Актуальные направления технологического развития мукомольной отрасли

 
Резюме: Предложено актуальное направление развития мукомольной отрасли, связанное с разработкой гибкой технологии,  основанной на разделении на анатомические части зерна тритикале и привлечении биотехнологических методов как основы глубокой переработки для получения новых продуктов общего и специального назначения, обладающих повышенной пищевой и биологической ценностью. Реализация поставленной цели позволит конструировать продукты питания из зерна с заданным составом и свойствами.

На сегодняшний день разработаны основные способы управления технологическими процессами подготовки и размола зерна различных культур с целью получения продуктов с заданным химическим составом и свойствами. Так, на примере переработки зерна тритикале в муку и крупу разработаны принципы формирования стабильных потоков муки из различных анатомических частей зерновки, что позволяет формировать различные сорта муки с заданными свойствами. На основании этих принципов впервые в РФ разработаны межгосударственные стандарты на муку и крупу из продовольственного зерна тритикале.

Применение разработанных технологий позволяют получать такие продукты из зерна тритикале как: сортовая хлебопекарная мука, крупа для детского и диетического питания, крупка для макаронных изделий.

Перспективным и актуальным направлением научных исследований для технологического развития мукомольной отрасли является использование методов биотехнологического воздействия на различные зерновые культуры и продукты их переработки с получением компонентов с заданными свойствами  как для обогащения пищевых продуктов, так и создания новых продуктов питания общего, функционального и лечебно-профилактического назначения для различных групп населения.

Используя современные биотехнологические методы, разработаны способы ферментативной модификации продуктов переработки зерна (мука разных типов, в том числе и с высоким содержанием периферийных частей, отруби) с использованием мультэнзимных композиций (МЭК) на основе протеолитических и целлюлолитических ферментных препаратов; показана принципиальная возможность получения модифицированных продуктов (белковый гидролизат, структурно-модифицированная мука, биомодифицированные отруби) с различной степенью и глубиной гидролиза белков и некрахмальных полисахаридов, обладающих различными функционально-технологическими свойствами. Предложены возможные пути использования новых биомодифицированных продуктов для обогащения продуктов питания массового спроса и создания новых пищевых продуктов с заданными функционально-технологическими свойствами специального назначения.

 
Актуальные направления развития технологии производства муки включают как совершенствование традиционных способов, так и разработку новых технологий  линейки продуктов с повышенной биологической и пищевой ценностью, использование биотехнологических методов получения продуктов глубокой переработки, создание технологий новых, нетрадиционных продуктов и др. Конечная цель разработки новых и совершенствования традиционных технологий состоит в конструировании продуктов с заданным составом и свойствами.

Во ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки» проводятся фундаментальные и прикладные исследования по разработке основных способов управления технологическими процессами подготовки и размола зерна различных культур с целью получения продуктов с заданным химическим составом и свойствами. Так, на примере переработки зерна тритикале в муку и крупу, разработаны принципы формирования стабильных потоков муки из различных анатомических частей зерновки, что позволяет формировать различные сорта муки с заданными свойствами. На основании этих принципов впервые в РФ разработаны межгосударственные стандарты на муку и крупу из продовольственного зерна тритикале. Применение разработанных технологий позволяет получать такие продукты из зерна тритикале как: сортовая хлебопекарная мука, крупа для детского и диетического питания, крупка для макаронных изделий [7,8,12,13].

Тритикале – это новая сельскохозяйственная культура, это первая зерновая культура, полученная скрещиванием пшеницы (Triticum) с рожью (Secale).  Первое сообщение о получении пшенично-ржаного гибрида было опубликовано в 1875 году. В Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в России (2016 г.), внесено 68 сортов озимого тритикале и 13 сортов ярового тритикале. Все новые сорта рекомендованы для продовольственных целей [6]. Расширяется и площадь возделывания этой весьма перспективной культуры как в России, так и в мире. Валовый сбор в России по данным  Роскомстата в 2016 году составил 624 тыс. тонн. Средняя урожайность тритикале в России  в 2016 году – 27,8 ц/га, что является наибольшим показателем за период 2009-2016 гг., а также на 4,7 ц/га больше, чем в 2015 году [15].

