изделий. Для сортов Рудик и Юбилант характерно более высокое содержание фракции с ММ < 6000 (особенно для солода), что, во-первых, свидетельствует о преобладании процессов ферментного гидролиза белков при солодораще-нии, а, во-вторых, доказывает влияние показателя общего содержания белка в ячмене с учетом фракционного состава на его пивоваренные свойства.

3.6. Результаты изучения возможности применения модифицированного метода ТСГХ в технологии получения ленкозина из муки зародышей пшеницы.

В последнее время на продовольственном рынке появился новый продукт -мука зародышей пшеницы (МЗП), которая получается при выработке масла из зародышей пшеницы (из 100 кг зародыша - 3-3,5 кг масла). МЗП содержит 25-37% белков и применяется как самостоятельный продукт, т^к и в качестве ингредиента для майонеза, малокомпонентных кормов для рыб, БАД и т.д. Одним из способов переработки МЗП могло бы стать извлечение из нее фракционных белков с целью дальнейшего обогащения целого ряда продуктов питания.

Результаты проведенных в данной работе исследований показывают, что по совокупности свойств: растворимости в воде, аминокислотному составу, биологической ценности, пенообразующей способности и стойкости пены, эмульгирующей емкости, содержанию витаминов, макроэлементов - наиболее перспективным для использования в пищевой промышленности является белок лейкозин, экстрагированный из МЗП с помощью модифицированного метода ТСГХ.

Для экстракции лейкозина из зерна злаков и МЗП применяли дифференцирующие растворители по классической схеме Осборна с получением растворов лейкозинов-А и лейкозинов-Б, которые затем исследовали методом ТСГХ на Сефа-декс. Результаты в сравнении с литературными данными, представлены в табл. 9.

Из данных табл. 9 можно заключить, что ММ лейкозинов, полученные модифицированным методом ТСГХ, сравнимы с результатами, полученными методами ультрацентрифугирования и гель-фильтрации на ДЭАЭ-целлюлозе, но несколько выше результатов, рассчитанных по аминокислотному составу. Анализ

фракционных низкомолекулярных белков пшеничного зародыша показал наличие 10 фракций с ММ в пределах от 6000 до 26100 на О -50 (рН 7.0,1-90 мин.), и от 8 до 10 фракций с ММ в пределах от 6800 до 23500 на й-75 (рН 6,86,1-90 мин.). Таблица 9. Результаты сравнительного анализа определения молекулярных масс лейкозинов муки зародышей пшеницы, идентифицируемых

различными методами

Методы определения Молекулярная масса, Да

Лейкозин - А Лейкозин - Б

Метод ультрацентрифугирования 23500, 25000 12900

Метод электрофореза в присутствии ДДС - 13200

Рассчитанный по аминокислотному составу 19500 13000

Гель-фильтрация на ДЭАЭ-целлюлозе и ультрацентрифугирование 26800, 22500 11800

Модифицированный метод ТСГХ

Сефадекс в - 50 21000 ± 930 25800 ±930 12950 ±490 13500±490

Сефадекс в - 75 24000 ±930 22800±930 11500 ±550 12500 ±550

Сефадекс в - 100 20200 ±490 19500 ±490 11500 ±550 12000 ±490

Сефадекс О - 150 21500 ±550 23400 ±550 12500 ±550 13000 ±550

Хроматограмма низкомолекулярных белков пшеничного зародыша (рис.19) (0-75, рН 6,86, I - 90 мин., р = 12о) показала 5 фракций альбуминов и 12 фракций глобулинов.

^ № ||I &»•

4

Рис. 19. Хроматограмма альбуминов и глобулинов муки зародышей пшеницы на С-75, р= 12°, рН -6,86, время - 90 мин. 1,3 - глобулины (11 фракций), 2 - альбумины (7 фракций)

На сефадексе в - 75 было получено 6 фракций лейкозинов-Б в диапазоне значений ММ от 6700 до 23500, и 4 фракции лейкозинов-А с ММ 20500, 22000, 23000 и 24000. Длительность разделения составила 90 минут. Элюирование проводилось в фосфатном буфере (рН 4,5) (рис. 20). ТСГХ лейкозина МЗП на в-100 показала от 6 др 8 фракций со значениями ММ от 6500 до 25300 при элюировании фосфатным

буферным раствором. Экстракция лейкозинов МЗП 0,2%-ным раствором НаОН в 50%-ном этаноле позволила получить на Сефадексе в - 100 6 фракций лейкозинов-Б и 2 фракции лейкозинов-А со значением ММ 20000 и 26000 (рис. 21), что указывает на возможное присутствие в МЗП незначительного содержания низкомолекулярного глиадина.

Таким образом, использование нового товароведного показателя - молекулярной массы белков позволяет оценить качество МЗП с целью дифференциации дальнейшего исследования.

йсй-

И США

1 * lg ММ

Хз

4.0 1),5 5,0

Рис. 20. Зависимость длины пробега от логарифма ММ белков муки зародыша пшеницы на С-75; рН = 4.5, р=15°, 1=90 мин. о-лейкозин-Б, П-лейкозин-А.

4,0

lg ММ

4,5

5,0

Рис. 21. Зависимость длины пробега от логарифма ММ белков муки зародыша пшеницы на в-100; рН = 6.86, р=15°, 1=150 мин. о-лейкозин-Б, Д-лейкозин-А.

Одной из важнейших характеристик качества пищевого сырья и продуктов является его аминокислотный состав. Лейкозин, извлеченный из МЗП, содержит все незаменимые аминокислоты: лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, тирозин, валин, фенилаланин. Эти результаты свидетельствуют о высокой биологической ценности лейкозина, что позволяет рекомендовать его для обогащения продуктов питания.

Важными составляющими биологической ценности сырья и продуктов являются показатели витаминного и минерального составов. Полученные результаты анализа витаминного состава в лейкозине МЗП на содержание витаминов группы «В»: тиамин /В1/, рибофлавин /В2/, пантотеновая кислота /ВЗ/, ниацин /В5/, витамин РР, пиридоксин /В6/, фолиевую кислоту /В9/, цианкобаламин /В 12/ и содержание водорастворимого витамина L- аскорбиновая кислота-(витамин С) представлены в табл. 10 .

Таблица 10. Распределение витаминов группы «В» и витамина «С», витамина «Е» в лейкозине муки зародыша пшеницы _

Тип Содержание витамина, мг/100г

белка в, В2 В., в5 в6 в, В,2 С Е

(ти- (рибо- (панто- (ниа- (пири- (фоли (циан (аскор- (то-

ами фла- теновая цин) док евая коба- биновая кофе-

н) вин) кислота) син) кислота) ламин) кислота) рол)

Лейкозин 3,65 3,20 1,58 4,12 2,73 0,12 2,85 10,4 2,7

Из нее следует, что исследуемый лейкозин по существу является белково-мультивитаминным комплексом и, вследствие этого, может быть использован для обогащения самых различных пищевых продуктов. Кроме того, в лейкозине удалось обнаружить жирорастворимый витамин Е (токоферол).

Установлено, что белок лейкозин способен частично удовлетворять потребность человека в макроэлементах. Результаты определения макроэлементов - фосфора, калия, натрия, магния и железа приведены в табл. 11. Они показывают, что лейкозин МЗП содержит все исследованные минеральные вещества.

Таблица 11. Содержание фосфора, калия| натрия, магния, кальция и же-

леза в белках зародыша пшеницы

Макроэлементы Содержание в белках, мг/ЮО г Суточная

Лейкозин норма

Фосфор 0,2790 1,20

Калий 0,1793 2,00

Натрий 0,0519 3,00

Магний 0,0215 0,30

Железо 0,0021 0,01

В табл. 12 приведены результаты сравнительных исследований пенообразу-ющей способности и стойкости пены 1%-ного водного раствора белка лейкозина, выделенного из МЗП, с применением модифицированного метода ТСГХ.

Таблица 12. Пенообразующая способность и стойкость пены _1%-ного водного раствора лейкозина_

Белок Пенообразующая способность,% Стойкость пены после 15-мнн. стояния, с Стойкость пены после 30-мпн. стояния, с

Лейкозин 128,0 ±9,8 99,0 ± 11,1 64 ±5,5

Изучены структурно-механические характеристики лейкозина. Из табл. 12 следует, что высокая пенообразующая .способность и стойкость пены 1 %-ного водного раствора лейкозина свидетельствует о высоких эмульгирующих характеристиках исследованного белка.

Результаты исследований эмульгирующей емкости 1%-ного водного раствора лейкозина по отношению к различным растительным маслам - подсолнечному, льняному, маслу расторопши показывают, что он обладает хорошими эмульгирующими свойствами, что открывает большие возможности для разработки различных эмульсионных продуктов на основе этих масел, включая соусы для общественного питания, майонезы и т.д.

