Контролируемое проращивание зерновых культур — эффективный способ переработки низкокачественного сырья
По данным Росстата, увеличение урожая зерновых культур в России в 2022 году относительно прошлого года составило 7,4% (150 млн т). Полученные объемы зерна и внешнеполитические факторы привели к ряду проблем, связанных с переориентацией экспорта и недостаточностью мощностей зерновых хранилищ. Полученные рекордные урожаи, особенно зерна пшеницы, по своему качественному составу в большóм процентном соотношении содержат четвертый (и даже пятый) класс, что обусловливает необходимость разработки технологических подходов переработки низкокачественного сырья и создания продуктов с повышенной пищевой ценностью.
Поиск новых высокоэффективных подходов переработки растительной продукции является актуальным и востребованным направлением для пищевой отрасли. Особый упор делается на внедрение современных отечественных технологий переработки сырья и максимальный выход готовой продукции с единицы перерабатываемого сырья.
Одним из таких направлений можно выделить проращивание зерновых культур в контролируемых условиях. Предыдущими исследованиями и рядом работ, представленных в открытой печати, установлено, что контролируемое проращивание зерновых культур должно проводиться в регламентируемых значениях таких характеристик, как температура, влажность, доступ кислорода, длительность процесса и использование различных способов интенсификации накопления биологически активных веществ. Данная технология позволяет получать сырьевые ингредиенты повышенной пищевой ценности. Так, Ding и его коллеги отмечают увеличение при проращивании содержания витаминов (A, группы B, C и E), полифенолов и флавоноидов, что положительно сказывается на антиоксидантной активности и синтезе фитоэстрогенов.
Технология проращивания зерновых культур запускает ряд процессов, основанных на активации ферментативной системы, что повышает усвояемость сахаров, аминокислот и стимулирует накопление γ-аминомасляной кислоты (ГАМК), минеральных веществ, пищевых волокон.
Вместе с тем важно учитывать, что сам по себе процесс проращивания связан с множеством рисков, таких как излишнее повышение амилолитической активности, кислотности, развитие плесневой микрофлоры и др., что может сделать непригодным полученное сырье для дальнейшего использования. Поэтому данная технология должна разрабатываться строго персонифицированно для каждого отдельного вида зерновой культуры с учетом особенностей ее химического состава, длительности ведения процесса и использования технологических приемов, интенсифицирующих данный процесс.
В качестве одного из приемов повышения интенсивности процесса контролируемого проращивания и интенсификации накопления биологически активных веществ может быть использовано ультразвуковое воздействие.
Ультразвуковое воздействие — это форма акустической энергии, принимающая природу циклического звукового давления, имеющая волны с частотой, превышающей верхний предел человеческого слуха (0,20 кГц). Данный вид воздействия как новая технология акустической обработки активно используется для интенсификации накопления биологически активных веществ в растениях, в том числе в семенах. Акустическая энергия подается через жидкие среды, поэтому обработку зерновых культур необходимо проводить в гидромодуле с водой или растворами специального химического состава.
Исследователи отмечают, что содержание ГАМК увеличивается в растительном сырье при применении ультразвуковой обработки (40 кГц, 300 Вт) во время процесса замачивания в течение 30 мин. Обработка в режиме (25 кГц, 5,1 Вт/л) в течение 10–30 мин. способна активизировать накопление витаминов B1, B2, B3, воздействие в режиме (25 кГц, 26 Вт/л) повышает антиоксидантную способность. Ряд исследователей отмечают положительное влияние регулярного употребления растительных продуктов на основе пророщенных культур, которые содержат в большом количестве ГАМК, на улучшение памяти, пространственных когнитивных функций и защитных эффектов при гипотиреозе, а также на улучшение сердечно-сосудистых заболеваний. На основании вышесказанного можно отметить, что оценка потенциального положительного влияния пророщенных зерновых культур на организм человека является актуальной.
