Пищевая ценность белого люпина и перспективы его использования в производстве продуктов питания из растительного сырья
Люпин белый (Lupinus albus L.)является старейшим известным бобовым в истории. В настоящее время интерес производителей продуктов питания к белому люпину снова возрос. Он выделяется среди других видов люпина высокой семенной и белковой продуктивностью, способностью формировать урожай практически без внесения азотных удобрений.
Люпины считаются замечательным пищевым источником биологически ценных компонентов, которые могут положительно влиять на многие физиологические и метаболические процессы. Фенольные соединения, присутствующие в семенах бобовых, представлены фенольными кислотами, флавоноидами и конденсированными дубильными веществами. Существует ряд исследований, направленных на изучение содержания отдельных фенольных кислот (4-гидроксибензойной, кофейной, транс-р-кумаровой, транс-феруловой кислот, мирицитина), которое было определено в семенах всех исследованных сортов белого люпина.
Бобовые играют важную роль в питании человека и являются частью традиционного рациона многих регионов по всему миру. Их выращивают в основном из-за съедобных семян, и они занимают большие посевные площади по всему миру. Бобовые имеют невысокое содержание жира, но, с другой стороны, содержат значительное количество белка, клетчатки, микроэлементов и многих ценных фитохимикатов. Бобовые в составе ежедневного рациона могут оказывать благотворное физиологическое действие и, таким образом, помочь в контроле и профилактике заболеваний цивилизации, таких как сахарный диабет, ишемическая болезнь сердца, атеросклероз, ожирение.
Давней проблемой, связанной с бобовыми, является довольно высокое содержание антипитательных факторов, которые могут ограничить их биологическую ценность. Согласно текущим исследованиям, эти соединения могут быть легко удалены или уменьшены при изменении условий обработки; некоторые из этих веществ могут также оказывать положительное влияние на здоровье человека. Физические и химические методы, применяемые для уменьшения или удаления антипитательных факторов, — замачивание, проращивание, селективная экстракция, облучение, ферментативная обработка. Благодаря известному положительному эффекту потребления бобовых, их производство увеличивается во всем мире. Сообщается о более высоком потреблении бобовых (8–23 г на душу населения в день) в странах Средиземноморья, в Северной Европе — менее 5 г.
Цель работы – раскрыть и проанализировать доступную информацию о технологических особенностях белого люпина как продовольственной культуры, питательной ценности его семян, в том числе в разрезе сравнительной характеристики с семенами сои, о возможностях и подходах использования семян люпина в производстве продуктов питания.
Материалы и методы
Изучены материалы научных исследований в области производства люпина, биохимического состава его семян, целесообразности применения продуктов переработки люпина в производстве продуктов питания из растительного сырья. Поиск источников данных осуществляли в научных электронных библиотеках и поисковых системах: eLIBRARY.RU, cyberleninka.ru, reestr.gossortrf.ru, базе данных PubMed. Поисковые запросы выполняли по следующим ключевым словам (на русском и английском языках): люпин белый, бобовые, белок, антипитательные факторы, люпиновая мука, функциональные продукты, лечебно-профилактическое питание.
Результаты и обсуждение
1. Предпосылки производства белого люпина. Lupinus — очень разнообразный, широко распространенный род семейства Fabaceae с многочисленными видами. Он встречается в широком диапазоне климатических условий — от субарктического региона до полупустынного и субтропического климата, а также от уровня моря до высокогорных экосистем (высота 4000 м). Виды рода можно разделить на две группы: (а) — виды «Старого Света», Средиземноморье, Северная и Восточная Африка, (б) — виды «Нового Света», Северная и Южная Америка. Группа «Старый Свет» состоит всего из 12 однолетних видов и подразделяется на: (a) Malacospermae, гладкосемянные виды L. angustifolius, L. albus, L. luteus, L. hispanicus и L. micranthus с числом хромосом от 2n = 40–52; (b) Scabrispermae, виды с грубым посевом L. pilosus, L.cosentinii, L. digitalis, L. prinei, L. palaestinus, L. atlanticus и L. somaliensis с числом хромосом от 2n = 32–42.