Цвитгер-ионный, биполярный характер белков особенно ярко проявляется при изменении величины рН белкового раствора. Определение изоэлектрической точки (ИЭТ) является одной из характерных констант белка - важный этап при разработке технологии получения любого белка. В ИЭТ белок обладает наименьшей растворимостью, при этом наблюдается наименьшая вязкость белка, наиболее легкое осаждение из раствора и стабильность белковых пен.

Результаты определения ИЭТ 0,5%-ного водного раствора лейкозина приведены в табл. 13. Из табл. 13 следует, что в интервале значения рН 3,3-5,6 белок

лейкозин хорошо растворим, а при рН 8,0 лейкозин выпадает в осадок, т.е., можно утверждать, что ИЭТ лейкозина находится при значении рН 8,0.

Таблица 13. Определение изоэлектрической точки лейкозина в зави-_симосги от вида растительных белков_

№ п/п Концентрация лейкозина, % рН буферной смеси Время растворения лейкозина, сек

1. 0,5 3,3 5

2. 0,5 4,8 8

3. 0,5 5,6 12

4. 0,5 8,0 осадок

Другие растительные белки

5. Глиадин пшеничного зерна 7,1 -

6. Зеин кукурузного зерна 6,2 -

7. Эдестин из семян конопли 5,5 -

При исследовании белков было установлено, что количественная характеристика белковых фракций находится в зависимости от рН элюента, поэтому нами был изучен спектр значений рН в диапазоне от 4,0 до 10,0. Результаты фракционирования белковых фракций ячменя, муки и солода в зависимости от рН элюента представлены в табл. 14. Оптимальным значением рН, при котором обнаруживается наибольшее количество белковых фракций, является слабощелочная среда (8,0 - 9,1). При смещении значений рН в слабокислую область наблюдается уменьшение степени экстрагируемое™ фракций белка. Полученные результаты позволяют судить о слабокислой рН (5,8 - 4,5) и нейтральной рН (7,0 - 6,8) природе нативных водо- и солерастворимых белков, что подтверждено исследованием градиентной гель-хроматографии на колонке с последующим электрофорезом. Белковые комплексы муки показали уменьшение количества фракций пропорционально уменьшению значения рН: в количественном соотношении фракций эдестина - 4 и глютелина - 3 (рН 5,8 - 4,5), что обусловлено присутствием низкомолекулярных белков в структуре зерновой оболочки.

Таблица 14. Фракционные белки ячменя и его разновидностей относи-

тельно значений рН элюента подвижной фазы

Фракционные белки Количество фракций

зерно мука солод

РН

9,1 8,5 8,0 7,0 6,8 5,8 4,5 9,1 8,5 8,0 7,06,8 5,84,5 9,1 8,5 8,0 7,0 6,8 5,8 4,5

Лейкозин 10 10 10 9 9 8 7 9 9 9 7 7 6 6 6 7 7 8 8 10 10

Эдестин 7 7 7 6 6 5 5 6 6 6 5 4 4 4 5 6 6 6 7 7 7

Гордеин 7 8 8 8 8 7 7 7 7 7 7 7 6 6 5 6 6 6 6 6 5

Глгателии 5 6 6 6 6 5 5 3 4 5 5 5 3 3 4 4 5 5 5 5 4

Результаты исследования белковых фракций солода при смещении рН в кислую среду указывают на их хорошую растворимость, особенно лейкозина и эдестина в слабокислой среде (рН 4,5 - 5,8), и значительное уменьшение степени растворимости гордеина и глютелина. При исследовании гордеинов сортовых пивоварен-

ных ячменей в широком диапазоне значений рН (4,0 - 9,1), были обнаружены характерные особенности, которые раскрываются при соответствующей вариации методики анализа. Результаты показали оптимальное разделение в слабощелочной зоне рН (рис. 22), где было обнаружено 9 фракций для сорта Крона и 8 фракций для сорта БИОС-1. Сорт Рудик показал присутствие 2 фракций со значением ММ < 2000 в кислой зоне рН, чего не наблюдалось у других сортов ячменя. Сорт Юби-лант в нейтральной зоне рН показал 9, а в щелочной - 2 фракции гордеина, что в конечном итоге приводит к 11 фракциям.

>

к* Рис. 22. Фракционный состав гордеинов

разных сортов ячменного зерна, определенный по логарифму ММ зависимости от относительной длины пробега К™а-:оо (Время элюирования 180 мин., угол наклона 20", рН у«'" " " 8,0)

— Сорт БИОС-1 (8 фракций) Сорт РУДИК (8 фракций) _, Ф- Сорт ЮБИЛАНТ( 9 фракций) # - Сорт КРОНА (9 фракций)

.X

Отмечено влияние ИЭТ на растворимость лейкозинов ячменного зерна в пределах значений рН - от 4,6 до 5,8, и эдестинов в пределах значений рН - от 4,9 до 5,7, при этом прослеживается изменение природы белков ячменя при солодора-щении.

Одной из возможных интегральных характеристик качества пищевых продуктов является их безопасность. В этой связи нами исследованы следующие показатели токсичных элементов, пестицидов, радионуклидов, микотоксинов и микробиологические показатели. Результаты определения токсичных элементов - свинца, мышьяка, кадмия и ртути в лейкозине показывают, что содержание свинца, мышьяка, кадмия и ртути в лейкозине не превышает ПДК, установленных СанПиН 2.3.2.1078-01. Следовательно, белок по показателям токсичности может быть допущен к использованию к пищевой промышленности.

В связи с тем, что лейкозин рекомендуется в качестве БАД при производстве пищевых продуктов, была проведена оценка степени его безопасности по содержанию микотоксинов, пестицидов и радионуклидов. Анализ табл. 15 показывает, что по показателям безопасности белок лейкозин удовлетворяет требованиям СанПиН 2.3.2.1078 - 01 (индекс 1.4.4.). Таким образом, лейкозин с полным основанием может быть рекомендован в качестве БАД, для использования в пищевой промышленности.

Результаты определения микробиологических показателей белка лейкозина не выходят за рамки требований, предъявляемых к исходному материалу, т.е. к МЗП, что свидетельствует об отсутствии опасности из-за возможного микробиологического загрязнений.

Таблица 15. Показатели безопасности белка лейкозина, выделенного _из муки зародышей пшеницы_

Наименование (элемента) вещества Содержание в ленкозине мг/кг Допустимый уровень содержания мг/кг (для радионуклидов, Бк/кг), не более

Микотоксины Афлатоксин В| 0,0017 0,005

Дезоксиваленол 0,0278 0,7

Т-2-токсин 0,0042 0,1

Зеараленон 0,0138 0,2

Пестициды Гексахлорциклогексан (а ,р -изомеры) Следы 0,5

ДДТ и его метаболиты Следы 0,02

Гексахлорбензол Следы 0,01

Ртутьорганические пестициды Не допускается

2,4-Д-кислота и ее соли - Не допускается

Радионуклиды Цезий -137 Стронций 52 30 60 30

3.7. Результаты оценки целесообразности использования объективного товароведного показателя качества - молекулярной массы растительных белков в технологиях пивоварения

Известно, что за стабильность пены и полноту вкусовых качеств пива отвечают низкомолекулярные фракции белков и пептидов, которые образуются в процессе солодоращения. Белковые фракции лейкозинов, наряду с другими традиционными экстрактивными компонентами ячменя и солода, повышают способность к пенообразованию, обеспечивают полноту вкуса и стабильность пивной пены. За образование пены в пиве отвечают полипептиды с высокой молекулярной массой (от 10000 до 50000 Да).

В нашей работе в процессе производства пива в качестве пенообразователя применяли смеси низкомолекулярных фракций индивидуальных белков: лейкозина ячменного зерна (ЛЗ) с ММ 15000 Да и лейкозина ячменного солода (ЛС) с ММ 6000 Да в соотношении от 1:1 до 1:2.

Было установлено, что белки, имеющие различные изоэлектрические точки и различающиеся по аминокислотному составу, имеют электрофоретические подвижности, не зависящие от их изоэлектрической точки и аминокислотного состава, и скорость их переноса определяется исключительно величинами их ММ..

В результате разделения низкомолекулярных фракций белков были выделены фракции водорастворимых белков лейкозинов с ММ от 3500 до 15000 Да и со-лерастворимых белков - эдестинов с ММ от 20000 до 59000 Да в ячменном зерне и с ММ от 3300 до 38000 Да в ячменном солоде. Благодаря установленному соотношению электрофоретической подвижности и величины ММ белков были выделены

индивидуальные фракции лейкозина ячменного зерна с ММ 15000 и лейкозина ячменного солода с ММ 6000 Да (табл. 16).