Цель исследования — оценка антиоксидантных свойств и содержания γ-аминомасляной кислоты в зерновых культурах после проведения процесса контролируемого проращивания.
Методы и материалы
Для проведения исследований были определены следующие объекты:
• зерно пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Эритроспермум урожая 2022 года;
• зерно ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Челябинец 1 урожая 2022 года;
• зерно овса (Avena satfva) сорта Универсал 1 урожая 2022 года.
Для формирования проб зерновых культур руководствовались ГОСТ 13586.3-2015. Для выравнивания размерного ряда и проведения контролируемого проращивания предварительно использовали программу SeedCounter v.1.9.5.
На этапе входного контроля зерновых культур определяли органолептические показатели исследуемых образцов зерновых культур согласно ГОСТ 9353-2016, ГОСТ 28672-2019, ГОСТ 28673-2019,натуру исследуемых образцов зерновых культур — по ГОСТ 10840-2017.
С точки зрения экономической эффективности предлагаемой технологии контролируемого проращивания зерновых культур использовали зерно заведомо низкой классовости.
На начальном этапе контролируемого проращивания удаляли все загрязнения и проводили процесс обеззараживания физическим методом воздействия с целью обеспечения безопасности получаемых сырьевых ингредиентов. Для опытных образцов на этапе замачивания осуществляли воздействие ультразвуком (22 ± 1,25 кГц) 245 Вт/л в течение 5 мин. Для обработки применялся аппарат ультразвуковой технологический «Волна-M УЗТА-0,63/22-OM» (г. Бийск, Россия). Гидромодуль зерна с водой был определен 1:1. Условия обработки ультразвуковым воздействием варьировались, изучались ранее и представлены в работах.
После ультразвукового воздействия образцы зерна замачивали в воде при 22 ± 2 °C в течение 8 час. (зерно пшеницы) и 12 час. (зерно ячменя и овса), затем проводили процесс проращивания в камере с контролируемой температурой 22 ± 2 °C и влажностью воздуха 95 ± 3%. Проросшее зерно удалялось из камеры по достижении величины ростка 1,5–2 мм более чем у 90% зерен. Время проращивания — от 15 до 40 час. Использование ультразвукового воздействия позволило сократить процесс проращивания образцов в среднем на 25 ± 3%.
С контрольными образцами проводили все операции в той же последовательности, исключая процесс ультразвукового воздействия. Время проращивания контрольных образцов — от 26 до 50 час.
В качестве исследуемых образцов после проведения процедуры контролируемого проращивания были определены следующие:
образец 1 — зерно пшеницы, полученное путем контролируемого проращивания без ультразвукового воздействия (контроль);
образец 2 — зерно ячменя, полученное путем контролируемого проращивания без ультразвукового воздействия (контроль);
образец 3 — зерно овса, полученное путем контролируемого проращивания без ультразвукового воздействия (контроль);
образец 1.1 — зерно пшеницы, полученное путем контролируемого проращивания с УЗВ на этапе замачивания;
образец 2.1 — зерно ячменя, полученное путем контролируемого проращивания с УЗВ на этапе замачивания;
образец 3.1 — зерно овса, полученное путем контролируемого проращивания с УЗВ на этапе замачивания.
Полученные образцы высушивали при температуре не более 50 ℃ в условиях принудительной конвекции до влажности не более 14%. Для проведения дальнейших исследований измельчали разовым помолом с использованием лабораторной мельницы ЛМТ-3м.
В пророщенном зерне определяли общую антиоксидантную активностьпо поглощению радикалов в образцах с использованием 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила (DPPH).
Определение общего содержания флавоноидов проводили с использованием процедуры. В качестве стандарта использовали кверцетин (0,01–0,5 мг L-1, R2 = 0,997), результаты выражали в мкг-1-эквивалентах кверцетина (мг QE/г). Абсорбцию образца экстрактов определяли с использованием спектрофотометра Jenway (6405 UV/Vis, Англия) при 515 нм и 415 нм соответственно.