С другой стороны, группа «Новый Свет» состоит из гораздо большего количества видов, которые являются однолетними и травянистыми многолетниками, некоторые из них — кустарники. Предполагаемое количество видов «Нового Света» составляет приблизительно 280, но они плохо определены таксономически. Однако среди многочисленных видов рода культивируются только L. angustifolius (голубой люпин или люпин узколистный), L. albus (белый люпин), L. luteus (желтый люпин) из группы «Старый Свет» и L. mutabilis (андский люпин) из группы «Новый Свет». В сельскохозяйственном производстве России используют три однолетних вида люпина: белый (Lupinus albus), узколистный (L. angustifolius), желтый (L. luteus).
Люпины, как все бобовые культуры, фиксируют атмосферный азот, способствуя повышению плодородия почвы, а также урожайности последующих культур в системах севооборота. Обладая способностью фиксировать атмосферный азот до 300 кг/га, имея мощную стержневую корневую систему, проникающую в почву на глубину до 2 м, усваивая и перекачивая вверх фосфор, калий и другие элементы, люпин служит ценной сидеральной культурой. Благодаря этому его можно использовать не только для улучшения плодородия почвы, но и для реабилитации деградированных земель.
Люпины относительно более устойчивы к нескольким абиотическим стрессам, чем другие бобовые, и обладают доказанным потенциалом для восстановления бедных и загрязненных почв. Благодаря корневым выделениям люпин разлагает труднодоступные для других растений фосфаты почвы, что позволяет обеспечивать свои потребности в фосфорном питании и улучшать фосфатный режим почвы.
Люпин, как типичный представитель бобовых культур, имеет приоритет и перспективу для развития органического земледелия и сопряженного с ним органического животноводства в связи с биологическими особенностями аккумулирования азота и естественного формирования почвенного плодородия при отсутствии ограничений в отношении почвы или климата. Семена люпина имеют приблизительно на 25% меньшую массу, чем семена сои — очень популярной бобовой культуры. Отмечается, что для континентального климата России больше подходит именно люпин, стратегически он так же важен, как соевые бобы для США и Бразилии. Единственной альтернативной культурой сое, в зерне которой содержатся более 40% протеина и полный набор незаменимых аминокислот, является люпин («северная соя», как его еще называют).
Производство люпина и посевные площади по всему миру на 2017 год оцениваются примерно в 1 610 969 т и 930 717 га соответственно. Крупнейшим производителем является Океания, на долю которой приходится 64% и 55% мирового производства и посевных площадей соответственно, в то время как Европа занимает второе место. Доля мирового производства, приходящаяся на Европу, заметно увеличилась с 17,6% в 2013 году до 29% в 2017-м.
Выращивание люпина в Европе ограничено из-за малого числа целевых селекционных программ, что является решающим фактором низкой продуктивности и низкого расширения выращивания люпина в регионе. Ожидается, что идентификация зародышевой плазмы с устойчивостью к ряду абиотических стрессов (известковые почвы, засуха, случайные заморозки и т. д.) расширит выращивание люпина в более широком диапазоне агроклиматических условий. Это может увеличить производство зерна или биомассы.
Другой ключевой проблемой является разработка адаптивных штаммов Bradyrhizobium, которые способствуют образованию клубеньков при различных стрессах и приводят к лучшему росту растений и повышению урожайности. Кроме того, низкая урожайность из-за сезонной изменчивости, низкая цена на зерно люпина и политика ЕС, которая благоприятствовала импорту соевых бобов, способствовали снижению производства люпина в Европе, особенно во второй половине XX века. Согласно Lucas и др., люпин может быть основным видом выращивания в различных агроклиматических зонах и на маргинальных землях Европы.
Среди российских агрохолдингов и крестьянских фермерских хозяйств наблюдается тенденция экспоненциального роста посевных площадей под люпином с 2011 по 2016 год с 18 тыс. га до 140 тыс. га. Для отечественных сельхозпроизводителей люпин является более привлекательной культурой, чем соя, в связи с отсутствием ограничений в отношении особенностей почвы или климата. Важным конкурентным преимуществом люпина для России (по сравнению с соей) является его высокий адаптационный потенциал к почвенно-климатическим условиям в большинстве регионов страны. Многие исследователи говорят о необходимости увеличения посевных площадей под люпин, считая, что это внесет ощутимый вклад в развитие агропромышленного комплекса страны.