Таблица 16. Сравнительная характеристика аминокислотного

состава лейкозина и эдестнна, выделенного из зерна ячменя

№ Состав аминокислот Массовая Содержание аминокислот в

п/п доля белка, белке, %

% лейкозин эдестин

10,3

1. Лизин 0.62 0.59

2. Гистидин 0.31 0.18

3. Аргинин 0.62 0.47

4. Лспарагиновая кислота 0.59 0.32

5. Треонин 0.38 0.07

6. Серии 0.35 0.19

7. Глуталшновая кислота 2.59 0.63

8. Пролин 0.48 0.72

9. Глицин 0.54 0.17

10. Алании 0.58 0.18

11. Цистин 0.10 0.06

12. Валин 0.48 0.15

13. Метионин 0.17 0.08

14. Изолейцин 0.32 0.17

15. Лейцин 0.50 5.70

16. Тирозин 0.27 0.30

17. Фенилаланин 0.34 0.32

18. триптофан 0.19 0.22

Анализ результатов показал, что аминокислотный состав фракции лейкозина ячменного зерна с ММ 15000 содержит три вида дикарбоновых кислот: аспараги-новую кислоту, глутаминовую кислоту и цистин, содержание которых превышает их содержание в эдестине ячменного зерна примерно в два раза.

Сравнение лейкозина зерна ячменя и солода по содержанию дикарбоновых кислот выявило, что в процессе солодоращения белки расщепляются ферментными препаратами до низкомолекулярных компонентов и аминокислот, присутствие которых и определяет повышенную стабильность пивной пены. При этом лейкозин почти полностью переходит в сусло и в преобладающем количестве находится в пиве.

Установлено, что соотношение смеси низкомолекулярных фракций белков ЛЗ с ММ 15000 Да и ЛС с ММ 6000 Да в соотношении от 1:1 до 1:2 улучшает ценообразование и пеностойкость пива. Исследования показали, что изменение соотношения в сторону увеличения ЛЗ с ММ 15000 Да или ЛС с ММ 6000 Да либо ухудшает пенообразование, либо снижает пеностойкость пива.

Таким образом, использование смеси низкомолекулярных фракций белков в указанном соотношении и определенной ММ позволяет получить эффект устойчивого ценообразования и высокую стабильность пивной пены, что, предположи-

тельно, связано с повышенным содержанием дикарбоновых аминокислот фракций лейкозина ячменного зерна и солода.

Для подтверждения этого факта проводили эксперимент с использованием Отдельно фракции ЛЗ с ММ 15000 Да, фракции ЛС с ММ 6000 Да и смеси этих фракций при соотношении 1:1 в качестве пенообразователя при производстве пива. Для определения ценообразования и пеностойкости полученного продукта белки вводили в виде 2-5% раствора пива в различных концентрациях (3-5г/гл) после фильтрации пива или перед розливом. Результаты представлены в табл. 17.

Таблица 17. Пенообразование лейкозинов ячменного зерна и ячменного

солода и их смесей

№ п/п Концентрация белка Зг/гл Молекулярная масса, Да Пенообразование, %

Высота лены, мм Пеностойкость, сек

1. - - 30 125

2. . Лейкозин ячменного зерна 15000 33 180

3. Лейкозин ячменного солода 6000 31 150

4. Смесь лейкозина ячменного зерна и лейкозина ячменного солода, взятых в соотношении 1:1 15000+6000 41 247

5. Смесь лейкозина ячменного зерна и лейкозина ячменного солода, в соотношении 1:2 15000+6000 ■40 237

6. Концентрация белка 5г/гл - 30 125

7. Лейкозин ячменного зерна 15000 34 183

8. Лейкозин ячменного солода 6000 32 156

9. Смесь лейкозина ячменного зерна и лейкозина ячменного солода, взятых в соотношении 1:1 15000+6000 45 267

10. Смесь лейкозина ячменного зерна и лейкозина ячменного солода, в соотношении 1:2 15000+6000 42 251

Из табл. 17 видно, что использование водорастворимых фракций лейкозина ячменного зерна и лейкозина солода в соотношении от 1:1 до 1:2 позволяет получить эффект увеличения ценообразования до высоты пены 45 мм и пеностойкости свыше 4 минут. Использование более высоких концентраций может приводить к возникновению пороков пива, например, помутнению, а низкие концентрации незначительно влияют на высоту пены и пеностойкость.

3.8. Результаты оценки возможности использования белков, полученных из растительного сырья с помощью модифицированного метода ТСГХ в технологиях эмульсионных продуктов.

Производство десерта в виде сладкого ванильного соуса (далее «десерт») заключается в улучшении качества продукта, увеличении пищевой и биологической ценности, повышения стабилизирующего эффекта и снижения его калорийности.

Предложенный нами способ производства «десерта» характеризуется тем, что он предусматривает приготовление сбалансированных смесей с заменой продуктов классической рецептуры на новые компоненты: лейкозин, экстрагированный из МЗП и 20%-ный водный экстракт стевии. Исходные компоненты рецептуры, взятые при следующем соотношении, масс.%: яичные желтки 4,3-4,5; лейкозин 2,5-2,9; 20%-ный водный экстракт стевии 0,25-0,35; ванилин 0,5-1,5; молоко -до 100%.

Технология предлагаемого «десерта» предусматривает приготовление двух смесей. Для приготовления первой смеси в яичные желтки вводят лейкозин, экстрагированный из МЗП (смесь фракций лейкозина с ММ от 18500 до 23500 Да) и перемешивают на магнитной мешалке при скорости 90-110 об/мин в течение 10-20 минут до получения однородной смеси. Для приготовления второй смеси в молоко температурой 65-75оС медленно вводят при непрерывном помешивании 20%-ный водный экстракт стевии. В качестве 20%-ного водного экстракта стевии может быть использован готовый продукт, выпускаемый ООО кампанией «СТЕВИНОЛ» по ТУ 9185-002-05031531-02. Затем обе смеси соединяют, нагревают до кипения при непрерывном помешивании, доводят до загустения, охлаждают до комнатной температуры с получением конечного продукта - десерта в виде сладкого ванильного соуса.

Результаты проведенных исследований по оценке показателей кислотности «десерта» с различным содержанием лейкозина как качественной характеристики получаемого продукта приведены в табл. 18. Из табл. 18 видно, что кислотность «десерта» не зависит от содержания лейкозина и определяется величиной рН молока, которая составляет 6,7 - 6,9.

Таблица 18. Кислотность десертов в виде сладкого ванильного соуса с

различным содержанием лейкозина

№ п/п Содержание лейкозина, % РН

1. 1,35 6,8

2. 2,5-2,9 6,7

3. 4,5 6,8

4. 5,4 6,9

5. 6,75 6,8

Оценку структурно-механических характеристик «десерта», в зависимости от содержания в нем лейкозина МЗП, определяли по показателю вязкости на ротационном вискозиметре «Реотест-2» при 20°С. Было установлено, что чем больше содержание лейкозина в «десерте», тем выше его структурная вязкость и вязкость установившегося течения (табл. 19).

Из анализа вязкостных характеристик «десерта» следует, что оптимальными параметрами течения обладает «десерт» с содержанием лейкозина 2,5-2,9%. Введение лейкозина МЗП в «десерт» позволяет получить дополнительный стабилизирующий эффект, что существенно улучшает консистенцию десерта за счет повышения устойчивости соуса к расслоению. Лейкозин выполняет стабилизирующую функцию в продукте т.к. является поверхностно-активным веществом.

При температуре 21°С контрольный образец «десерта» расслаивается через 5 дней хранения, а ванильный десерт, где содержание лейкозина - 2,5-2,9% - через 9

дней при равных температурных условиях. При температуре 10°С контрольный образец сохраняет стабильность в течение 20 суток, а ванильный десерт (содержание лейкозина - 2,5-2,9%) - в течение 35 суток, что наглядно демонстрирует стабилизирующий эффект лейкозина, полученный с применением модифицированного метода ТСГХ.

Таблица 19. Вязкостные характеристики десертов в виде сладкого ва-

п ильного соуса с различным процентным содержанием лейкозина

№ Ско- Вязкость, сР

п/п рость 1 2 3 4 5

враще- (1,35% (2,5-2,9% (4,05% (5,4% (6,75%

ния ин-декто- лейкозина) лейкозина) лейкозина) лейкозина) лейкозина)

ра, об/

мин

1. 1 3080 8008 11298 14838 29640

2. 1,5 2360 6080 9125 11680 22440

3. 2 2020 4750 7030 9770 18370

4. 2,5 1780 3950 6300 8530 14820

5. 3 1680 3420 5523 7530 13620

6. 4 1500 2797 4610 6330 11020

7. 5 1265 2373 4000 5700 9060

8. 6 1140 2084 3370 5100 8270

9. 10 804 1523 2420 3790 5770

10. 12 740 1370 . 2231 3400 5079

11. 20 550 990 1731 2550 3630

12. 30 430 765 1420 2000 2800

13. 50 308 560 1047 1500 2050

14. 60 276 500 870 1330 1920

15. 100 200 360 630 1020 1200

Органолептические характеристики «десертов» с различным содержанием лейкозина приведены в табл. 20, откуда следует, что оптимальными органолепти-ческими свойствами обладает десерт, содержащий 2,5-2,9% лейкозина. Предлагаемая нами рецептура и технология производства ванильного десерта позволяет (при снижении его калорийности) повысить пищевую и биологическую ценность продукта за счет обогащения его необходимыми для организма человека эссенциаль-ными веществами, улучшить качество продукта, сохраняя при этом его стабильность при хранении. Выпущена опытная партия десерта на комбинате питания МГТУ им. Н.Э.Баумана, что подтверждено актом апробации от 12.04.2013 г.

