Физико-химическая деградация полисахаридных компонентов растительного сырья для формирования пищевых систем

Аннотация. Изучен процесс физико-химической переработки под воздействием, температуры, ультразвука и лазера растительного сырья для последующего использования в составе углеводных компонентов пищевых систем. В качестве объектов гидролитической  обработки использовали опилки дуба, шишки сосны, муку пшеничную и кукурузную.
Abstract. The process of physicochemical processing under the action of, temperature, ultrasound and laser plant materials for subsequent use in the composition of the carbohydrate components of food systems. As objects of hydrolytic processing used sawdust oak, pine cones, wheat flour and maize.

Материалы растительного происхождения представляют собой источник множества биологически активных веществ, использование которых позволяет создавать высокоэффективные питательные композиции [1–3]. Наряду с традиционно применяемыми в кормах и пищевых рецептурах продуктами переработки пшеницы, кукурузы, сои и др. сельскохозяйственных культур, существует значительная сырьевая база растительного происхождения до настоящего времени практически не используемая. К таким объектам можно отнести древесные опилки и шишки хвойных растений и другие отходы лесопользования [4–6].

Богатый химический состав данного сырья является основой для поиска перспективных активных веществ и расширения ассортимента продуктов на основе биологически активных веществ (БАВ) данного сырья. Так шишки сосны и ели у народов Кавказа давно используются в приготовлении виноматериалов, в рецептурах варений на основе меда.

Ель обыкновенная имеет богатый состав эфирного масла. Компонентный состав эфирного масла древесной зелени ели обыкновенной представлен преимущественно монотерпенами: β-пинен, β-мирцен, β-фелладрен, сантен, Δ3-карен, сабинен, камфен, трициклен, лимонен,α-пинен, α-терпинолен, фенхол, камфора, изоборнеол, борнеол, терпинен-4-ол, α-терпинеол, α-терпинолен, циклосативен, борнилацетат  [4].

В состав эфирного масла древесной зелени ели входят и сесквитерпены: гумулен, лонгифолен, лонгициклен, α-цедрен, кариофиллен, α-кариофиллен, копаен, α-мууролен, γ-мууролен, α-баргамотен, α-фармензен, аромадендрен, α-бисаболол, мууролол, α-кадинол [5,9].

В каждом органе ели содержание эфирного масла различное. Так, в коре (0,38% от абсолютно сухого вещества) эфирного масла содержится больше чем в древесной зелени (0,1–0,2%) и древесине ствола и ветвей (0,04%). В эфирном масле шишек ели обыкновенной были идентифицированы монотерпены: α-пинен, β-пинен, мирцен, Δ3-карен, лимонен, борнилацетат, борнеол [2, 5].

Растительные материалы являются важным источником природных углеводов (УВ). Преобладающей формой растворимых форм УВ в хвое ели являются олигосахариды. Основной максимум их содержания в хвое приходится на ноябрь-январь, до 12–17% от массы сухого сырья. Одним из основных углеводов хвои ели является крахмал. Крахмал в хвое накапливается в период активного роста растения. У моносахаридов хвои ели наблюдается максимум накопления в январе, а минимум в июне, что связано с периодом интенсивного роста.

Моносахаридов в хвое ели в течение года содержится больше чем дисахаридов. Содержание моносахаридов в хвое ели начинает постепенно увеличиваться с приходом осени, содержание моносахаридов остаётся высоким до прихода весны. Весной содержание моносахаридов падает до минимального значения в июне. Благодаря большей лабильности дисахаридов, их содержание в течение года претерпевает большие изменения [7–9].

В древесине ели были обнаружены не целлюлозные полисахариды – галактоглюкоманнан  и арабиноглюкуроноксилан. Галактоглюкоманнан состоит из остатков галактозы, глюкозы и маннозы. Арабиноглюкуроноксиланы представлены арабино-4-о-метилглюкуроноксиланом, состоящим из остатков арабинозы, ксилозы и глюкуроновой кислоты [10].