Содержание полифенольных соединений определяли с использованием реактива Фолина-Чокальтеу при светопоглощении 700 нм. В качестве стандарта использовали галловую кислоту, результаты выражали в эквивалентах галловой кислоты (мг GAE/г).
Определение содержания γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) осуществляли хроматографически с использованием автоматизированной системы жидкостной хроматографии Shimadzu Prominence LC-20 (Япония) с колонкой с обращенной фазой Prodigy C 18 (5 мкм) с внутренним диаметром 4,6 × 250 мм.
Полученные данные были обработаны на основе методов математической статистики с использованием Microsoft Excel и MathCad, представлены с доверительным коэффициентом 0,95.
Результаты исследования
Качество пищевых ингредиентов из пророщенных зерновых культур во многом зависит от свойств исходного сырья. В связи со сложившейся тенденцией на рынке зерновых культур, заключающейся в присутствии значительной доли низкосортного сырья и активного развития технологии его переработки, в исследовании было использовано зерно, характеризующееся значительной вариабельностью исходных показателей (табл. 1).
Органолептические показатели всех образцов зерновых культур соответствовали ГОСТ 9353-2016, ГОСТ 28672-2019 и ГОСТ 28673-2019. Имели свойственные здоровому зерну цвет и запах, а также необходимое состояние для проведения процесса контролируемого проращивания. Образец зерна пшеницы сорта Эритроспериум (согласно результатам определения массовой доли белка и натуры) соответствовал 4-му классу. Образцы зерна ячменя сорта Челябинец 1 и зерна овса сорта Универсал 1 — 2-му и 3-му классу соответственно.
Исследуемые образцы до проведения процесса проращивания имеют низкие значения содержания флавоноидов, полифенольных соединений и слабовыраженную антиоксидантную активность. Содержание ГАМК также находится на минимальном уровне, характерном для сырья растительного происхождения.
Процесс проращивания зерновых культур позволяет повысить их антиоксидантные свойства, причем использование ультразвукового воздействия в качестве интенсифицирующего фактора позволяет получить более выраженный эффект (рис. 1).
Использование ультразвукового воздействия позволяет для зерна пшеницы в 7,3 раза увеличить содержание флавоноидов и в 2 раза — полифенольных соединений. В бóльшей степени синтез флавоноидов в процессе проращивания происходит у образцов ячменя и овса и прирастает в 8,9 и 8,3 раза. Максимальное накопление полифенольных соединений отмечается для зерна овса (прирост составил 5,6 раза). Необходимо отметить, что фенольные соединения в зерновых культурах присутствуют в свободной, растворимой конъюгированной и связанной формах. При этом связанная и свободная формы представляют основную часть фенольных кислот. Полученные сырьевые ингредиенты из цельного пророщенного зерна, выстраиваясь в матрицу продукта, могут в значительной степени повышать их антиоксидантные свойства (рис. 2).
В процессе проведения контролируемого проращивания исследуемых образцов зерновых культур общая антиоксидантная активность повышается относительно исходных значений, прирост в среднем составляет 5,9%, 9,45% и 7,7% для образцов зерна пшеницы, ячменя и овса соответственно. Применение ультразвукового воздействия на этапе замачивания позволяет увеличить значения данного показателя относительно контрольных пророщенных образцов в среднем на 31,6%, 37,4% и 40,0% соответственно.
В ходе проращивания зерновых культур активизируются ферментативные процессы, нацеленные на высвобождение фитохимических веществ из зародыша, эндосперма и оболочечных частей, в том числе флавоноидов, определяющих антиоксидантную активность. Результаты доказывают интенсифицирующее действие ультразвука в процессе проращивания на количество флавоноидов, полифенолов и общую антиоксидантную активность. Использование ультразвукового воздействия позволяет получить эффекты, сходные с абиотическим стрессом растений. Данный факт был отмечен рядом исследователей как для зерновых культур, так и для листовой зелени. Говоря о механизме данного воздействия, можно отметить, что, реагируя на стресс, растения запускают синтез вторичных метаболитов и активируют накопление веществ фенольной природы.