Для улучшения пищевой ценности, повышения стабилизирующего эффекта и упрощения технологии получения широко распространенного пищевого соуса -майонеза «Белковый» применен модифицированный метод ТСГХ с целью получения лейкозина с заданными качественными характеристиками. Технология получения майонеза «Белковый» предусматривает приготовление двух смесей. В первой смеси лейкозин, экстрагированный из МЗП, взятый в количестве 11-12 масс.%, перемешивают с сухим обезжиренным молоком и горчичным порошком при температуре 18-22°С в течение 15-25 минут. Для второй смеси в воду с температурой 50-

70°С добавляют лимонную кислоту, пищевую соду, соль, сахар-песок и перемешивают в отдельной емкости в течение 15-25 минут.

Таблица 20. Органолептнческие характеристики десертов в виде сладкого ванильного соуса с различным содержанием лейкозина_

Органолептнческие характеристики 1 (1.35% лейкозина) 2 (2,5-2,9% лейкозина) 3 (4,05% лейкозина) 4 (5,4% лейкозина) 5 (6,75% лейкозина)

Цвет Кремовый Кремовый Кремовый Кремовый Кремовый

Запах Ванильный Ванильный Молочно-ванильный Молочно-мучной Мучной

Вкус Сладкий, с привкусом ванили Сладкий, с привкусом ванили Сладкий, молочный со слабым привкусом ванили Сладкий, с привкусом муки Сладкий, мучной

Консистенция Плотная, гомогенная, заметны жировые вкрапления Плотная, гомогенная без выделения капелек жира Плотная, гомогенная, незначительные жировые капли на поверхности Плотная, гомогенная значительные жировые капли на поверхности Плотная, гетерогенная, значительные жировые капли на поверхности

Затем обе смеси соединяют, перемешивают 20-40 минут при скорости вращения мешалки 50-70 об/мин и температуре 50-70оС. После чего в нагретую смесь до температуры 85-95оС по каплям в течении 12-18 минут дозируют в нагретое (85-95оС) подсолнечное масло, перемешивают до получения однородной эмульсии и охлаждают до температуры 18-22оС с получением конечного продукта - майонеза.

Полученная новая рецептура майонеза «Белковый», включает (%): подсолнечное масло-34-35; лейкозин - 11-12; сухое обезжиренное молоко - 1 .%-2; сахар-песок - 1,3-1,7; горчичный порошок - 0,5-0,75; соль - 0,9-1,3; сода пищевая - 0,040,06; лимонная кислота - 0,6-0,8; вода -до 100%.

Влияние лейкозина на структурно-реологические свойства майонеза «Белковый» изучали на ротационном вискозиметре «Реотест-2» при 20оС после термоста-тирования в течение 30 минут. Исследованию подвергались образцы майонеза с содержанием лейкозина 8, 10, 11 и 12% от общей массы. В качестве контрольного образца использовали майонез «Провансаль».

Известно, что вещества, обладающие поверхностно-активными свойствами и выступающие в роли эмульгатора жироводных эмульсий при существенном росте их содержания в композиции могут являться структурообразователями, т.е. существенно влиять на вязкостные свойства майонеза.

При концентрации лейкозина в составе майонеза в количестве 8-10 масс.%, майонез слабо проявляет свои структурообразующие свойства, а при концентрации лейкозина - 11-12% масс, (рис.22), эти свойства проявляются в полной мере и способствуют образованию предела текучести майонеза, что является его необходимым эксплуатационным свойством. При этом гидрофильность молекул лейкозина

способствует структурообразованию майонеза. Из рис. 23 видно, что характер кривых течения майонезов «Белковый», содержащих 8 и 10 масс.% лейкозина, практически идентичен. В то же время кривые течения майонезов «Белковый», содержащие 11-12 масс.% лейкозина, значительно отличаются от двух предыдущих кривых и сопоставимы с кривой течения эталонного образца майонеза «Провансаль».

Рис. 23: Кривые течения майонеза "Про- Рис. 24. Зависимость вязкости водного рас-вансаль" и майонеза "Белковый", содержа- твора загустителя от его концентрации. Вещего 8, 10, 11 и 12% белка лейкозина. А- лок - лейкозин. "Провансаль", • - 8% лейкозина, О - 10% лейкозина, ■ - 11% лейкозина, *- 12% лейкозина.

Этот факт можно объяснить результатами, приведенными на рис. 24, где показано, что при содержании лейкозина более 10 масс.%, вязкость его водных растворов начинает существенно возрастать. Таким образом, очевидно, что в данном случае, вязкость майонеза «Белковый» возрастает именно за счет содержания лейкозина. В связи с этим можно сделать вывод, что содержание лейкозина в количестве! 1-12 масс.% является оптимальным с точки зрения структурных характеристик майонеза «Белковый» по сравнению с аналогичными характеристиками для майонеза «Провансаль».

В табл. 21 приведены физико-химические показатели майонеза «Белковый» в сравнении с контрольными показателями майонеза «Провансаль» в процессе хранения. Из табл. 21 следует, что майонез «Белковый» по показателям кислотности и стойкости в процессе длительного хранения при температуре от 18 до 20оС является более стабильной эмульсией, что свидетельствует об эффективности модифицированного метода ТСГХ.

Таблица 21. Кислотность и стойкость майонезов «Белковый» и «Провансаль» в процессе длительного хранения

Майонез Кислотность,% (при 18-20°С) Стойкость (при 18-20°С)

0 сут. 5 сут. 10 сут. 0 сут. 5 сут. 10 сут.

; «Провансаль» 0,24 0,24 0,30 не рассл. не рассл. незначит, выделение воды

«Белковый» 0,30 0,30 0,32 не рассл. не рассл. не рассл.

Выполненный комплекс исследований по применению лейкозина в составе майонеза «Белковый» позволили разработать рецептуру технологии и нормативную документацию на этот вид продукта.

Нами проанализированы товароведные характеристики майонеза «Белковый», которые свидетельствуют, что по органолептическим, микробиологическим, показателям безопасности разработанный продукт удовлетворяет требованиям нормативной документации.

1) По органолептическим показателям - внешний вид и консистенция: консистенция однородная сметанообразная с незначительными отдельными вкраплениями пузырьков воздуха; цвет - желтоватый; вкус чистый, слегка острый; запах, присущий майонезу.

2) По микробиологическим показателям следует, что майонез не превышает допустимых уровней, указанных в СанПиН 2.3.2.1078-01.

: 3) По показателям безопасности майонез «Белковый» не превышает допустимые уровни, установленные требованиями нормативной документации ТУ-9143-022-56529037-13

Таким образом, сбалансированные технологии производства майонеза «Белковый» позволяют получить конечный продукт с устойчивыми качественными показателями: улучшается пищевая ценность продукта, повышается устойчивость эмульсии к расслоению, а также существенно упрощается технология получения майонеза и, как следствие, улучшается ее стабильность при хранении.

3.9. Разработка нормативной документации с учетом нового товаровед-пого показателя качества растительных белков и промышленная апробация модифицированного метода и соответствующих технологий.

Разработан новый объективный товароведный показатель качества растительных белков - молекулярная масса, который внесен в нормативную документацию - ТУ-9143-022-56529037-13 и может служить достоверным критерием при идентификации и определении степени фальсификации растительного сырья и продуктов его переработки. Разработана методика инструментального обеспечения оценки качества белков в растительном сырье на основе модифицированного автором метода ТСГХ, которая может применяться в таможенной практике при определении возможной фальсификации зернопродуктов. Установлена возможность прогностической оценки качества зерна и муки по составу образующих ее белков, позволяющей контролировать качество и уровень фальсификации исходного сырья и конечного продукта на предприятиях пищевой промышленности (Акт апробации результатов диссертациопного исследования от 16.02.2006 г. мельзавод № 2, мелькомбинат № 4 «Мосгорхлебопродукт»).