Биопотенциал зерна тритикале зависит, в первую очередь, от сортовых особенностей и условий выращивания. Пищевая ценность связана с высоким содержанием белка, незаменимых аминокислот, сбалансированностью аминокислотного состава. Биологическая ценность зерна тритикале обусловлена преобладанием водо- и солерастворимых фракций белка и как следствие более высокой степенью усвоения белков тритикале, а также наличием витаминов, макро- и микроэлементов.

Однако в настоящее время в России тритикале используют преимущественно в производстве комбикормов и спирта, в то время как перспективно применение муки из тритикале в качестве компонента сырья при производстве кондитерских изделий: печенья, бисквитов, кексов, крекеров. Возможно применение тритикалевой муки при производстве быстрых завтраков или при изготовлении диетических сортов хлеба, в том числе и цельнозернового. Популярными становятся хлебобулочные изделия из нескольких злаков, в том числе, и с тритикале. Производство хлеба из сортовой муки тритикале в РФ в настоящее время отсутствует.

Перспективным и актуальным направлением научных исследований для технологического развития мукомольной отрасли является использование методов биотехнологического воздействия на различные зерновые культуры и продукты их переработки с получением продуктов питания общего, функционального и лечебно-профилактического назначения.

Использование современных биотехнологических приемов позволяет разработать способы ферментативной модификации продуктов переработки зерна (мука разных типов, в том числе и с высоким содержанием периферийных частей, отруби) с использованием мультэнзимных композиций (МЭК) на основе протеолитических и целлюлолитических ферментных препаратов; получить модифицированные продукты (белковый гидролизат, структурно-модифицированная мука, биомодифицированные отруби) с различной степенью и глубиной гидролиза белков и некрахмальных полисахаридов, обладающих различными функционально-технологическими свойствами.

Основная цель исследований – разработка гибкой технологии, основанной на разделении на анатомические части зерна тритикале для получения новых продуктов общего и специального назначения, обладающих повышенной пищевой и биологической ценностью, получения компонентов с определенными функционально-технологическими свойствами. Реализация поставленной цели позволит конструировать продукты питания из зерна с заданным составом и свойствами.


Материалы и методы исследования. В работе использовали муку из зерна тритикале новых сортов сформированную на основе кумулятивных кривых зольности. Поскольку исследуемые образцы зерна тритикале не содержали сорную и зерновую примеси, технологический процесс подготовки зерна тритикале к помолу включал только гидротермическую обработку: зерно увлажняли до 14-15% и отволаживали в течение 12 часов. Технологический процесс размола зерна включал 4 драных, 6 размольных и 2 вымольные системы. Параметры и режимы измельчения соответствовали рекомендованным «Правилам организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах» для сортовых помолов пшеницы по сокращенной технологической схеме.
Первый этап формирования муки заключался в извлечении центральной части эндосперма с выходом муки 40-45% и зольностью – 0,60% и включал 1, 2 и 3-ю размольные системы. Условно данному потоку муки присвоено буквенное обозначение  – А. Второй этап состоял из 5-7 технологических систем и характеризовался выходом тритикалевой муки в количестве 25-26% и зольностью 0,91%. Условно потоку муки присвоено буквенное обозначение  – Б. Третий этап состоял из вымола оболочек с выходом муки 5-7% и зольностью 2,20% и включал 6-ую размольную систему и вымольные системы. Условное обозначение потока муки – В.

В дальнейшем муку каждого из этапов смешивали с целью получения отдельных сортов (типов) муки, в результате чего было получено 5 сортов муки. Условное обозначение сортов включает индекс Т – тритикале, а число – значение зольности × 100. Так, мука Т-60 – представляла собой поток А зольностью 0,60 %, мука Т-70 – смесь потоков  А+Б. Мука Т-80 – смесь потоков А+Б+В, мука Т-120 – смесь потоков Б+В. Мука Т-220 – поток В [10,14].

Содержание растворимого белка определяли методом Лоури, активность протеаз – модифицированным методом Ансона, аминный азот – методом формольного титрования, редуцирующие вещества (РВ) – по методу Бертрана [11]. Фракционирование белков и продуктов протеолиза тритикалевой муки и отрубей по молекулярной массе проводили с использованием метода гель-хроматографии на колонке с сефадексом G-75 и Toyopearl gel HW-55F [11].