Глюкогалактоманнан, являясь веществом с большой молекулярной массой, проникает в кишечник и начинает адсорбировать воду. При этом полисахарид разбухает, занимая значительное пространство в кишечнике, тем самым препятствует всасыванию сахаров и реадсорбции желчи. Это является важным фармакологическим свойством УВ.

Водорастворимые полисахариды и пектины древесины видов ели так же представлены арабиногалактаном, подобно лиственнице сибирской. Древесина лиственницы сибирской содержит до 15% арабиногалактана.

На основе арабиногалактана западной лиственницы получена пищевая иммуностимулирующая добавка «Immun EnhancerTM AG». На основе арабиногалактана лиственницы сибирской разработаны биологически активные добавки иммуномодулирующего и пребиотического действия: Фларабин, Лавитол-арабиногалактан, Лакбин, Араглин-Д.

Кроме того, у арабиногалактана обнаружена умеренная антибактериальная активность в отношении некоторых штаммов, а так же гастропротективная и сорбционная активности [5].
Полисахариды ели обыкновенной из древесной зелени и шишек в основном представлены веществами сходными по структуре с арабиногалоктаном, арабиноглюкуроноксиланом и глюкогалактоманнаном [10].

Все отмеченные выше полисахариды в растительном сырье представляют собой достаточно трудно извлекаемые биополимеры, которые в нативном виде имеют значительную молекулярную массу, препятствующую быстрому усвоению в пищевых цепях живых организмов. Для эффективного использования таких объектов в качестве питательных ингредиентов необходимо осуществление их химической деградации до малых УВ. Получаемая в этом случае глюкоза и родственные УВ могут рассматриваться как эффективные компоненты для балансировки пищевой системы. 

Отходы лесозаготовок (древесная зелень, шишки), оставленные на вырубках, приводят к снижению эффективности использования лесных ресурсов, загрязнению окружающей среды, что вызывает необходимость, в том числе, проведения исследований по экологической безопасности данного сырья.

Целью настоящей работы является установление основных условий деградации растительного сырья и возможности получения сбалансированной по составу смеси сахаров для последующего использования в питательных системах.

В качестве объектов исследования использовали шишки ели обыкновенной Picea eabietis strobili, опилки дубовые Serrago quercu с возрастом древесины более 150 лет, муку кукурузную,  муку пшеничную. Содержание углеводов определяли спектрофотометрически по антрону при 546 нм [4,6].

Изучение состава углеводов (УВ) проводили  в соответствии с Методом определения массовой доли содержания свободных углеводов по условиям ГОСТ 51880-2002 с использованием BioLC хроматографической системы, включающей градиентный насос GS50, электрохимический детектор ED50, генератор элюента EG50 Generator с 10mN NaOH, хроматографический термостат LC25 c колонкой CarboPac PA20 производства Dionex (Германия). Определение содержания свободных УВ  осуществляли в  водных экстрактах 0,01 г образца (или 100 мкл жидкости) в 100 г воды квалификации HPLC, профильтрованной через фильтр 0,45мкм при 25^оС. В качестве стандартов УВ использовали: арабинозу (Ara, C₅H₁₀O₅, D-(−)-Arabinose  ≥99%, A3131 Sigma), галактозу (Gal, C₆H₁₂O₆, D-(+)-Galactose ≥99%, G0750 Sigma-Aldrich), глюкозу (Glc, C₆H₁₂O₆, D-(+)-Glucose  ≥99.5%, G8270 Sigma), ксилозу (Xyl), маннозу (Man, C₆H₁₂O₆, D-(+)-Mannose from wood, ≥99% M2069 Sigma), фруктозу (Fru, C₆H₁₂O₆, D-(−)-Fructose  ≥99%, F0127 Sigma), сахарозу (Sug, C₁₂H₂₂O₁₁, α-D-Glc-(1→2)-β-D-Fru, Sucrose ≥99.5% S9378 Sigma), рибозу (Rib, C₅H₁₀O₅, D-(−)-Ribose ≥99% R7500 Sigma), лактозу (Lac, C₁₂H₂₂O₁₁·H₂O, β-D-Gal-(1→4)-α-D-Glc , α-Lactose monohydrate  reagent grade L3625 Sigma-Aldrich), водные растворы с концентрацией 0,001  мг/мл.