Результаты анализа высокомолекулярных фракций гордеина и глютелина ячменя, определяющих качество пивоваренной продукции, апробированы на предприятиях пищевой промышленности. Установленные сортовые различия в составах белковых комплексов ячменей позволяют адаптивно управлять технологическим процессом производства пива в зависимости от белкового состава (Акт промышленной апробации от 23.11.2005 г. на ОАО «Останкинский пивоваренный завод»). Эффект устойчивого ценообразования и стабильности пивной пены при использо-

вании смеси лейкозина ячменного зерна и лейкозина солода подтвержден Патентом РФ 2470992. Разработаны рецептуры и технологии новых пищевых продуктов на основе лейкозина МЗП: способ производства ванильного десерта (Заявка на патент № 2012150239, положительное решение от 25.12.2012), (Акт апробации о выпуске ванильного десерта от 12.04.2013); майонез «Белковый» и способ его получения (Заявка на патент № 2013118572; положительное решение от 14.06.2013), разработано ТУ-9143-022-56529037-13 и ТИ на майонез «Белковый». Согласно ТУ и ТИ осуществлено промышленное производство майонеза (Акт о выпуске промышленной партии майонеза «Белковый» от 28.08.2013г.). Результаты экспериментальных исследований были апробированы в производственных условиях для оценки и контроля качества исходного сырья и готовой продукции, в условиях ОАО «Останкинский пивоваренный завод», ОАО «Истра-Хлеболродукг», ОАО «Вязьминский мелькомбинат», мельзавод № 2, мелькомбинат № 4, Комбинат питания МГТУ им. Баумана, научно-производственная фирма НПКФ «ДекосТ», (Акты промышленных испытаний прилагаются).

Заключение

По существу полученных результатов можно сделать следующее заключение.

Предложен новый объективный товароведный показатель качества растительных белков - молекулярная масса и разработана методология определения этого показателя методом ТСГХ в модификации автора. Разработана математическая модель процесса ТСГХ, изучен массообмен и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков.

Разработана методика и соотвегствующее инструментальное обеспечение модифицированного метода ТСГХ, реализация которого доступна производственной лаборатории.

Подтверждены аналитико-методические достоинства метода; быстрота анализа, во много раз превышающая временные параметры колоночной ГПХ; несоизмеримо меньшие масштабы проб аналита, большая чувствительность метода, позволяющая использовать для фракционирования белков метод ТСГХ, вместо комбинаций колоночного варианта ГПХ с другими методиками для достижения равноценных результатов; возможность параллельного сравнительного анализа проб разных образцов. Установлено, что разработанный модифицированный метод ТСГХ может заменить сложные комбинированные методы колоночной гель-хроматографии, электрофореза и ультрацентрифугирования.

Решены проблемы оптимизации протекания белковых реакций в водных растворах и подтверждены основные факторы конформационной стабильности белковых молекул. Разработаны общие закономерности диффузионно-сорбционной кинетики процесса модифицированной ТСГХ. Проведена классификация формирования хроматографических зон с учетом факторов диффузии, конвекции и градиента концентрации.

Разработана методика объективного товароведного критерия комплексного анализа качества растительных белков. Показано, что значения молекулярных масс исследуемых объектов лежат в пределах от 4500 до 150000 для зерна пшеницы, ржи,

в пределах от 8000 до 180000 для зерна кукурузы и, в пределах от 9000 до 300000 -дня зерна ячменя.

Изучены метрологические характеристики метода и вопросы их регулирования, что позволяет получать воспроизводимые результаты своеобразного качественного анализа полимеров по количественной характеристике молекулярных масс и количественного анализа белков способами оптической денситометрии.

Обоснована целесообразность использования объективного товароведного показателя качества - ММ растительных белков в технологиях пивоварения и оценена возможность использования белков, полученных из растительного сырья с помощью модифицированного метода ТСГХ, в технологиях пищевых продукт ов.

Разработана нормативная документация с учетом разработанного нового объективного товароведного показателя качества растительных белков с применением модифицированного метода ТСГХ и проведена промышленная апробация разработанного метода и соответствующих технологий.

Итоги выполненных исследований представлены в следующих выводах

1. Предложен новый объективный товароведный показатель анализа качества растительных белков - молекулярная масса на основе модифицированного метода гель-хроматографии в тонком слое. Разработан модифицированный метод ТСГХ определения показателя ММ как составной части комплекса методов, предназначенных для товароведной оценки растительных белков, простой экономичный, доступный. На основе модифицированного метода ТСГХ разработаны методики определеши ММР белков 21 злака и их разновидностей.

2. Разработана модель модифицированного процесса ТСГХ, изучен массооб-мен и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков. Установлены соотношения между диффузионными и сорбционными процессами и определены оптимальные режимы разделения в соответствии с природой и структурой сорбента. Выявлена особенность метода как гидравлической системы для конкретной модели потока и установлено, что максимальная эффективность разделения определяется углом наклона пластины в диапазоне 12°-20° и скоростью потока ПФ.

3. Объяснены особенности формирования ХЗ белков и разработана их классификация. Определено долевое участие факторов процесса ТСГХ при формировании ХЗ: характеристика сорбента, длина пробега, скорость ПФ элюента, время эксперимента, концентрация, угол наклона (5"-25"). Показано, что закономерности формирования ХЗ, определенные для ПЭГ, могуг быть распространены на другие высокомолекулярные соединения, с учетом характерных для ПЭГ линейности их молекул.

4. Разработан алгоритм и методология модифицированного метода ТСГХ, адаптированного к товароведной оценке качества растительных белков. Подтверждены методические преимущества метода: эффективность, экспрессность, возможность параллельного сравнительного анализа образцов. Экспериментально показано, что ТСГХ может заменить сложные комбинированные методы электрофореза, ультрацентрифугирования и колоночной ГПХ, позволяя достичь сопоставимого разрешения по диапазону относительной ММ, а по показателям воспроизво-

дим ости, чувствительности и разрешающей способности превосходит колоночную

гпх.

5. Изучены особенности модифицированного метода ТСГХ по показателям разрешающей способности, диапазону разделения низкомолекулярных и высокомолекулярных белков и относительной ММ. Оптимизированы условия товароведной оценки растительных белков. Установлена возможность прогностической оценю! клейковинного комплекса сортовых и рядовых пшениц, качества зерна и муки ржи, кукурузы и ячменя по составу образующих ее белков. Полученные значения ММ лежат в пределах от 4500 Да до 150000 Да для белков пшеницы, ржи, кукурузы и, в пределах от 9000 Да до 300000 Да - для белков ячменя. Определены высокомолекулярные фракции эдестина. Разработана методика анализа высокомолекулярных фракций гордеина и глютелина ячменя. В отношении фракционных белков ячменного зориа определено до 23 фракций, а фракционных белков пшеничного зерна - до 34 фракций.

6. Разработан объективный товароведный критерий количественного анализа качества растительных белков. Показано, что данный критерий позволяет оценивать количественные характеристики между низкомолекулярными и высокомолекулярными составляющими белка в зависимости от сортовой принадлежности и адаптивно осуществлять управление технологическим процессом.

7. Определено влияние значений рН элюента на эффективность процесса ТСГХ на примере ячменного зерна, муки и солода. Показано, что уменьшение рН приводит к увеличению содержания водо- и солерастворимых фракций в солоде и уменьшению их в зерне и муке. Установлена максимальная разрешающая способность для гордеина и глютенина ячменя и солода в нейтральной и слабощелочной средах рН, которая позволяет: повышать экономичность процесса пивоварения; улучшать органолептические показатели готовой продукции; рекомендовать моделирование технологического процесса производства пива в зависимости от полученных белковых характеристик.

8. Изучена возможность применения модифицированного метода ТСГХ в технологии получения лейкозина из муки зародышей пшеницы. Установлено, что лейкозин МЗП способен иметь разброс по аминокислотному составу, что можно объяснить разными районами произрастания зерна пшеницы и ее сортовыми особенностями.

9. На основании проведенных исследований и по совокупности свойств: аминокислотному составу, биологической ценности, эмульгирующим свойствам, микробиологическим и показателям безопасности, содержанию витаминов и макроэлементов в качестве пищевой добавки рекомендован белок лейкозин МЗП. Обосновано использование лейкозина в качестве БАД при производстве пищевых продуктов.

10. Обоснована целесообразность использования объективного товароведного показателя качества - ММ растительных белков в техиологаях пивоварения. Применение смеси лейкозина ячменного зерна с молекулярной массой 15000 Да и лейкозина солода с молекулярной массой 6000 Да в качестве пенообразователей при производстве пива в соотношении от 1:1 до 1:2 позволяет получить эффект

устойчивого ценообразования и пеностойкости готового продукта. (Патент РФ 2470992).

11. Изучена возможность использования белков из растительного сырья с помощью модифицированного метода ТСГХ в технологиях эмульсионных продуктов. Разработан десерт в виде соуса ванильного сладкого с использованием лейко-зина муки зародышей пшеницы и подсластителя неуглеводной природы (20%-ого экстракта стевии), имеющий пониженную калорийность и повышенную устойчивость к расслоению. (Заяв. на патент Ks 2012150239. Положительное решение от 25.12.2012). Выпущена опытная партия продукта (Акт промышленной апробации от 12.04 2013.).

12. Разработан майонез «Белковый» с применением в рецептуре лейкозина муки зародышей пшеницы. Майонез имеет повышенную пищевую и биологическую ценность, устойчив в процессе хранения. (Заяв. па патент № 2013118572. Положительное решение от 14.06.2013). Разработана нормативная документация ТУ-9143-022-56529037-13. Осуществлено промышленное производство майонеза.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации Монографии

1. Гурковская, Е.А. Определение молекулярных масс растительных белков методом гель-хроматографии в тонком слое. /Е.А. Гурковская. //М.: «Хлебпродин-форм», 2011,194 с.