В качестве ферментных препаратов протеолитического и целлюлолитического действия использовали: «Нейтраза» – бактериальная металлопротеиназа (Zn), продуцируемая Bacillus amyloliquefaciens, «Алкалаза FG» – бактериальная протеиназа, продуцируемая Bacillus licheniformis; «Дистицим Протацид Экстра» – грибная протеаза, продуцируемая  Aspergillus niger, «Протеаза GC–106» – грибная протеаза, продуцируемая Aspergillus oryzae. «Шеразим 500L» – очищенная кслиланаза, продуцируемая Aspergillus oryzae и Aspergillus aculeatus. «Вискоферм L» – сбалансированная смесь ксиланазы, β-глюканазы, целлюлазы и α-амилазы, продуцируемая Aspergillus aculeatus. Все препараты рекомендованы для гидролиза биополимеров зернового сырья [1,4,9].

Результаты исследования и их обсуждение. Исследование потоков муки из зерна тритикале позволило выявить наиболее перспективные потоки для получения продуктов глубокой переработки [2,14].  Схема глубокой переработки зерна тритикале приведена на рисунке 1 и включает следующие стадии подготовки зерна и переработки: отбор зерна по определенным критериям качества, формирование помольных смесей, очистка и гидротермическая обработка; разделение на анатомические части.
 

 
 Рисунок 1 – Схема глубокой переработки зерна тритикале
 
Полученная в итоге мука разных сортов характеризовалась разным анатомическим и, следовательно, разным биохимическим составом (табл. 1,2).
 
Таблица 1 – Химический состав новых сортов тритикалевой муки
 
Образец муки, тип Белок (N×6,25), % Крахмал, % Жир, %
Т-60 10,14 82,28 1,00
Т-70 12,23 81,11 1,14
Т-80 16,84 77,68 1,25
Т-120 17,65 75,60 1,60
Т-220 24,88 47,34 2,90
 
 
Таблица 2 – Фракционный состав белков муки из зерна тритикале
 
Образец муки, тип
 
Фракционный состав белков, % от общего содержания белка
Альбумины Глобулины Проламины Глютелины Нерастворимый
остаток
Т-60 11,05 17,82  39,25 28,08 3,80
Т-70 12,00 18,14 36,78 26,64 6,44
Т-80 20,58 22,24 25,68 23,47 8,03
Т-120 72,02 12,04 4,08 3,50 8,30
Т-220 43,79 28,95 12,53 6,78 7,95
 
Тритикалевые отруби содержали общего белка – до 15,90 … 20,56% , клетчатки – до 10,68 … 14,85%; крахмала до 22,62 … 32,72 %; нерастворимых пищевых волокон – гемицеллюлоз  (до 30%).
Мука образцов А, АБ, АБВ (Т-60, Т-70, Т-80) – получена из эндосперма и может быть использована напрямую в хлебопечении, что подтвердила пробная выпечка [14], а также после ферментативной модификации, как компоненты продуктов специального назначения, обладающие  определенными функционально-технологическими свойствами.

Рисунок 2 – Хлеб, выпеченный из муки тритикале:
I – пористость; II – общий вид
 
Мука БВ и В (Т-120 Т-220) из периферийных частей эндосперма, включая алейроновый слой и семенную оболочку, может ограниченно быть использована в хлебопечении, и является, главным образом, сырьем для дальнейшей переработки.
Мука, полученная из разных частей эндосперма, была подвергнута модификации с использованием мультэнзимных композиций (МЭК) на основе микробных ферментных препаратов протеаз бактериального и грибного происхождения. Предварительно были изучены основные кинетические параметры ферментативных реакций с использованием зернового субстрата, подобраны оптимальные дозировки ферментных препаратов протеаз, составлены мультэнзимные композиции, с целью получения продуктов протеолиза белков тритикалевой муки разной степенью гидролиза, а, следовательно, с различными функционально-технологическими функциями [3,4,5]. Применение МЭК, в состав которой входят протеолитические ферменты с разной специфичностью действия (препараты бактериальных «Нейтраза» и «Алкалаза FG» и грибной «Протеаза GC-106» протеаз), позволило практически полностью гидролизовать белки, о чем свидетельствуют данные фракционирование продуктов протеолиза тритикалевой муки методом гель-хроматографии на колонке  с сефадексом G-75 (рис. 3). Так, высокомолекулярная фракция с молекулярной массой более 70000 и фракция с молекулярной массой 40000 ÷ 30000 Да практически отсутствуют, при этом в гидролизате количество низкомолекулярных пептидов и аминокислот увеличилось примерно в 2,5 – 3,0 раза по сравнению с контролем.
 

