Обоснование возможности получения пищевых белковых

УДК 663/664
Овсянникова О.В.,
к.т.н., доцент
кафедры товароведения и экспертизы товаров
Краснодарского филиала РГТЭУ
Ксёнз М.В.,
к.т.н., доцент
кафедры товароведения и экспертизы товаров
Краснодарского филиала РГТЭУ
ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ БЕЛКОВЫХ
ПРОДУКТОВ ИЗ СЕМЯН ПОДСОЛНЕЧНИКА
RATIONALE FOR THE POSSIBILITY OF PRODUCING FOOD PROTEIN
PRODUCTS FROM SUNFLOWER SEEDS
Аннотация: в статье приводятся результаты обзора отечественной и
зарубежной литературы, в которой рассматриваются вопросы получения пищевых
белковых продуктов из растительного сырья. Проведен анализ способов модификации
растительных белков с целью получения продуктов с заданными технологическими
свойствами. Данные исследований позволяют более точно обозначить проблемы в
области производства пищевых белковых обогатителей, растительного происхождения.
Abstract: the article presents a review of domestic and foreign literature, which deals
with the production of food protein products of plant material. The analysis of modification of
plant proteins with the aim of obtaining products with prescribed technological properties.
These studies provide more precisely identify the problems in the field of food protein
dressers, vegetable origin.
Ключевые слова: белковые продукты, растительное сырьё, технологические
свойства, аминокислотный состав, способы модификации, алейроновое зерно.
Keywords: protein products, plant material, technological properties, amino acid
composition, methods of modifying, aleurone grains.
Увеличение производства белка для удовлетворения потребностей в нем
населения и животноводства, является одной из наиболее острых и трудно решаемых
проблем нашего времени и имеет первостепенное практическое значение.
По данным статистики, в настоящее время примерно половина всего населения
Земли испытывает белковое голодание. Мировое потребление белка составляет около
60 г в сутки на душу населения при норме 100 г и при крайней неравномерности
распределения в различных странах. Общее производство белка в 1,5 раза, а животного
– в 3 раза меньше необходимого. Общий дефицит белка на планете оценивается в 10 –
25 млн. т. в год. По данным института питания РАМН ежегодный дефицит протеина в
нашей стране составляет 1,6 млн.т. [1].
Растительные белки, прежде всего белки зерновых и масличных культур, – это
основной источник продовольственного и кормового белка. Приблизительные
подсчеты показывают, что примерно половина всей потребности организма человека в
белках удовлетворяется за счет продуктов переработки зерна и масличных культур.
Семена зерновых и масличных культур составляют основу мировых запасов
продовольствия. Однако значительное их количество используется лишь косвенно,
путем скармливания животным. Примерно 70% мировых запасов белка имеют
растительное происхождение и 30% – животное.
Актуальность развития отечественного производства пищевых белковых
продуктов из сырья растительного происхождения обусловлена необходимостью
решения ряда социально-экономических задач, таких как сокращение дефицита
пищевого белка в стране; повышение эффективности производства на основе
комплексного
использования
сырья;
создание
обогащенных
белком
дешевых
высокопитательных продуктов; производство специализированных продуктов для
диетического, лечебно-профилактического и лечебного питания для определённых
категорий и групп населения; создание новых видов белковых продуктов повышенной
биологической ценности.
Поскольку население Земного шара продолжает расти, потребность не только в
производстве, но и в непосредственном продовольственном использовании семян
зерновых и масличных культур будет все время увеличиваться.
В условиях дефицита белка в мире особую актуальность приобретает проблема
расширения сырьевой базы для получения пищевых белков из семян масличных
растений, в первую очередь, за счет семян основной масличной культуры России –
подсолнечника.
Среди основных преимуществ подсолнечника как масличной культуры, следует
выделить высокое содержание качественного масла в семенах, возможность
механизации возделывания и выращивания на неполивных землях. При производстве
растительного масла в значительных количествах образуются жмыхи и шроты, в
большинстве случаев направляемые на корм скоту. Данные продукты, содержащие
большое количество ценного белка, являются потенциальным источником белковых
веществ для пищевой промышленности.
Белки из семян подсолнечника универсальны. Они могут быть использованы как
эмульгирующие, жиро – и влагосвязывающие агенты в мясных продуктах или для
образования пищевых волокон при создании новых видов продуктов питания.