2. Гурковская, Е.А. Колебательные процессы и конформация белковых молекул в тонкослойной гель-хроматографии. /Е.А. Гурковская, Е.В. Грузинов, A.A. Петренко. //М.: «Хлебпродинформ», 2012,204 с.

3. Гурковская, Е.А. Товароведная оценка муки зародышей пшеницы. / М.В. Иванова, Е.В. Грузинов, Е.А. Гурковская. //М.: «Хлебпродинформ», 2012,70 с.

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК

4. Гурковская, Е.А. Определение биополимеров в пищевых продуктах методом пленарной ГП-хроматографии. / Г.С. Палуцки, Е.А. Гурковская, Ю.А. Клячко. //Аграрная наука, № 6,1999, с.76-79.

5. Гурковская, Е.А. Новый метод гель-хроматографии для исследования белкового состава зерна и зерпопродуктов. / Г.С. Палуцки, Е.А. Гурковская, Ю.А. Клячко. //Аграрная наука, № 9, 1999, с.85-87.

6. Гурковская, Е.А. Тонкослойная хроматография в России. / Б.Г. Беленький, Е.А. Гурковская, Ю.Д.Коган, В.Д. Красиков. // ''Сто лет хроматографии", М.: "Наука", 2003, с. 61-99.

7. Гурковская, Е.А. Молекулярно-ситовая хроматография в полимерном анализе зерновых культур. /Е.А. Гурковская. //Сборник «Научно-технические разработки университета», Москва, 2004, с.48.

8. Гурковская, Е.А. Особенности анализа высокомолекулярных соединений методом тонкослойной эксклюзионной хроматографии с использованием угла наклона пластины. /Гурковская Е.А., Ю.А. Клячко. //Сорбционные и хроматографиче-ские процессы, 2005, Том, 5. Вып. 1, с. 32-44

9. Гурковская, Е.А. Сравнение динамики процессов тонкослойной эксклюзионной хроматографии и механического ситового разделения. /Е.А. Гурковская, Ю.А.

Клячко. //Сорбционные и хроматографические процессы, 2005, Том, 5. Выи. 1, с. 45-54.

10. Гурковская, Е.А. Особенности диффузионно-сорбционной кинетики процесса в ТСЭХ с учетом угла наклона пластины на примере полиэтиленгликолей. /Е.А. Гурковская, Ю.А. Клячко. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2005. Том 5. Вып. 1, с. 55-68.

11. Гурковская, Е.А; Экспериментальное исследование механизма формирования хроматографических зон в процессе тонкослойной эксклюзионной хроматографии. /Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2005, Том 5. Вып. 2, с. 202-211.

12. Гурковская, Е.А. Скоростные режимы модели ТСЭХ и факторы, определяющие физико-химические закономерности анализа белков. /Е.А. Гурковская, Ю.А. Клячко. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2005, Том 5. Вып. 2, с. 212-224.

13. Гурковская, Е.А. Количественные закономерности в молекулярно-массовом распределении белков трибы зерновых, определенные с помощью тонкослойной эксклюзионной хроматографии. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2005, Том 5. Вып. 3, с. 378-389.

14. Гурковская, Е.А. Практическое применение тонкослойной эксклюзионной хроматографии при анализе белков. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2005, Том 5. Вып. 5, с. 621-640.

15. Гурковская, Е.А. Сравнительный анализ молекулярно-массового распределения белков злаков в тонкослойной эксклюзионной хроматографии. /Е.А. Гурковская, Ю.А. Клячко. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2005, Том 5. Вып. 5, с.641-658.

16. Гурковская, Е.А. Исследование белков злаков в условиях тонкослойной эксклюзионной хроматографии (Обзор). / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том, 6. Вып. 4, с. 503-545.

17. Гурковская, Е.А. Исследование влияния сортовых особенностей на качественный и количественный состав белков ячменя, муки и солода в ТСЭХ. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том, 6. Вып. 4, с. 606-611.

18. Гурковская, Е.А. ТСЭХ в качественном и количественном анализе глиади-нов и глютенинов зерна пшеницы и пшеничной муки. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том, 4. Вып. 4, с. 636-641.

19. Гурковская, Е.А. Особенности полимерного анализа зерновых культур в ТСЭХ на сорбентах сефадекс при разных значениях рН среды элюента. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том 6. Вып. 3, с.472-477.

20. Гурковская, Е.А. Вязкость и диссоциация молекул белка в условиях тонкослойной эксклюзионной хроматографии. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том 6. Вып. 3, с.466-471.

21. Гурковская, Е.А. Механизм формирования хроматографических зон биополимеров в процессе ТСЭХ. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том 6. Вып. 5, с. 702-711.

22. Гурковская, Е.А. Технология и особенности тонкослойной хроматографии полимеров. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том 6. Вып.6, ч.4, с. 1331-1343.

23. Гурковская, Е.А. Исследование макромолекулярных компонентов злаков в тонкослойной эксклюзионной хроматографии. / Е.А. Гурковская. // Сорбционные и хроматографические процессы, 2006, Том 6. Вып.6, ч.4, с. 1381-1392.

24. Гурковская, Е.А. Особенности тонкослойной эксклюзионной хроматографии полимеров (Обзор). / Е.А. Гурковская. // «Прикладная химия», №3, с.374-383, т.81,2008.

25. Гурковская, Е.А. Применение смеси лейкозина ячменного зерна и лейкози-на солода в качестве пенообразователя. /Е.А. Гурковская, Е.В. Грузинов. //«Пищевая промышленность», «Пиво и напитки», № 4,2012, с. 12-13.

26. Гурковская, Е.А. Тонкослойная гель-хроматография в анализе некоторых нгакомолекулярных растительных белков. /Е.А. Гурковская, Е.В. Грузинов. //«Пищевая промышленность», «Пиво и напитки», № 5, 2012, с.40-45.

27. Гурковская, Е.А. Определение товароведных характеристик растительных белков пшеницы методом тонкослойной гель-хроматографии. / Е.А. Гурковская. // «Пищевая промышленность», «Хранение и переработка сельхозсырья», № 10, 2012, с.46-50.

28. Гурковская, Е.А. Новый десерт - сладкий ванильный соус. /Е.А. Гурковская, Е.В. Грузинов. // «Пищевая промышленность», № 4,2013, с.ЗО-31.

29. Гурковская, Е.А. Майонез «Белковый». / Е.А. Гурковская, Е.В. Грузинов. // «Пищевая промышленность», № 7,2013, с.52-54.

30. Гурковская, Е.А. Аминокислотный состав и некоторые функциональные свойства лейкозина, выделенного из муки зародышей пшеницы. /Е.А. Гурковская, Е.В. Грузинов. // «Пищевая промышленность», «Хранение и переработка сельхозсырья», № 7,2013, с.24-26.

Статьи и материалы конференций

31. Gyrkovskaya, Е.А. The Investigation and applicaition of the TLGC. / E.A. Gyrkovskaya, Yu.A. Klychko. //The 2-nd International Simposium "Chromatography and spectroscopy in environmental analysis and toxicology, ISCSE'96", St.Petersb., 1996, p.95-96.

32. Гурковская, Е.А. Исследование макромолекулярного состава злаков хро-матографическими методами. /Е.А. Гурковская. //В сб. «Исследование макромолекулярного состава злаков хроматографическими методами». М.; «Хлебпродин-форм», 2003, с. 1-20 (Обзор).

33. Гурковская, Е.А. Исследование белковых комплексов злаковых культур методом тонкослойной эксклюзионной хроматографии. (Обзор). /Е.А. Гурковская. // В сб. «Исследование белковых комплексов злаковых культур методом тонкослойной эксклюзионной хроматографии». М.: «Хлебпродинформ», 2003, с. 3-29.

34. Гурковская, Е.А. Исследование влияния сортовых особенностей на качественный состав белковых комплексов ячменя, муки и солода методом тонкослойной эксклюзионной хроматографии. /Е.А. Гурковская. // Сб. науч. статей «Практи-

ческое применение метода тонкослойной эксклюзиошюй хроматографии при анализе белков». М.;«Хлебпродинформ», вып. 2, 2004, с. 16-23.

35. Гурковская, Е.А. Качественная характеристика белковых фракций зерна ячменя и продуктов его переработки. /Е.А. Гурковская. // Там же. М.; «Хлебпро-динформ», вып. 2,2004, с. 3-6.

36. Гурковская, Е.А. Изучение качественного и количественного состава глиадинов и глютенинов зерна пшеницы и пшеничной муки методом тонкослойной эксклюзионной хроматографии. /Е.А. Гурковская. // Там же. М.; «Хлебпродин-форм», вып. 2,2004, с. 23-31.

37. Гурковская, Е.А. О структуре молекулы белка и понимании белковых реакций. /Е.А. Гурковская, A.A. Петренко. // Сб. науч. статей «Исследование равновесных состояний в биосистемах». М.; «Хлебпродинформ», вып. 1,2004, с. 3-9.

