Введение к работе
Актуальность темы. Рис является важнейшей зерновой культурой, занимающей второе место по объему производства, после пшеницы. Рис - основной продукт питания для 2,5 млрд. человек в Азии и сотен миллионов людей на других континентах. В Европе и России рис пользуется большой популярностью, в 2007-2011 гг. валовой сбор его возрос на 63,8% и составил 1154,1 тыс. т. Данную культуру употребляют в виде крупы, ее перерабатывают в муку, спирт, пиво, целесообразно применять и в производстве хлеба (Богатырева Т.Г., Динь Тхи Хьен, 2010). Несмотря на то, что существует много направлений использования риса, в мире продолжается поиск перспективных путей его переработки и получения компонентов с полезными питательными и функциональными свойствами. Рисовый белок, в отличие от клейковины, является гипоаллергенным белком, что делает его конкурентоспособным для производства диетических и функциональных продуктов питания.
Известны способы переработки зерна риса на белки и крахмал (Morita, Kiriyama, 1993; Shih, Daigle, 1997; Wang, 1999; Hamada, 1999; Tang, 2003; Lixia et al., 2010), но даже при обработке щелочью и энзимами белки трудно выделяются из сырья, к тому же такие растворы изменяют их структуру и питательную ценность, что отрицательно отражается на функциональных свойствах белковых продуктов. В литературе практически отсутствуют сведения об отличительных особенностях белков разных видов риса, их взаимосвязи с функциональными свойствами, позволяющими экстрагировать компоненты с целенаправленно регулируемыми показателями в целях научно обоснованного и более эффективного применения их при производстве пищевых продуктов. С учетом того, что известные коммерческие белковые продукты имеют относительно невысокую массовую долю белка (60-65%) и мало сведений о его функциональных свойствах, то разработка новых способов переработки рисового сырья, предусматривающих эффективное извлечение компонента и модификацию, имеет актуальное значение для производства и расширения ассортимента пищевых продуктов с гипоаллергенным белком. Данная постановка задачи соответствует приоритетным направлениям развития мировой и отечественной науки по вопросам глубокой переработки растительного сырья с получением ценных и полезных белковых и других ингредиентов в целях совершенствования базы сырья и производства продуктов питания целевого назначения.
Работа проводилась в рамках НИР кафедры «Биотехнология и пищевая химия» МГУПП и Договора о сотрудничестве с лабораторией биохимии азотфиксапии и метаболизма азота Института биохимии им. А. Н. Баха РАН.
Целью исследований являлась разработка способов выделения, модификации функциональных свойств рисовых белковых концентратов методом ограниченного протеолиза и изучение их физико-химических характеристик, ориентированных на расширение ассортимента гипоаллергенных и других видов пищевых продуктов. В соответствии с целью решались следующие задачи:
исследовать показатели химического и биохимического состава муки, полученной из белозерного и краснозерного риса;
изучить процессы выделения белков с применением ферментных препаратов (ФП) амилазного и ксиланазного действия;
разработать принципиальную технологическую схему получения белковых (БК) и белково-минеральных концентратов (БМК);
охарактеризовать пищевую и биологическую ценность рисовых БК и БМК;
разработать технологические параметры получения модифицированных белково-минеральных концентратов методом ограниченного протеолиза;
изучить функциональные свойства БК, БМК и влияние на них некоторых
технологических факторов;
исследовать физико-химические свойства белковых концентратов и установить их взаимосвязь с функциональными свойствами;
разработать способы приготовления мучных кондитерских изделий (кекс, бисквитный полуфабрикат) с модифицированным белково-минеральным концентратом;
провести опытно-промышленную апробацию способов применения БМК и разработать проекты технической документации на концентрат, кекс и бисквитный полуфабрикат.
Научная новизна. Теоретически обоснованы параметры выделения БК из белозерного и краснозерного риса с применением кислотной экстракции, амилазного и ксиланазного ФП, а также способов модификации функциональных свойств белков с эндо- и экзопротеиназами. Получены математические модели зависимости количества аминного азота от температуры, концентрации субстрата и ФП, времени гидролиза, рН со степенью протеолиза 3,89-4,16 %.