Присутствие запасных веществ в тканях семян подсолнечника обусловлено
основной
функцией
этих
органов,
сводящейся,
как
известно,
к
созданию
жизнеспособного потомства. Запасные вещества играют важную роль на самом
начальном этапе онтогенеза растения, обеспечивая питание проростка в гетеротрофный
период его развития [3].
Известно, что основными запасными веществами являются белки, липиды и
углеводы. Относительное содержание этих запасных веществ в семенах растений
различных таксономических групп варьирует в широких пределах. В соответствии с
этим семена делят на три типа – масличные, белковые и крахмалистые. Такое деление,
однако, носит условный характер ввиду отсутствия четких границ и наличия
переходных групп между указанными типами.
Белки, извлекаемые из семян масличных растений, – это практически запасные
белки. Массовая доля белков других типов и небелковых азотсодержащих соединений
сравнительно мала, поэтому биологическая ценность белковых продуктов, получаемых
из масличных семян, зависит от аминокислотного состава запасных белков.
Запасные белки выполняют специфическую и уникальную функцию, образуя
после своего распада пул свободных аминокислот, используемых проростком для
построения новых ферментов и белков.
При изучении структуры семян на клеточном уровне было отмечено, что в
зрелых семенах запасные белки сосредоточены в особых дискретных образованиях,
называемых алейроновыми зернами. Впервые они были обнаружены Т. Хартингом в
середине прошлого века при промывке тонких срезов масличных семян. Тогда же им
было дано название – алейроновые зерна, показана их белковая природа и в общих
чертах определено строение [2].
В клетке может присутствовать от одного – двух до нескольких десятков, сотен
и даже тысяч алейроновых зерен. Особенно много алейроновых зерен в клетках семян
бобовых и крахмалистого эндосперма злаков, где эти образования имеют малые
размеры (до 1 мкм). Так, по данным австралийских исследователей, клетки семядолей
гороха
содержат примерно
175
тыс.
алейроновых
зерен.
В то
же
время
высокомасличные семена льна, клещевины, подсолнечника содержат алейроновые
зерна больших размеров (до 10 мкм и более) и их число в клетках семян
соответственно значительно меньше.
Особенностью
химического
состава
запасных
белков,
является
несбалансированность по аминокислотному составу, выражающаяся в низком
содержании незаменимых аминокислот, таких как лизин, треонин, триптофана.
Наиболее
сбалансированным
аминокислотным
составом
характеризуются
альбумины. Однако следует иметь введу, что альбумины представляют собой весьма
гетерогенную по своим функциям (и соответственно химическому составу) фракцию, в
связи с чем наряду с общим благоприятным для кормовых и пищевых целей
аминокислотным составом в эту группу могут входить белки с низким содержанием
незаменимых аминокислот [2].
Другой
особенностью
запасных
белков
является
присутствие
в
них
значительного количества остатков глютаминовой кислоты.
В глобулинах двудольных и однодольных растений глютаминовая кислота
присутствует в меньшем количестве. Однако имеет место значительная вариабельность
в ее содержании в зависимости от вида растений. Особенно высока доля этой
аминокислоты в глобулинах семян, богатых жиром и белком, где она составляет 20 и
более процентов от сухой массы белка. В целом можно считать, что содержание
глютаминовой кислоты в глобулинах колеблется от 15 до 25% (при расчете на белок).
Что
касается
альбуминов
семян,
то
они
характеризуются
несколько
пониженным, по сравнению с глобулинами, количеством глютаминовой кислоты, хотя
и в этом случае межвидовые различия очень значительны, например, 10,3% у риса и
21,2% у проса. Выше было отмечено, что в пределах фракции альбуминов наиболее
богаты глютаминовой кислотой белковые компоненты, выполняющие в семенах
запасную функцию.
Глобулины семян содержат значительное количество аспарагиновой кислоты и
аргинина. Содержание аспарагиновой кислоты в глобулинах зерновок злаков, а также
других видов однодольных и двудольных растений варьирует в пределах от 7 до 15%.
Примерно в таком же количестве присутствует аспарагиновая кислота и в альбуминах
семян, однако нижний предел ее содержания в них несколько меньше.