 
Рисунок 3 – Фракционирование продуктов протеолиза белков тритикалевой
муки, полученных с использованием МЭК, на колонке с сефадексом G-75
 
Полученные данные позволили позиционировать полученный с использованием МЭК на основе ферментных препаратов протеаз гидролизат, как возможный компонент гипоаллергенных и безглютеновых  изделий лечебно-профилактического назначения.
Отруби и мука с высоким содержанием периферийных частей, содержащие большое количество некрахмальных полисахаридов, в свою очередь были модифицированы с использованием МЭК на основе ферментных препаратов целлюлолитического и протеолитического действия. В результате были получены продукты ферментативной модификации муки и отрубей из зерна тритикале с разной степенью гидролиза белков и некрахмальных полисахаридов и различными функционально-технологическими свойствами [1,5,8].

В состав 2-х мультэнзимных композиций, которые использовали для ферментативной модификации тритикалевых отрубей и муки с высоким содержанием периферийных частей вошли: «Шеразим» + «Нейтраза» (МЭК-1) и «Вискоферм» + «Дистицим Протацид Экстра» (МЭК-2). Выбор ферментных препаратов обусловлен различной специфичностью действия и примерно одинаковыми оптимумами действия: оптимум температуры – 50ºС; рН 5,5-6,0 для МЭК-1 и 40ºС; рН 3,5 для МЭК-2. Гидролиз проводили в 2-а этапа. На первом этапе вносили целлюлолитический ферментный препарат. На втором этапе – ферментный препарат протеолитического действия. Дозировка ферментных препаратов и концентрация субстрата, продолжительность каждого этапа были подобраны экспериментально [4].
 

Рисунок 4 – Фракционирование продуктов протеолиза белков тритикалевых
отрубей МЭК-1 методом гель-хроматографии на колонке с Toyopearl gel HW-55F

Рисунок 5– Фракционирование продуктов протеолиза белков тритикалевых отрубей МЭК-2 методом гель-хроматографии на колонке с Toyopearl gel HW-55F
 
Полученные экспериментальные данные по кинетике ферментативных реакций гидролиза биополимеров зернового субстрата (разные типы муки и тритикалевые отруби); степени гидролиза и соотношения фракций с различной молекулярной массой методом гель-хроматографии на колонке с Toyopearl gel HW-55F (рис. 4,5); исследования функционально-технологических свойств продуктов глубокой переработки зерна тритикале легли в основу разработки биотехнологических способов модификации продуктов переработки зерна тритикале (рис. 6).

Применяя методы  ферментативной модификации с использованием мультэнзимных композиций (МЭК) на основе целлюлолитических и протеолитических ферментных препаратов, были получены белковый гидролизат, структурно-модифицированная мука, биомодифицированные отруби с различной степенью и глубиной гидролиза белков и некрахмальных полисахаридов, обладающих различными функционально-технологическими свойствами [1,4,5].