38. Гурковская, Е.А. Исследование равновесных состояний в биосистемах. /Е.А. Гурковская, A.A. Петренко. // Сб. науч. статей «Исследование равновесных состояний в биосистемах». М.; «Хлебпродинформ», вып. 1,2004, с. 16-22.

39. Гурковская, Е.А. Гель-хроматография белковых соединений в тонком слое. / Е.А. Гурковская. /Л Международная межвузовская конференция «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания». Сб научн. статей. Москва, 2010,с.134-137.

40. Гурковская, Е.А. Теоретические и практически аспекты тонкослойной гель-хроматографии. / Е.А. Гурковская. /ЛП Международная межвузовская конференция «Современные методы аналитического контроля качества и безопасности продовольственного сырья и продуктов питания». Сб научн. статей. Москва, 2012, с. 1722.

Авторские свидетельства и патенты

41. Патент РФ 2470992. Применение смеси лейкозина ячменного зерна и лейкозина солода в качестве пенообразователя при производстве пива. /Гурковская, Е.А., Грузинов Е.В.; № 2012105959/10; заявл.21.02.2012-опубл. 27.12.2012, Бюл. № 36- 5с.

42. Способ производства десерта в виде сладкого ванильного соуса. /Гурковская, Е.А., Грузинов, Е.В. Заявка № 2012150239 от 26.11 2012 (положительное решение от 25.12.2012).

43. Майонез и способ его получения. /Гурковская, Е.А., Грузинов, Е.В. Заявка №2013118572 от 23.04.2013 (положительное решение от 14.06.2013).

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

• ТСГХ - тонкослойная гель-хроматография

• ГПХ - колоночная гель-проникающая хроматография

• ТСХ - тонкослойная хроматография

• ТСЭХ - тонкослойная эксклюзионная хроматография

• ММ - молекулярная масса

• ХЗ - хроматографическая зона

• ПФ - подвижная фаза

• ПЭГ - полиэтиленгликоль

• ММР - молекулярно-массовое распределение

• ДДС- N3 - додецилсульфат натрия

• ПААГ - полиакриламидный гель

• И - инсулин

• Рб - рибонуклеаза

• Х- химотрипсин

• Тр - трипсин

• ОВА - овальбумин

• БСА - бычий сывороточный альбумин

• ИЭТ - изоэлектрическая точка

• ТХУ - трихлоруксусная кислота

• КЭБ - коэффициент эффективности белка

• ДЭАЭ - целлюлоза - диэтиламиноцеллюлоза

• УКЗ Бенуа - универсальная калибровочная зависимость Бенуа

• МЗП - мука зародышей пшеницы

• ВПС - водопоглотительная способность

• БАД - биологическая активная добавка

• ЛЗ - лейкозин ячменного зерна

• ЛС - лейкозин ячменного солода

• Суммарный белок - белок, экстрагированный 0,2% -ным раствором ИаОН в 50%-ном С2Н50Н;

• Фракционные белки: белки, экстрагированные по схеме Осборна:

• Низкомолекулярные белки: водорастворимые (Н20) - альбумин, лейкозин; солерастворимые (№С1) - глобулин, эдестин;

• Высокомолекулярные (запасные) белки: спирторастворимые (С2Н50Н) -проламины (глиадин, зеин, секалин); щелоче-(ЫаОН), кислотораствори-мые (СНЗСООН)- гордеин, глютенин (глютелин)

Отпечатано в типографии ООО "Франтера" Подписано к печати 26.09.2013г. Формат 60x84/16. Бумага "Офсетная №1" 80г/м2.

п _ - а . _„. . л г_______ 1 fyg -Г"________»лл П_____ПА

nchdib 1уац>(ц)ыпал. у cji.uci.ji. i ираж iuu. .заказ ujи

WWW.FRANTERA.COM

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ им. К.Г. РАЗУМОВСКОГО

05201450188 ^а пРавах рукописи

ГУРКОВСКАЯ ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТОВАРОВЕДНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ БЕЛКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕЛЬ-ХРОМАТОГРАФИИ

В ТОНКОМ СЛОЕ

Специальность 05.18.15 - «Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания» (технические науки)

Научный консультант - Грузинов Евгений Владимирович,

доктор химических наук, профессор

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2013

Оглавление и план изложения диссертации

Общая характеристика работы..................................................................8

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................18

1.1.0 гель-проникающей хроматографии......................................................18

1.1.1. Колоночная и тонкослойная гель-проникающая хроматография. Сущность метода..............................................................................................25

1.1.2. Объемные соотношения в слое геля. Эффективность гель-хроматографии. ........................................................................................................27

1.1.3. Сродство анализируемых веществ к гелю. Гидрофильные гели...............31

1.1.4. Определение молекулярной массы. Калибрование................................33

1.1.5. Тонкослойная гель-хроматография. Особенности метода...........................38

1.1.6. Технология метода. Значение природы структуры сорбента...................40

1.2. О структуре молекулы белка и понимании белковых реакций...................46

1.2.1. Конформационные и конфигурационные переходы макромолекул белков...............................................................................................47

1.2.2. Факторы, определяющие конформационную устойчивость белков. Значение термина «развертывание»......................................................................51

1.2.3. Связанная вода.............................................................................53

1.2.4. Функциональные свойства белков........................................................54

1.3. Белки и их функциональные свойства. Химический состав зерна злаковых культур...................................................................................................58

1.3.1. Структура и биохимические компоненты злаков..................................67

1.3.2. Белковые характеристики злаков. Влияние белковых компонентов на качество сырья...................................................................................69

1.3.3. Химический состав и технологические свойства злаков........................74

1.3.4. Высокомолекулярные белки пшеницы и ржи......................................78

1.3.5. Химический состав и белковые характеристики ячменей.......................83

1.3.6. Химические методы анализа биополимеров.......................................87

1.3.7. Физические и физико-химические методы.........................................92

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................99

2.1. Объекты исследования....................................................................99

2.2. Методы исследования.....................................................................104

2.2.1. Определение молекулярных масс растительных белков методом

модифицированной ТСГХ....................................................................104

2.2.1.1. Методические вопросы.................................................................104

2.2.2. Методы выделения лейкозина, глобулина, проламина, глютелина.........................................................................................111

2.2.3. Аминокислотного состава............................................................114

2.2.4. Пенообразующей способности и стойкости пены..............................115

2.2.5. Эмульгирующей емкости.............................................................116

2.2.6. Водопоглотительной способности...................................................117

2.2.7. Изоэлектрической точки..............................................................117

2.2.8. Содержания витаминов...................................................................118

2.2.9. Минеральных веществ.................................................................119

2.2.10. Токсичных элементов................................................................119

2.2.11. Микробиологические показатели.................................................119

2.2.12. Реологические характеристики эмульсионных продуктов......................119

2.3. Метрологическая обработка результатов............................................121

2.3.1. Метрологические исследования на основе статистической обработки

данных эксперимента.............................................................................121

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.........................130

3.1. Разработка методологии определения молекулярной массы растительных белков как объективного показателя их качества..................................................130

3.2. Разработка модифицированной модели процесса ТСГХ. Массообмен и факторы, определяющие физико-химические закономерномти анализа белков с учетом диффузионно-сорбционной кинетики процесса................................134

3.2.1. Идеальная модель процесса ТСГХ..................................................134

3.2.2. Реальная модель процесса ТСГХ...................................................140

3.2.3. Некоторые особенности процесса ТСГХ..........................................141

3.2.4. Сравнение и анализ динамики процессов ТСГХ и механического ситового разделения.......................................................................................149

3.2.4.1. Сходство и различия механического и молекулярно-ситового разделения. ......................................................................................................149

3.2.4.2. Особенности молекулярно-ситового процесса.................................153

3.2.4.3. Факторы, определяющие поведение молекул в слое сорбента.............157

ГЛАВА 4. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ТСГХ..................163

4.1. Особенности диффузионно-сорбционной кинетики в ТСГХ....................164

4.1.1. Возможные частные случаи процесса.............................................167

4.2. Общие закономерности формирования хроматографической зоны в процессе ТСГХ...................................................................................................169

4.3. Влияние факторов процесса на формирование хроматографической зоны в

ТСГХ..............................................................................................172

4.3.1. Формирование хроматографических зон с учетом конвективного фактора в процессе ТСГХ................................................................................178

4.4. Исследование механизма формирования хроматографических зон на примере ПЭГ................................................................................................183

4.4.1. Экспериментальное определение коэффициента диффузии..................183

4.4.2. Зависимость коэффициентов диффузии от параметров процесса ТСГХ ......................................................................................................184

4.4.3. Зависимость отношений осей эллипса от диффузии и сорбции в хроматографической зоне.....................................................................189

Заключение к главе 4

197 201

ГЛАВА 5. МАССООБМЕН И ДИНАМИКА СКОРОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТСГХ..............................................................................................203