Что касается аргинина, то доля этой аминокислоты в глобулинах и альбуминах
также велика и примерно соответствует количеству аспарагиновой кислоты.
Указанные колебания в содержании аргинина в различных типах белков
определяют
неоднородность
распределения
этой
аминокислоты
среди
белков
отдельных частей семени. Так, содержание аргинина в алейроновом слое пшеницы
более чем в 3 раза выше, чем в эндосперме.
Таким образом, суммарный аминокислотный состав белков семян зависит от
количественного соотношения отдельных белковых фракций в семени, а также от доли,
которую составляют различные его части и ткани от общей массы всего
репродуктивного органа.
В зависимости от технологии, обеспечивающей различное концентрирование
белков в продукте, все белковые продукты, получаемые из масличных семян,
подразделяют на группы, представленные в таблице 1.
Таблица 1
Виды белковых продуктов, получаемых из масличных семян
Продукты
Хлопья
Мука, крупка
Белковый концентрат
Белковый изолят
Содержание белка, % к сухому веществу
до 50
40-50
50-80
80-90
Хлопья вырабатывают из очищенных и измельченных семян сои, подвергнутых
тепловой обработке, но без извлечения масла. По химическому составу хлопья
приближаются к составу семян сои, но имеют меньшее количество клетчатки, так как
семенная оболочка удаляется при предварительной тепловой обработке.
Муку и крупку получают после предварительного обезжиривания тщательно
очищенных и измельченных масличных семян. Обезжиривание ведут, чаще всего
гексаном. Экстракционное масло после удаления растворителя подвергают гидратации
и дальнейшей обработке.
Из обезжиренной муки и крупки с содержанием растворителя до 30% отгоняют
растворитель, включая последующую обработку пропариванием, заключительную
сушку при температуре 93 – 121°С и охлаждение.
В зависимости от интенсивности тепловой обработки обезжиренная мука имеет
различную активность ферментного комплекса. При наиболее интенсивной обработке
активность ферментов сводится к нулю. Подсолнечная белковая мука хорошего
качества может быть получена при использовании полноценных семян, тщательно
очищенных от сорной примеси.
Важное значение при получении белков из семян подсолнечника имеет
снижение лузжистости ядра семян путем введения дополнительной тонкой очистки от
плодовой оболочки. Влаготепловая обработка и прессование измельченного ядра семян
должны проводиться при мягких условиях. Тщательное измельчение жмыха и
фракционирование необходимо для получения муки пищевого качества.
Сырьем для получения пищевой муки могут служить также экстракционные
шроты из масличного сырья и маслосодержащих вторичных продуктов. Пищевая мука
хорошего качества была получена из шротов кукурузного зародыша. Получение муки
из шротов семян томатов достаточно сложно и связано с удалением большого
количества разнообразных компонентов.
Производство муки может быть осуществлено путем обработки шротов
раствором щелочи с последующими фильтрацией, осаждением, суспендированием в
ацетоне и сушка при температуре 30 – 40°С под вакуумом.
Целесообразность получения пищевой муки из конкретных видов масличного
сырья подтверждается экономическими расчетами.
Белковый концентрат представляет собой обезжиренную муку, из которой
удалено большинство простых и сложных углеводов, минеральных солей и других
водорастворимых веществ. Методы получения белковых концентратов можно
разделить на сухие и жидкостные.
Сухие методы основаны на воздушной сепарации. В основе методов –
выделение
высокобелковых
фракций
из
предварительно
обезжиренных
и
измельченных масличных семян в воздушном потоке – отличаются по плотности,
форме, величине частиц компонентов муки алейроновых зерен, обломков клеточных
стенок с прилегающей цитоплазмой, остатков мембран сферосом, групп не
разрушенных и полуразрушенных клеток от других низкобелковых компонентов. К
недостаткам сухого метода воздушного сепарирования относятся сравнительно низкий
выход готового продукта – белкового концентрата [4].
Преимущества сухого метода заключаются в возможностях регулирования и
комбинирования
состава
получаемого
концентрата,
возможности
проведения
повторного концентрирования, а также в исключении использования воды и
необходимости ее последующей очистки.
Жидкостные методы получения белковых концентратов в зависимости от типа
обработки и вида промывного раствора имеют общую задачу – удаление из продуктов
переработки
масличных
семян
углеводов,
минеральных
солей
и
других
водорастворимых веществ.