Рисунок 6 – Основные направления ферментативной модификации продуктов переработки зерна тритикале
 
Разработанные способы модификации продуктов переработки зерна тритикале включают следующие стадии:  
  • подготовка суспензии – тритикалевая мука, отруби : вода (гидромодуль 1:4);
  • подготовка растворов ферментных препаратов; создание МЭК;  ферментативный гидролиз с использованием МЭК при разработанных условиях (концентрация субстрата, дозировка ферментных препаратов, оптимальные температура и рН); инактивация ферментных препаратов; получаемый продукт – гидролизованная мука или отруби (неосветленный гидролизат);  
  • центрифугирование; получаемый продукт – гидролизат (надосадочная жидкость) и паста (осадок);
  • сушка; получаемый продукт – сухой гидролизат и гидролизованные мука, отруби;
Полученные с помощью гель-хроматографии экспериментальные данные по соотношению высоко-, средне- и низкомолекулярных пептидов в модифицированных продуктах переработки зерна тритикале, а также оценка функционально-технологических свойств полученных модифицированных продуктов свидетельствуют о том, что ферментативная модификация приводит к определенным изменениям функционально-технологических свойств исходной муки  и отрубей из зерна тритикале [1]. Это позволяет найти новые наиболее рациональные области применения модифицированных продуктов как в качестве обогатителей, так и в качестве функционально-технологических компонентов, обеспечивающих желаемую структуру, технологические и потребительские свойства пищевых продуктов (рис. 7).

 
Рисунок 7 – Этапы разработки способов ферментативной модификации и возможные области применения полученных продуктов
 
В целом предлагаемая технология позволяет формировать различные сорта тритикалевой муки (хлебопекарной, кондитерской, макаронной и т.д.) и крупы типа «манная»; проводить глубокую переработку тритикалевых отрубей и муки с высоким содержанием периферийных частей с использованием биотехнологических методов (ферментативная модификация); получать ценные компоненты для обогащения и создания новых продуктов с заданными свойствами и составом, тем самым способствовать расширению не только сырьевой базы, но и ассортимента выпускаемой продукции.

Для решения вопроса о применимости конкретных продуктов, белки которых модифицированы, в различных пищевых технологиях необходимо знать не только химический состав, но и функционально-технологические свойства. Полученные экспериментальные данные по изучению водосвязывающей, жиросвязывающей, жироэмульгирующей, пенообразующей способностей, а также стабильности эмульсии и стойкости пены модифицированных тритикалевых отрубей и муки с высоким содержанием периферийных частей с использованием 2-х мультэнзимных композиций показали, что ферментативная модификация приводит к определенным изменениям функционально-технологических свойств исходной муки и отрубей из зерна тритикале; и позволяют найти новые наиболее рациональные области применения модифицированных продуктов в качестве обогатителей и в качестве функционально-технологических компонентов. Так, образцы, имеющие значения рН близкие к нейтральным (модифицированные с использованием МЭК1) с учетом значений пенообразующей и жироэмульгирующей способностей могут быть использованы в производстве сдобных хлебобулочных изделиях, кексах, бисквитах. Образцы, имеющие кислые имеющие значения рН (модифицированные с использованием МЭК2), с учетом их функциональных свойств могут применяться для обогащения фруктовых напитков, кисломолочных продуктов, салатных заправок, соусов и т. п. [5].

Выводы
Предлагаемая технология позволяет:
  1. Производить различные сорта тритикалевой муки (хлебопекарной, кондитерской, макаронной и т.д.) и крупы типа «манная».
  2. Обеспечивает возможность глубокой переработки зерна тритикале с использованием биотехнологических методов (ферментативная модификация).
  3. Расширить ассортимент пищевых продуктов питания, выпускаемых с использованием зернового сырья.
  4. Получить модифицированные продукты переработки зерна тритикале для обогащения и придания определенных функционально-технологических свойств пищевым продуктам; предложить возможные направления их использования.
  5. Использовать вторичные продукты переработки зерна (отруби) для получения продуктов с заданными свойствами и составом, например, с повышенной пищевой и биологической ценностью, что позволяет позиционировать данную технологию как безотходную.
 