По сравнению с соей белый люпин обладает большей азотфиксирующей активностью. Обогащая почву симбиотическим азотом и органическим веществом, люпин не истощает почву, а, наоборот, повышает уровень плодородия и улучшает ее физическое, химическое и фитосанитарное состояние. Основное направление селекции возделываемых видов люпина — это селекция на улучшение качества продукции: пониженное содержание клетчатки и алкалоидов в зерне, повышенное содержание белка, лизина и жира. В настоящее время в России выведен ряд сортов белого люпина с низким содержанием алкалоидов в зерне — малоалкалоидные сорта Дега, Гамма, Деснянский, Мичуринский, Алый парус, что делает люпин перспективной культурой для производства и хорошей альтернативой сое.
2. Биохимический состав и питательная ценность семян белого люпина. Люпины используются в качестве сидеральных, кормовых и продовольственных культур, некоторые виды также используются в декоративных целях. Они традиционно являются частью рациона человека, главным образом, в Средиземноморском регионе и на Андском нагорье Южной Америки.
Более 3000 лет семена белого люпина использовались не только в качестве пищевого компонента, но и в терапевтических целях, хотя из-за высокого содержания алкалоидов его потребление в качестве пищевого компонента не считалось безопасным. Интерес исследователей в последние годы особенно сосредоточен на селекции и производстве сортов люпина с высоким содержанием белка, низким содержанием алкалоидов и коротким вегетационным периодом. Среди семян бобовых растений люпин является одним из самых богатых источников белка.
Белок люпина потенциально может быть воспалительным агентом с положительным влиянием на метаболизм, усвоение питательных веществ и иммунитет. Семена белого люпина содержат от 33 до 47% белка, 16,2% клетчатки, 5,95% масла, 5,82% сахара и, в отличие от злаков, низкое содержание крахмала (5–12%), богаты тиамином (3,9 мг/кг), рибофлавином (2,3 мг/кг) и ниацином (39 мг/кг). Люпин выделяется по содержанию минеральных веществ, ненасыщенных жирных кислот, водо- и жирорастворимых биологически активных веществ. В составе макроэлементов преобладают калий, фосфор и кальций, в составе микроэлементов — марганец, железо, цинк и медь. В зерне люпина не обнаружены токсичные элементы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть), количество которых ограничивается и в других зернобобовых культурах, предназначенных для употребления в пищу. Согласно, семена белого люпина имеют низкое содержание натрия (0,17 г/кг), с другой стороны, они являются хорошим источником макроэлементов K, P, Ca и Mg (11,0, 5,2, 2,4 и 1,3 г/кг соответственно) и микроэлементов Mn, Fe, Zn и Cu (252, 39, 43 и 8 мг/кг соответственно). Витаминный состав семян люпина представлен пантотеновой кислотой, рибофлавином, тиамином, ниацином, β-каротином.
Важным компонентом семян люпина является масло (5–20%). Растительные масла обладают ценными пищевыми и биологическими свойствами, что обусловливает их разнонаправленное использование, в том числе в медицинских целях. Это объясняет интерес к получению новых видов растительных масел и изучению их свойств. Значительная доля в составе масла люпина приходится на полиненасыщенные жирные кислоты: линолевую, олеиновую и линоленовую. Масло семян люпина — уникальный продукт, богатый полиненасыщенными жирными кислотами, не уступающий по качеству растительным маслам высокого класса, таким как льняное и оливковое.
Несколько доклинических исследований показали, что семена Lupinus albus L. обладают антимикробной, антиоксидантной, противоглистной, гиполипидемической, гипогликемической, противосудорожной и антиатеросклеротической активностью. Mazumder и др. исследовали экстракты трихлоруксусной кислоты из оболочки семян и обнаружили индукцию апоптоза при раке поджелудочной железы человека. Содержание алкалоидов хинолизидина было на уровне ниже токсичности для человека, но с потенциальной пользой для здоровья пациентов с диабетом. Авторы рассматривали люпин как потенциально нутрицевтический и функциональный продукт питания.