Возможность
получения
белковых
концентратов
жидкостным
методом
появилась при разработке методов экстракции масел водой из масличного сырья.
Метод заключается в измельчении очищенных семян, смешивании их с водой,
кислотным или иным раствором для образования дисперсии, в которой белки
присутствуют в растворенном виде. После этого дисперсию разделяют на твердое
вещество и белково-липидную эмульсию, которую, в свою очередь, делят на масляную
эмульсию и осаждаемые затем из экстракта белковые вещества. Получаемые после
сушки белки представляют собой белковые концентраты, содержащие в своем составе
липиды (до 10 – 15%) и другие вещества. Логическим развитием этого метода явились
методы получения белковых концентратов. Многочисленные разновидности методов
получения белковых концентратов предусматривают использование продуктов
получаемых на различных этапах переработки масличных семян [4].
Выделение белковых концентратов из семян подсолнечника сопряжено с
трудностями, определяемыми наличием в семенах хлорогеновой кислоты, которая
вызывает
появление
нежелательной
окраски
и
ограничивает
возможности
использования белковых продуктов.
Подсолнечный концентрат с сохранением пищевой ценности, сравнимой с
исходными семенами, был получен путем трехкратной обработки водой обезжиренной
муки подсолнечника (температура 100°С, рН 5, гидромодуль 1:10). Установлено, что
при
этой
температуре
растворимость
хлорогеновой
кислоты
максимальная.
Содержание хлорогеновой кислоты в белковом концентрате составляло 0,15 г на 100 г.
Доведение ее концентрации до 0,05 г на 100 г может быть достигнуто пятикратной
промывкой в тех же условиях.
Усвояемый лизин в полученном концентрате составил 93% от его содержания в
исходных семенах. Однако общие потери белка достаточно велики (15-20%). 70%-ный
белковый концентрат был получен из подсолнечной муки путем кислотной экстракции
хлорогеновой кислоты. Отношение растворитель – подсолнечная мука было 6:1,
температура – 80°С. Цвет концентрата был лучше, чем при использовании спиртовых
растворителей. Однако отмечаются значительные потери белка в экстракте. Водноспиртовая экстракция обеспечивает извлечение хлорогеновой кислоты из муки и выход
белков в концентрате 77 – 78%.
Белковый изолят из масличных семян представляет собой предельно очищенный
от небелковых компонентов продукт с содержанием белка более 90%. Классическая
схема производства белковых изолятов получила свое начало и дальнейшее развитие
при использовании соевых шротов.
Схема включает экстрагирование белков при щелочном значении рН,
последующее осаждение в изоэлектрической точке (для получения нерастворимого в
воде изолята белка), центрифугирование, нейтрализацию (для получения растворимого
в воде протеината – изолята белка), сушку и стерилизацию.
Классическая схема производства изолятов приобрела много различных
вариантов. Основные изменения касаются подготовки шротов к экстракции и выбора
растворителя и, соответственно, осадителя белков после экстракции. Заключительные
этапы
–
центрифугирование,
совершенствованием
технологии
сушка
и
и
стерилизация
оборудования
для
–
определяются
этих
процессов
(суперцентрифугирование, вакуум-микроволновая сушка и т.п.). Эти изменения
способствуют повышению выхода и улучшению качества изолированного белка при
сохранении относительно постоянного содержания протеина 90 – 95% [4].
Белковые продукты претерпевают наименьшие денатурационные изменения при
водной экстракции масел. Однако способ водной экстракции масла осложняется
трудностью разделения белково-липидной эмульсии и последующим отделением
белков от небелковых компонентов. Если разделение белково-липидной эмульсии
может
быть
осуществлено
по
мере
создания
и
использования
непрерывно
действующих высокоскоростных и высокопроизводительных центрифуг и сепараторов,
то выделение белковых фракций (алейроновых зерен) на субклеточном уровне может
быть достигнуто сочетанием промывки и воздушного сепарирования. Эти проблемы
могут быть разрешены по мере создания соответствующего оборудования. Безусловно,
развитие этого пути получения белковых продуктов должно сопровождаться развитием
способов получения и очистки отделяемых масел, которые также имеют более
высокую пищевую ценность из-за отсутствия нежелательных тепловых и других
воздействий.