Литература
  1. Витол, И.С. Биоконверсия тритикалевых отрубей с использованием ферментных препаратов целлюлолитического и протеолитического действия / И.С. Витол, Е.П. Мелешкина, Г.П. Карпиленко // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2016. – № 10. – С. 35-38.
  2. Витол, И.С. Биохимическая характеристика новых сортов тритикалевой муки / И.С. Витол, Е.П. Мелешкина, Р.Х. Кандроков, И.А. Вережникова, Г.П. Карпиленко // Хлебопродукты. – 2016. – № 2. – С. 42-44.
  3. Витол, И.С. Введение в технологии продуктов питания / И.С. Витол, В.И. Горбатюк, Э.С. Горенков, Н.Г. Ильяшенко, Д.В. Карпенко, А.В. Коваленок, А.А. Кочеткова, Н.Д. Лукин, Е.М. Мельников, А.П. Нечаев, Г.Н. Панкратов, Ю.И. Сидоренко, В.А. Тутельян, Т.Б. Цыганова, В.Г. Щербаков / под общей ред. А.П. Нечаева. – М.: ДеЛи плюс. – 2011. – 720 с.
  4. Витол, И.С. Ферментативная модификация муки тритикале с использованием протеолитических ферментных препаратов / И.С. Витол, Г.П. Карпиленко  // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2015. – № 9. – С. 17-22.
  5. Витол, И.С. Функциональные свойства модифицированных продуктов переработки зерна тритикале / И.С. Витол, Е.П. Мелешкина, Г.П. Карпиленко // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2017. – № 2. – С. 27-29.
  6. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т.1. Сорта растений (офиц. изд.). – М.: ФГБНУ Росинформагротех. – 2016. – С. 18–19.
  7. Кандроков, Р.Х. Высокоэффективная технология получения различных сортов хлебопекарной муки из зерна тритикале / Р.Х. Кандроков, Г.Н. Панкратов, Е.П. Мелешкина, С.Н. Коломиец / В сб. материалов Международной научно-практической конференции «Безопасность и качество сельскохозяйственного сырья и продовольствия. Создание национальной системы управления качеством пищевой продукции», 23-24 ноября 2016 г. – М. – 2016. – С. 158-188.
  8. Кандроков, Р.Х. Технология переработки зерна тритикале в крупу типа «манная» /  Р.Х. Кандроков,  Г.Н. Панкратов  // Хлебопродукты. – 2017. – № 1. – С. 52-53.
  9. Мелешкина, Е.П. Модификация растительного белка зерна тритикале с помощью биотехнологических методов / Е.П. Мелешкина, И.С. Витол, Г.П. Карпиленко // Хлебопродукты. – 2016.  – № 5. – С. 62-64.
  10. Мелешкина, Е.П. Технологические и биохимические показатели как составляющие качества муки тритикале / Е.П. Мелешкина, Г.Н. Панкратов, Р.Х. Кандроков, И.С. Витол, Д.Г. Туляков  // Контроль качества продукции. – 2017. – № 1. – С.38-44.
  11. Нечаев, А.П. Пищевая химия. Лабораторный практикум / А.П. Нечаев, С.Е Траубенберг, А.А. Кочеткова, В.В. Колпакова, И.С. Витол, И.Б. Кобелева. – СПб.: ГИОРД. – 2006. – 304с.
  12. Панкратов, Г.Н. Исследование процесса измельчения зерна тритикале / Г.Н. Панкратов, Р.Х. Кандроков, Е.В. Щербакова // Хлебопродукты. – 2016. – № 10. – С. 59-61.
  13. Панкратов, Г.Н. Процесс крупообразования при переработке зерна тритикале в хлебопекарную муку / Г.Н. Панкратов, Р.Х. Кандроков / В сб. Материалов конференции, посвященной 70-летию со дня основания Санкт-Петербурского филиала ФГАНУ НИИ хлебопекарной промышленности: Усиление конкурентного потенциала пищевых предприятий путем развития эффективных биотехнологий. – СПб. – 2016. – С.97-103.
  14. Панкратов, Г.Н. Технологические свойства новых сортов тритикалевой муки / Г.Н. Панкратов, Е.П. Мелешкина, Р.Х. Кандроков, И.С. Витол  //  Хлебопродукты. – 2016. –№ 1. – С. 60-62.
  15. [http://www.openbusiness.ru /обзор рынка тритикале в России] (дата обращения: 28.03.2017).
 
 
Д-р техн. наук, профессор Г.Н. Панкратов;
д-р техн. наук  Е.П. Мелешкина
канд. биол. наук, доцент И.С. Витол;
канд. техн. наук Р.Х. Кандроков
 
Статья опубликована в журнале:
Пищевая промышленность. – 2017. - №8. – С.44-49.
 

 
Наверх ↑