Гидролитическую обработку сырья проводили при температуре 20–75^оС под воздействием ультразвука на установке Branson 5510 производства Branson Ultrasonic (Корея), 40 кГц, вводимая мощность 18,5 Вт/л и лазера Photocor DL-650 производства Photocor Ltd. (КНР), 650 нм, 25 мВт.

В табл. 1 представлены результаты высвобождения минорных сахаров из использованных растительных объектов.

Таблица 1
Образование свободных сахаров из растительного сырья
под физико-химическим  воздействием

 

№ пп	Условия обработки	Поглощение в среде с антроном, D546	Выход свободных сахаров, г/100 г сырья
1	Опилки дуба в 0,6М HCl, 25 мг/мл*, 75оС, 1 ч	0,415	1,0
2	Опилки дуба в 0,6М HCl в среде 50% этанола, 25 мг/мл, 75оС, 1 ч	1,615	2,7
3	Опилки дуба в 0,6М HCl, 25 мг/мл, 75оС, 1 ч, ультразвук	1,250	2,3
4	Опилки дуба в 0,6М HCl, 25 мг/мл, 75оС, 1 ч, лазер	0,605
5	Шишки еловые в 0,6М HCl, 30 мг/мл, 80оС, 1 ч	0,450	0,7
6	Шишки еловые в 0,6М HCl, 30 мг/мл, 80оС, 1 ч, ультразвук	1,265	2,1
7	Шишки еловые в 0,6М HCl, 30 мг/мл, 80оС, 3 ч, лазер	0,660	1,4
8	Мука кукурузная в 0,6М HCl, 25 мг/мл, 75оС, 1 ч	2,650	4,5
9	Мука пшеничная в 0,6М HCl, 25 мг/мл, 75оС, 1 ч	2,570	4,1

* – условное отнесение массы диспергированного сырья к объему реакционной массы

Из данных табл. 1 видно, что кислый гидролиз позволяет извлекать до 2,7% свободных углеводов из древесного сырья и до 4,5% из кукурузной и пшеничной муки, выбранных для сравнения. Учитывая, что в образцах сравнения, общее содержание углеводов составляет 72–75%, в то время как в древесном сырье – 17–20% эффективность извлечения сахаров является сопоставимой. Во всех случаях, кислый гидролиз под воздействием ультразвука  как процесс физико-химической деградации протекал в 2–3 раза эффективнее тепловой обработки и переработки сырья под лазерным лучом.
Состав основных углеводов, полученных в результате  проведенной обработки растительного сырья, приведен в табл. 2.


Таблица 2
Состав основных углеводов, идентифицированных в продуктах гидролиза
обработанных древесных опилок, г/100 г сырья

 

№ пп	Наименование углевода	Гидролиз при нагревании	Гидролиз при нагревании и действии ультразвука	Водно-спиртовый гидролиз
1	Ara	0,02	0,03	0,01
2	Gal	0,008	0,005	0,003
3	Glc	0,6	1,3	0,03
4	Xyl + Man	0,1	0,24	0,001
5	Fru + Sug	0,1	0,12	0,002
6	Rib	0,005	0,006	0,001
7	Lac	1,5	1,7	0,001

Из табл. 2 видно, что использование энергетического воздействия в присутствии сильной минеральной кислоты на связанные в сырье полисахариды приводит к их деградации с образованием дисахаридов (Lac и Sug), а также значительных количеств моносахаров (Ara, Gal, Xyl, Man, Fru, Rib), которые могут представлять значительный интерес в качестве быстро усвояемого углеводного компонента питательных систем. Соотношения сахаров в полученных гидролизатах, соответствует их естественному, природному содержанию в растительном сырье.