Сохранению нативности белкового комплекса масличных семян способствует
использование обезжиренных шротов, полученных методом прямой экстракции.
Однако, известные трудности применения прямой экстракции, для наиболее
распространенной в нашей стране масличной культуры подсолнечника, вызывают
необходимость использовать для получения белковых продуктов полуобезжиренные
(после предварительного прессования) или обезжиренные (после прессования и
экстракции) остатки масличного сырья. Все это определяет при производстве белковых
изолятов,
первостепенное
и
наиболее
распространенное
применение
схемы
жидкостного разделения с применением экстракции и изоэлектрического осаждения
белков.
Таким образом, различия в технологических приемах экстракции, осаждения,
очистки и сушки, используемых при производстве белковых изолятов, влияют в
первую очередь на количественный и качественный выход, на формирование
технологических и питательных свойств белков и определяют их дальнейшее
технологическое использование в пищевой промышленности.
Для получения белковых продуктов с заданными функциональными свойствами
наиболее часто применяют методы термоденатурации, а также химической и
ферментативной модификации [2].
Целенаправленные
и
сравнительно
хорошо
регулируемые
изменения
технологических свойств белков удаётся осуществить путём их химической
модификации.
Сущность
химической
модификации
белков
сводится
к
изменению
сульфгидрильных, карбоксильных и других группировок аминокислот, а также
дисульфидных связей белковых молекул под влиянием определенных химических
веществ, целенаправленное воздействие которых улучшает функциональные свойства
белковых продуктов.
Несмотря на то, что химическая модификация позволяет изменять структуру
белка в широких пределах, этот метод в силу ограничительных законодательных норм,
а так же благодаря предубеждению потребителей против химических изменений в
пищевых белках, пока ограничен производством продуктов технического назначения.
Применение ферментов для модификации белков позволяет осуществлять
структурные изменения белков с высокой степенью специфичности.
Преимущество ферментативной модификации, которая может быть реализована
в рамках биотехнологических процессов, направленных на улучшение качества
пищевых белков, заключается в ее специфичности и соответственно
в отсутствии
нежелательных побочных реакций [4].
Недостаток заключается в том, что атаке того или иного фермента подвергаются
лишь определенные аминокислотные последовательности в белковой молекуле и
поэтому ферментативная реакция способна привести лишь к достаточно ограниченной
модификации.
Ограниченный гидролиз белкового изолята из семян подсолнечника тоже
приводит к отчетливому улучшению его функциональности.
Очевидно, что водоудерживающая способность одновременно зависит от
степени взаимодействии как белков с водой, так и белка с белком, от конформации и
степени денатурации данного белка. Ввиду этого тепловая обработка оказывает
существенное воздействие на это свойство.
В отношении растительных белков по данному вопросу опубликовано
сравнительно
мало
исследовательских
работ.
По
мнению
ряда
авторов,
водоудерживающая способность достигает максимума при показателе растворимости
азота 70%. Это подтверждается результатами, которые получили Хаттон и Кэмбел, на
изолятах сои – у промина D наблюдается тенденция к снижению водоудерживающей
способности, когда значение показателя растворимости азота превышает 60 – 70% [6].
Качественное
улучшение
эмульгирующей
способности
отмечено
для
обезжиренной муки арахиса, подвергнутой протеолизу при разных температурах.
Частичный ферментативный гидролиз с успехом был применен для модификации белка
клейковины пшеницы. Растворимость в изоэлектрической области, маслопоглащающая
способность и эмульгирующая активность увеличилась, а водная абсорбционная
способность снизилась в случае, когда от 5 до 12% пептидных связей белка были
расщеплены под действием протеиназы. Эмульгирующая активность в этих условиях
увеличивается в 1,5-2,4 раза. При расщеплении пептидных связей более чем на 10%
отмечена полная потеря эмульгирующей активности и стабильности эмульсии.
Пенообразующая способность под действием ферментативного гидролиза практически
не меняется, а стабильность пены снижается.
Допустимые пределы модификации пищевых белков определяются факторами
пищевой физиологии, токсикологии и экономики.