Как уже отмечалось, семена белого люпина являются прекрасной альтернативой семенам сои, не уступая ей в количественном и качественном содержании белка. По данным, в сое больше содержится сырого жира (табл. 1), что более важно для кормления животных и птицы. Для питания человека это, наоборот, может быть преимуществом, так продукт переработки бобов люпина будет менее калорийным.
Алкалоиды являются основными антипитательными веществами, присутствующими в семенах люпина и отличающими его от других бобовых культур. Алкалоиды — часть структурно разнообразной группы из более 21 тыс. циклических азотсодержащих вторичных метаболитов, которые встречаются у 20% видов растений. Lupinus albus содержит алкалоид хинолизидин (QA). Идентификация основных генов, участвующих в биосинтезе QA, позволит точно селекционировать белый люпин с низким содержанием алкалоидов и высоким содержанием питательных веществ. Кроме алкалоидов, к антипитательным веществам люпина также относятся ингибиторы пищеварительных ферментов, сапонины, фитаты (рис. 1). Однако подобные вещества найдены и в семенах сои, и других бобовых, причем количество ингибиторов трипсина в зерне люпина содержится в 100 раз меньше, чем в зерне сои.
По сути, антипитательные вещества являются естественными компонентами пищи, уменьшая их биологическую ценность за счет снижения усвоения соответствующих пищевых веществ, и содержатся практически во всех продуктах и сырье. С другой стороны, многие антипитательные факторы могут быть полезны для организма человека. Так, олигосахариды семейства раффинозы (RFOS) вызывают метеоризм у людей и животных. Метеоризм является единственным наиболее важным фактором, который сдерживает потребление и использование бобовых в рационе человека и животных.
У людей RFOS оказывают благотворное воздействие на толстую кишку и продемонстрировали пребиотический потенциал, способствуя росту полезных бактерий, снижающих количество патогенов и гнилостных бактерий, присутствующих в толстой кишке. В дополнение к их пребиотическому потенциалу RFOS обладают многими другими биологическими функциями, такими как противоаллергические, против ожирения и диабета, профилактика неалкогольной жировой болезни печени. По-видимому, должно пройти еще немало исследований, доказывающих пользу или вред наличия конкретных антипитательных факторов, их количественного содержания на организм человека и животных.
Снижение антипитательных факторов или предотвращение их накопления открывает возможности для увеличения потребления бобовых в рационе, помимо увеличения биодоступности питательных микроэлементов. Методы комплексной селекции обычно используются для использования имеющейся генетической изменчивости по питательным микроэлементам с помощью современных «омических» технологий, таких как геномика, транскриптомика, иономика и метаболомика, для получения биофортифицированных зерновых бобовых. Снижению количества антипитательных веществ в бобовых способствует и различная обработка семян: влаготепловая, гидромеханическая и т. д. Так, термообработка способна снижать количество алкалоидов на 30–50%. В исследованиях предварительная обработка, включающая ферментацию с использованием молочнокислых бактерий и дрожжей, используется для улучшения питательных и вкусовых свойств продуктов из бобовых, что повышает их приемлемость для потребителей.
Стоит также заметить, что соевый белок по причине трансгенности становится всё более непривлекательным, выбор остается за люпином в качестве основной экологически чистой негенномодифицированной белковой добавки в пищевых продуктах.
3. Использование люпина в производстве продуктов питания. В последние годы наука о функциональном питании приобрела большой интерес в связи с изменением состояния здоровья населения в развитых странах. Основными целями населения являются здоровье и высокое качество жизни. Продукты переработки люпина, такие как люпиновая мука и белковые концентраты, используются в качестве компонентов в хлебобулочных изделиях, бисквитах, макаронах, тортах, сухих завтраках и т. п. Эти продукты без глютена подходят также для людей с целиакией. Продукты с добавлением люпина могут не только способствовать рациональному питанию и чувству сытости потребителей, но также помогают в профилактике заболеваний, улучшении липидного обмена и лечении артериального давления.