Установлены особенности белков рисовых концентратов: молекулярная масса (ММ) их у белозерного риса ниже (1,3-199,5 кДа), чем у белков краснозерного риса (1,3-251,1 кДа). Большая часть белков белозерного риса сосредоточена во фракциях с ММ 11,7 - 27,5 кДа, краснозерного - в более высокомолекулярной фракции (ММ 182 - 251,1 кДа).
Доказано взаимодействие белков с флавоноидами, оказывающее влияние на их функциональные свойства. У белозерного риса флавоноиды взаимодействуют с 3-мя фракциями (ММ 131, 10 и 4 кДа), у краснозерного - с одной, но более высокомолекулярной (ММ 216 кДа). У концентратов из белозерного риса содержание флавоноидов ниже, чем у концентратов из краснозерного риса, а пенообразующие свойства выше.
По данным инфракрасной (ПК) спектроскопии, взаимодействие белков с флавоноидами происходит при участии ароматических, непредельных, сложноэфирных и СН2- группировок.
Методом кругового дихроизма (КД) в структуре концентратов установлено наличие а-спиралей, Зю-спиралей, Р-структуры, Р-изгибов и неупорядоченной формы молекул. Протеолиз белков сопровождается нарушением а-спиралей, формированием Р-структуры, нерегулярных участков, уменьшением количества SH - групп, но и увеличением S-S-связей.
Степень изменения фракционного состава белков, элементов вторичной и третичной их структуры в процессе гидролиза эндопротеиназой у БК из белозерного риса выше, чем у БК из краснозерного риса, что взаимосвязано с меньшим количеством в его составе флавоноидов.
Для пенообразующей способности (ПОС) концентратов выявлена отрицательная корреляция со значениями верхних границ ММ белков (г= -0,95), количеством высокомолекулярных фракций (г= -0,8), количеством SH-гругш (г= -0,8), константами начального (г= -1,0), конечного (г= -0,8) этапов агрегации, а также положительная (г= +0,8) - с количеством S-S связей. Высокая ПОС композитов обусловлена наличием в их составе белков с ММ не более 120 кДа.
Практическая значимость работы. Разработаны способы получения рисовых БК и БМК из белозерного и краснозерного риса с содержанием белка 78-85%, с учетом специфического расщепления крахмала и гемицеллюлоз. Установлены параметры выделения белков без применения щелочных растворов и с высокими функциональными свойствами для приготовления мучных кондитерских изделий.
Определены условия ферментативного гидролиза белков с эндо- и экзопротеазами для получения модифицированных рисовых БМК (время гидролиза, температура, концентрация ФП, субстрата, рН) с повышенной растворимостью и пенообразующими свойствами.
Разработана принципиальная технологическая схема получения БК, БМК и модифицированных БМК, содержащих кальций в органической форме. Разработаны способы получения и рецептуры масляного кекса на основе рисовой муки и модифицированного БМК, не содержащего пшеничную клейковину, и бисквитного полуфабриката с сухой
белоксодержащей смесью.
Проведена опытно-промышленная проверка использования модифицированного БМК для получения масляного кекса без клейковины и бисквитного полуфабриката в производственных условиях ЗАО «Хлебокомбинат «ПЕКО», что подвержено актами испытаний. Разработаны проекты ТИ, ТУ на модифицированный БМК, масляный кекс и бисквитный полуфабрикат.
Основные положения, выносимые на защиту:
новые способы получения и модификации рисовых белковых концентратов без применения щелочных растворов и с относительно высоким содержанием в них белка;
технологическая схема получения белковых и белково-минеральных концентратов и их гидролизатов;
особенности структуры рисовых белков и взаимосвязь их физико-химических и функциональных свойств;
способы и рецептуры с рисовым модифицированным белково-минеральным
концентратом для получения безглютеновых масляных кексов и бисквитного полуфабриката.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на: 11-ой Международной НІЖ «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011); 9-ой, 10-ой НПК с международным участием «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (Москва, 2011, 2012); 9 и 10-ой Международной НК студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2011, 2012); 7-9-ой Международной НК «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2011-2013); в рамках конкурсов молодых ученых на VTI Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2013) и 8-ой Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, 2013), Международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2013). По итогам конкурсов, выставок и конференций получены 2 медали, 2 диплома, 1 грамота и 1 сертификат.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 138 страницах основного текста, включает 36 таблиц и 44 рисунка. Список литературы содержит 259 источника, из них 96 - на иностранном языке.