Таким образом, проведенные исследования позволяют выявить условия получения углеводных компонентов из древесных отходов и растительного сырья для последующего использования в качестве добавок в корма сельскохозяйственных животных и ингредиентов пищевых систем.

Литература

1. Baburina, M.I. Chemical and biotechnological processing of collagen-containing raw materials into functional components of feed suitable for production of high-quality meat from farm animals / M.I. Baburina, A.N. Ivankin, I.A. Stanovova // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. – 2017. – V. 85: 012037. Doi :10.1088/1755-1315/85/1/012037.
2. Иванкин, А.Н. Обзор микрокомпонентов пищевых систем на основе животного и других видов сырья: Обзор / А.Н. Иванкин, Н.Л. Вострикова, А.В. Куликовский, Г.Л.  Олиференко // Теория и практика переработки мяса. – 2018. – №1. – С. 16 – 28. DOI 10.21323/2414–438X-2018–3–1–16–28.
3. Вострикова, Н.Л. Обзор биохимических особенностей получения пищи на основе современных пищевых систем / Н.Л. Вострикова, А.В. Куликовский, А.Н. Иванкин, В.А. Беляков, С.М.Тарасов  // Все о мясе. – 2018. – № 1. – C. 10-15.
4. Иванкин, А.Н. О механизме биостимулирования и активации развития растительных культур / А.Н. Иванкин, C.Б. Васильев, М.И. Бабурина, Н.Л. Вострикова, И.В. Козырев, Т.М. Миттельштейн, Т.В. Мишугина // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2018. – Т. 22. – № 5. – С. 5–13. DOI: 10.18698/2542-1468-2018-5-5-13.
5. Гуляев, Д.К. Фармакогностическое исследование ели обыкновенной, произрастающей в пермском крае: автореф. дис. ... канд. фарм. наук: 14.04.02 / Д.К. Гуляев. – Пермь, 2016. – 25 с.
6. Неклюдов, А.Д. Основы биохимической переработки животного и комбинированного сырья / А.Д. Неклюдов, А.Н. Иванкин, А.В. Бердутина – М.: ВНИИМП, 2003. – 402 с.
7. Иванкин, А.Н. Гидроколлоиды природных полисахаридов в составе мясных продуктов / А.Н. Иванкин // Мясная индустрия. – 2015. – № 5. – С. 18–21.
8. Бабурина, М.И.  Биохимическая конверсия природных липидов. Обзор/ М.И.Бабурина, Н.Л. Вострикова, А.Н. Иванкин, А.Н. Зенкин //Теория и практика переработки мяса. – 2018. – Т 3. – № 3. – С. 12-26. DOI 10.21323/2414–438X–2018–3–3–12–26.
9. Belyakov, V.A. The change in the physicochemical composition of food products under the influence of gamma radiation with the dose of radiation used for bacterial disinfection / V.A. Belyakov, O.K. Chernobrovina, O.P. Proshina, A.N. Ivankin // Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering. – 2018. – V.5. – No 1. – P. 00113. DOI: 10.15406/jabb.2018.05.00113.
10. Кононов, Г.Н. Дендрохимия. Монография в двух томах / Г.Н. Кононов. – М.: Изд-во МГУЛ, 2015. – 1112 с.

Иванкин А.Н.^1,2;  Зарубина А.Н.¹, канд. техн. наук; 
Олиференко Г.Л.¹, канд. хим. наук; Леонтьев П.К.¹;
Бабурина М.И.², канд. биол. наук; Зарубин Н.Ю.²,
Вострикова Н.Л.², канд. техн. наук;  Куликовский А.В ², канд. техн. наук
¹Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Москва
²Федеральный научный центр пищевых систем  им. В.М. Горбатова РАН, Москва
 

---