Метод термоденатурации основан на регулировании снижения растворимости
белков при термообработке. Первоначально термоденатурация применялась для
термокоагуляции белков при нагревании их растворов, с последующим освобождением
перешедших в осадок денатурированных белков и отделения оставшихся в растворе
нежелательных компонентов.
Денатурированные макромолекулы белка имеют более высокую гидрофобность
и способность стабилизировать пены, что обусловлено ростом гидрофобности
поверхности белковых молекул и их ассоциатов.
Термоденатурированные
белки
приобретают
повышенную
способность
стабилизировать эмульсии и пены, а так же образовывать гели. При термоденатурации
белка в разбавленных растворах (ниже критической концентрации гелеобразования)
возможно получить растворимые денатурированные формы белков в виде агрегатов
развернутых макромолекул, характер взаимодействия которых между собой и
растворителем существенно отличается от исходного белка.
Для термоденатурированых белков характерна так же более высокая вязкость
растворов белков.
Условия денатурации, продолжительность обработки, температура и рН
изменяют функциональные свойства белков. При термоденатурации белков семян
масличных растений определяющим фактором является температура нагрева семян,
продолжительность нагревания и, особенно, начальная влажность семян, причем, чем
выше влажность семян (белков), тем глубже их термическая денатурация [4].
Наиболее
глубокие
изменения
при
термоденатурации
происходят
в
растворимости белков, их поверхностных свойствах, реологических и других физикохимических характеристиках, а также их способности к комплексообразованию с
полисахаридами различной природы.
Термоденатурация белков лежит в основе повышения гидролизуемости их
пищеварительными ферментами. Следует отметить, что явления термоденатурации
(термомодификации) белков в реальных пищевых системах происходят в условиях их
технологической обработки при получении белковых (или обогащенных белком)
продуктов [5].
Установлено, что для каждого белка необходимо подбирать оптимальные
параметры тепловой обработки (продолжительность, температура, рН, ионная сила) с
целью достижения благоприятного режима обработки.
По данным иностранных авторов, способность 11S- и 7S-глобулинов сои к
образованию эмульсий мало изменяется под действием тепловой обработки в течении 5
минут, если температура выше 80˚С эта способность у 11S-глобулина быстро
понижается.
Швенке
с
соавторами
так
же
наблюдали
сильные
колебания
эмульгирующей способности изолятов белков конских бобов в зависимости от
характера применяемых термических воздействий. В частности они отметили, что
прогрев сухого изолята (1000С, 1час) приводит к явному улучшению эмульгирующей
способности без влияния на растворимость белка [2].
Исследователи разных стран уделяют особое внимание изучению вопроса
получения белковых продуктов с улучшенными технологическими свойствами из
растительного сырья с целью использования их в различных областях пищевой
промышленности.
Таким образом, библиографических сведений о возможности получения
пищевых
белковых
продуктов,
полученных
из
семян
масличных
культур
районированных в Краснодарском крае, недостаточно и многие из них нуждаются в
проверке в лабораторных и производственных условиях.
Литература:
1. Широкорядова О.В. Разработка технологии получения пищевых белковых
продуктов из семян подсолнечника: дисс. канд. техн. наук/О.В. Широкорядова;
КубГТУ. – Краснодар, 2009. – 168 с .
2. Артемьев
Н.С.
Биохимическая
характеристика
запасных
белков
подсолнечника и их изменение при технологической переработке. – Дис. канд. биол.
наук. – Краснодар, 1985. – 179 с.
3. Соболев А.М., Суворов В.И. О некоторых особенностях белков алейроновых
зерен // Растительные белки и их биосинтез. М.: 1975. – С.126 – 136.
4. Соболев А.М. Запасание белка в семенах растений. М.: Наука, 1985. – 112 с.
5. Щербакова Е.В Применение биотехнологических методов при переработке
растительного масличного сырья. Монография. – Краснодар: Изд-во «Ризограф»,2006.
– 288 с.
6. Биохимия / Щербаков В.Г., Лобанов В.Г., Прудникова Т. Н., Минакова А.Д.
Под ред. Щербакова В.Г. – СПб: ГИОРД, - 2005. – 472 с.
7. Klockerman Donna M., Toledo Romeo, Sims Kevin A. Isolation and
characterization of defatted canola meal protein // J. Agr. and Food Chem. – 1997.№ 10. – P.
3867 - 3870.