Разработка новых продуктов на основе белого люпина, вероятно, должна быть сосредоточена в первую очередь на замене продуктов животного происхождения (мясные альтернативы, вегетарианские спреды, десертные кремы, мороженое и овощные напитки). Другие цели включают высокобелковые пищевые продукты с отличными вкусовыми свойствами (колбасы, закуски и напитки). Многие компоненты семян белого люпина являются очень ценным сырьем для производства функциональных продуктов питания. Белковые гидролизаты с высоким содержанием биоактивных пептидов подходят для разработки функциональных продуктов питания и нутрицевтиков. Кроме того, большое количество пищевых волокон потенциально может быть использовано в производстве функциональных продуктов питания.
Отмечается, что внесение муки из люпина взамен части пшеничной муки приводит к существенным изменениям реологических характеристик теста, таких как водопоглотительная способность, показатель качества фаринографа, время образования теста. Изменяются также устойчивость теста к замесу и степень разжижения теста. Вносить рекомендуется до 10% люпиновой муки. Даже при такой не слишком высокой дозе происходит увеличение содержания таких незаменимых аминокислот, как треонин, валин, фенилаланин, изолейцин, лейцин, лизин. Среди заменимых аминокислот наибольший прирост был отмечен для аргинина — с 350 до 600 мг / 100 г.
Люпиновая мука может быть использована и для производства мучных кондитерских изделий, например вафель. Исследования подтверждают целесообразность внесения люпиновой муки взамен пшеничной в количестве 20%. Полученные изделия характеризовались приятными вкусом и запахом, имели более насыщенный цвет.
Люпиновая мука в некоторой степени может быть использована как заменитель яйцепродуктов. Это важно в том случае, когда у человека имеется аллергическая реакция на куриный белок или желток. Была предложена рецептура галет с полной заменой меланжа куриных яиц и 20% пшеничной муки на люпиновую. Готовые изделия имели ярко-желтую окраску, повышенное содержание белка, пищевых волокон, калия, фосфора, магния, железа.
Важным моментом является применение люпиновой муки в производстве продуктов питания для людей, больных целиакией. Для них токсичны не все, а лишь некоторые белки клейковины — проламины: глиадины пшеницы, секалины ржи и гордеины ячменя. Нетоксичны проламины кукурузы (зеин) и риса (оризенин), а также белки гречихи, сорго, люпина и амаранта. Сырьем для производства безглютеновых кондитерских изделий может служить мука люпина. При внесении 5–10% люпиновой муки не только коррелируются технологические свойства кулинарных изделий, но и повышается пищевая и биологическая ценность продукта, однако при дозировке более 15% готовые изделия характеризуются легким привкусом горечи.
Выводы
Продукты переработки люпина уже используются в технологиях пищевых продуктах во многих странах мира, но гораздо реже, чем ингредиенты соевых бобов, несмотря на их полезные свойства. Мука, белковые изоляты и концентраты люпина в основном используются в хлебобулочных и безглютеновых изделиях, хотя и в качестве второстепенных компонентов. Тем не менее каждый год на рынок поступают новые продукты, содержащие компоненты люпина. Несомненно, белый люпин заслуживает пристального внимания и изучения как культура, не уступающая сое (и даже превосходящая ее по многим полезным признакам). Для полноправного использования люпина в пищевой промышленности необходимо утвердить комплекс нормативных документов, таких как Технические условия, ГОСТ, отсутствие которых сдерживает эффективное и рациональное использование сортов отечественного белого люпина в выбранном направлении.
Об авторах
Елена Владимировна Зубова, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, пр. Гагарина, 97, Нижний Новгород, 603107, Россия
zelena111@ya.ru; https:orcid.org/0000-0003-3141-1761
Татьяна Владимировна Залетова, кандидат сельскохозяйственных наук, декан, Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, пр. Гагарина, 97, Нижний Новгород, 603107, Россия Федерация
tanya.zaletova@mail.ru; https:orcid.org/0000-0001-6037-6892
Галина Ивановна Капитанова, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, пр. Гагарина, 97, Нижний Новгород, 603107, Россия
kptngi@mail.ru
Оксана Борисовна Терехова, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, пр. Гагарина, 97, Нижний Новгород, 603107, Россия
opoluyanova@list.ru
Надежда Васильевна Родыгина, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, пр. Гагарина, 97, Нижний Новгород, 603107, Россия
rodygina1962@mail.ru
УДК 633.367.3 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-369-4-137-144
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