Еще одним важным веществом, накапливающимся при проращивании зерновых культур, является ГАМК. Ряд авторов отмечают, что особенно выражен данный эффект при активации процесса с использованием ультразвукового воздействия.
Результаты определения содержания γ-аминомасляной кислоты зерновых культур до и после процесса проращивания представлены на рисунке 3.
Полученные результаты позволяют говорить о выраженном влиянии ультразвукового воздействия на синтез и накопление ГАМК в процессе контролируемого проращивания. Так, прирост относительно контрольных пророщенных образцов составил в среднем 490% (для зерна пшеницы), 360% (для зерна ячменя) и 385% (для зерна овса).
В своих исследованиях, представленных в открытой печати, ряд авторов описывают два возможных механизма повышенного накопления ГАМК. В первом случае зерно испытывает стресс, вследствие которого происходят метаболические нарушения с последующим цитозольным подкислением, затем активируется синтез глутаматдекарбоксилазы и ГАМК. Во втором случае в результате ультразвукового воздействия значительно возрастает клеточный уровень цитозольного кальция [Са2+]цит, который стимулирует активность кальмодулинзависимой глутаматдекарбоксилазы, что приводит к накоплению ГАМК. Отмечается, что накопление фенольных соединений в растительном сырье является типичной реакцией на стресс окружающей среды. Такие флавоноиды, как трицетин и трицин, часто встречаются в зерне пшеницы, ячменя и других культур, при этом они играют основную роль в защите растений.
Выводы
Полученные результаты позволяют сказать, что используемая технология контролируемого проращивания с ультразвуковой интенсификацией процесса в переработке низкоклассового зернового сырья является эффективной. Использование данного подхода позволит создать сырьевые ингредиенты с повышенными антиоксидантными и содержанием ГАМК. Так, применение ультразвука позволило увеличить содержание флавоноидов в среднем на 7,3–8,9 раза, полифенолов — на 2–5,6 раза. Общая антиоксидантная активность увеличивается на 31,6–40,0% относительно контрольных пророщенных образцов зерновых культур. Прирост содержания ГАМК в образцах после ультразвукового воздействия составил в среднем 360–490%, что, несомненно, подтверждает эффективность используемой технологии.
Процесс проращивания — это сложная многоаспектная система взаимодействия биологических объектов и физических способов воздействия на них, требующая четкого отслеживания процесса для достижения заданного результата, что в итоге позволяет получить сырьевые ингредиенты с повышенными антиоксидантными свойствами, что, несомненно, требует проведения дальнейших исследований.
Об авторах
Наталья Владимировна Науменко, доктор технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий, доцент, Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080, Россия
https://orcid.org/0000-0002-9520-3251; naumenkonv@susu.ru
Ринат Ильгидарович Фаткуллин, кандидат технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий, Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080, Россия
https://orcid.org/0000-0002-1498-0703; fatkullinri@susu.ru
Ирина Валерьевна Калинина, доктор технических наук, профессор кафедры пищевых и биотехнологий, доцент, Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080, Россия
https://orcid.org/0000-0002-6246-9870; kalininaiv@susu.ru
Екатерина Евгеньевна Науменко, студент, Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080, Россия
https://orcid.org/0000-0002-0213-1595; 9193122375@mail.ru
Ева Иванисова, PhD, доцент: Институт пищевых наук; Словацкий сельскохозяйственный университет, Триеда Андрея Глинка, 2, Нитра, 94976, Словакия
https://orcid.org/0000-0001
Анастасия Владимировна Радкевич, аспирант, Университет ИТМО, Кронверкский пр-т, 49, лит. А. Санкт-Петербург, 197101, Россия
https://orcid.org/0009-0001-0519-759X; Nastya.rh.98@gmail.ru
УДК 664.71-11+ 664.785.6+ 664.786.6 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-372-7-149-154
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