5.1. Факторы, определяющие оптимальные режимы разделения......................205

5.2. Динамика скоростных процессов.....................................................209

5.3. Вязкость и диссоциация молекул белка в процессе ТСГХ.......................216

5.3.1. Скорость потока как функция вязкости подвижной фазы.......................222

5.3.2. Особенности метода ТСГХ как гидравлической системы. Уравнение

Бернулли..........................................................................................224

Заключение к главе 5.........................................................................228

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ БЕЛКОВ В УСЛОВИЯХ ТСГХ.........229

6.1. Разработка методологии и алгоритма инструментального метода ТСГХ, адаптированного к товароведной оценке качества растительных белков.........229

6.2. Оценка модифицированного метода по показателям разрешающей способности, диапазону разделения низкомолекулярных и высокомолекулярных белков и относительной молекулярной массы. Оптимизация условий товароведной оценки растительных белков..............................................231

6.2.1. Анализ фракционных белков методом ТСГХ......................................235

6.2.1.1. Альбумины и глобулины пшеницы...............................................235

6.2.1.2. Лейкозины и эдестины ячменя....................................................238

6.2.1.3. ТСГХ пива и пивной пены..........................................................244

6.2.2. Наши результаты и проблема клейковины........................................245

6.2.2.1. Глиадины и глютенины пшеницы................................................248

6.2.2.2. Глиадины и глютенины ржи и ржаной муки....................................252

6.2.2.3. Проламины (зеин) и глютелины кукурузы.....................................253

6.2.2.4. Проламины (гордеин) и глютелины ячменя....................................256

6.3. Обоснование и разработка объективного товароведного критерия количественного анализа качества растительных белков..............................259

6.3.1. Количественная характеристика суммарных белков злаков..................259

6.3.2. Количественная характеристика фракционных белков пшеницы и ее разновидностей..................................................................................262

6.3.3. Количественная характеристика фракционных белков ячменя и его

разновидностей................................................................................264

ГЛАВА 7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРАСТВОРИМОГО БЕЖА МУКИ ЗАРОДЫШЕЙ ПШЕНИЦЫ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ НА

ЕГО ОСНОВЕ..............................................................................................270

7.1. Изучение возможностей применения модифицированного метода ТСГХ в технологии получения лейкозина из муки зародышей пшеницы.....................271

7.1.1. Физико-химические свойства лейкозина. Молекулярная масса...............271

7.1.2. Аминокислотный состав...............................................................273

7.1.3. Пенообразующая способность и стойкость пены................................275

7.1.5. Изоэлектрическая точка................................................................275

7.1.5.1. Влияние рН среды элюента на хроматографический анализ белков .........................................................................................................276

7.1.6. Содержание витаминов.................................................................279

7.1.7. Минеральные вещества...................................................................281

7.1.8. Токсичные элементы.......................................................................281

7.1.9. Микробиологические показатели....................................................282

7.1.10. Показатели безопасности............................................................283

Заключение к главе 7..........................................................................284

ГЛАВА 8. РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ТСГХ В КАЧЕСТВЕ КОНТРОЛЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ БЕЛКОВЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ.......................286

8.1. Обоснование целесообразности использования объективного товароведного показателя качества - молекулярной массы растительных белков в технологиях

пивоварения.....................................................................................286

8.1.1. Регулирование пенообразования пива с помощью лейкозина...............286

8.2. Возможность использования белков, полученных из растительного сырья с помощью модифицированного метода ТСГХ, в технологиях эмульсионных

продуктов..................................................................................................292

8.2.1. Соус ванильный сладкий...............................................................292

8.2.2. Майонез «Белковый»...................................................................297

8.3. Разработка нормативной документации с учетом нового товароведного показателя качества растительных белков и промышленная апробация

модифицированного метода и соответствущих технологий...........................302

Заключение к главе 8.............................................................................303

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ ОБСУЖДЕНИЕ ИТОГОВ РАБОТЫ.........................305

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................309

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................313

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ..........................................342

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ (ТСГХ) МЕТОД ПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ РАСТИТЕЛЬНЫХ БЕЛКОВ В ПИЩЕВОМ СЫРЬЕ

И ПРОДУКТАХ ПИТАНИЯ................................................................344

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПАТЕНТЫ...............................................................356

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ТУ и Акты выпуска промышленной партии продукта.......362

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акты апробации........................................................371

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. МОНОГРАФИИ......................................................375

1 Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Качество питания сегодня рассматривается как фактор национальной безопасности, поэтому определение химического состава, строения и надмолекулярной структуры сырья и продуктов питания является актуальной задачей. Решающим моментом в науке о биологических свойствах представителей зерновых является определение молекулярно-массового распределения (ММР) нативных полимеров и олигомеров. Особое место при этом занимает оценка содержания и комплексообразования белков, так как белки являются важнейшим фактором пищевой ценности продуктов питания.

Для установления этих характеристик необходимо обеспечить выделение из пробы характерного данного нативного белка, обеспечить белковую полноценность продукта в современном смысле этого понятия, и, одновременно, в специфическом, в связи с его физико-химической и механической структурой. И вопрос о качественном составе биополимеров злаков, о фракционном составе, которым обусловлены специфические белковообразующие структуры, отвечающие за качество продукции, о влиянии запасных белков на технологию переработки, является одним из основных вопросов современной аналитики в этой области, а соотношение структуры и функции белков является важнейшим вопросом биотехнологии.

Имеющиеся в данное время результаты рекомендуют более глубокие подходы к решению проблемы, но налицо еще явно недостаточное знание процессов именно на молекулярном уровне, происходящих в зерне при произрастании и технологии переработки в хлебобулочную, макаронную, крупяную и пивоваренную продукцию. Эмпирика здесь далеко опередила науку. Какие пищевкусовые свойства необходимы для конечного продукта - хорошо известно; понятно, как изменяется биохимическая сущность требований к пище в течение времени вплоть до нынешнего периода. Однако проблема анализа биополимеров в зерновом сырье и продуктах переработки показывает, что, несмотря на столетия использования в большинстве стран мира агротехники зерновых и технологий их переработки, ряд основных вопросов биохимической аналитики,

этой важнейшей сферы, связанной с питанием человека, остается недостаточно исследованным.

В настоящее время количество белковых веществ определяют по общему содержанию азота, допуская, что весь азот находится в форме белка, однако это не соответствует действительности. Наиболее трудоемким, при определении белков, представляется разделение суммарной смеси на индивидуальные белки -фракционирование. Для этого в химии белков предложен ряд методов: электрофорез и электрофоретические методы, диализ, светорассеяние, высаливание, хроматография на целлюлозных сорбентах, избирательное осаждение, скоростная седиментация. В то же время в самой аналитике биополимеров зерна явно недостаточно используется такой мощный метод исследования полимерного вещества и макромолекулярных реакций, как тонкослойная гель-хроматография (ТСГХ) или молекулярно-ситовая хроматография, предложенная в 1959 году.

В настоящее время гель-хроматография считается важнейшим и эффективнейшим способом разделения белков, т.к. отличается рядом полезных характеристик: независимость от рН, температуры, сохранение нативных состава и структуры. Метод предложен в двух вариантах - колоночном и тонкослойном. Более широко применяется первый вариант, но он имеет ряд недостатков: использование больших количеств анализируемого вещества, сравнительно дорогих материалов и длительность аналитического процесса. ТСГХ более чувствительна, требует минимального количества реагентов (граммы, микрограммы), аналитический процесс завершается в течение нескольких часов. Процедура анализа своеобразна, отличается и от техники колоночной гель-хроматографии и от техники обычной ТСХ.

В мировой литературе имеются ссылки на работы в области исследования белков злаков с использованием колоночной ГПХ. Сравнительно небольшой опыт применения ТСГХ для целей гистохимии и биохимии (иммунно-ферментный анализ) освещен в работах Г.Детермана, В. Иоханссона. В нашей стране известны работы Б. Беленького в области тонкослойной гель-хроматографией полимеров.

ТСГХ преимущественно занимались медики, что, вследствие игнорирования ими профессионального химико-аналитического подхода, ограничивало возможности всестороннего развития этого гибкого и многообещающего метода. В других отраслях метод, к сожалению, не получил достаточного развития и применения, и почти совсем не использовался в химическом зерноведении и физикохимии зерна, хотя с точки зрения информации, ТСГХ является чрезвычайно выгодным методом оценки, так как позволяет получать всесторонние исследования.

Настоящая работа посвящена актуальному вопросу хроматографического исследования белков злаков и их разновидностей в связи с проблемами их качества, технологии промышленной переработки и использованием в соответствующих отраслях пищевой промышленности.

Цель исследования заключалась в разработке научных и практических аспектов товароведной оценки качества растительного сырья на основе нового объективного товароведного показателя качества с применением модифицированного метода гель-хроматографии в тонком слое.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать методологию определения молекулярной массы растительных белков как объективного товароведного показателя их качества;

- разработать модель модифицирова