Влияние способа переработки семян рапса на их белковый комплекс

Для решения задачи обеспечения населения дешевым и качественным белком современным трендом являются преимущественное использование растительного протеина и создание с его использованием широкого ассортимента пищевых продуктов.
В настоящее время основным сырьем в мировом производстве растительных белков являются три сельскохозяйственные культуры — соя, пшеница, горох. Помимо перечисленных, перспективными сельскохозяйственными культурами для использования в технологиях концентрирования белкового компонента являются зернобобовые и масличные.
Масличные культуры имеют экономические преимущества по сравнению с зернобобовыми: их белок, как правило, является вторичным продуктом, и его себестоимость значительно ниже, чем у зернобобовых, которые возделывают только ради получения белка. В связи с этим масличные культуры (подсолнечник, рапс, лен, арахис и др.) становятся источником не только масла, но и белка.
Среди масличных культур в России преобладает подсолнечник (14,5 млн т в 2022 г.), затем идут соя и рапс, объемы производства которых в 2022 г. составили 5,8 млн т и 4,5 млн т соответственно.
Следует отметить устойчивый рост производства рапса последние 10 лет, что связано с востребованностью продуктов его переработки (и прежде всего рапсового масла) в различных отраслях промышленности.
Несмотря на растущие объемы производства рапса в России, Правительство РФ продлило временный запрет на вывоз этой сельскохозяйственной культуры из страны, что связано с удовлетворением потребностей в сырье отечественных перерабатывающих предприятий, производящих рапсовое масло и корма.
Увеличение объемов вторичного сырья (рапсовых жмыхов и шротов) актуализировало направление комплексной переработки этой культуры для получения дополнительной продукции с высокой добавленной стоимостью.
После выделения масла из семян рапса первым компонентом в жмыхе и шроте является белок с содержанием 33–45%.
Рапсовый жмых (шрот) рассматривают как источник белка вследствие его высокого содержания в сырье. О потенциале использования белков рапса в пищевой промышленности свидетельствуют сбалансированность по всем незаменимым аминокислотам, их хороший аминокислотный профиль.
Белковый комплекс рапса (рис. 1) характеризуется полным набором незаменимых аминокислот, высоким содержанием глутаминовой кислоты, значительным количеством аспарагиновой кислоты, аргинина и пролина, участвующих в нормализации обмена веществ, кровяного давления, функционировании нервной и эндокринной систем, поддержки сердечно-сосудистой системы.

Сумма незаменимых аминокислот в белковом комплексе семян рапса превышает 0,400 мг/г белка, что свидетельствует о его пищевом потенциале.
Белки рапса (аналогично практически всем масличным семенам) большей частью являются запасными, при этом более 80% составляют водо- и солерастворимые фракции — альбумины и глобулины.
Глобулины представляет глобулярный белок круцефирин (11S глобулин) с молекулярной массой 300–500 кДа. Круциферин состоит из двух полипептидных цепей α и β с молекулярной массой 32 кДа и 20 кДа соответственно.
Полипептид α включает 254–296 аминокислот, полипептид β — 189–191 аминокислоту.
Нативная четвертичная белковая структура круциферина представляет гексамер и может распадаться на тримеры или мономеры при низких значениях рН.
Альбумин рапсового белка называют напином (молекулярная масса 12–15 кДа). Напин (2S альбумин) состоит из двух полипептидов массой 7 кДа и 11 кДа, связанных между собой дисульфидными связями. Напин содержит высокий уровень основных и серосодержащих аминокислот.
Особенностью биохимического состава семян рапса является высокий уровень фенольных соединений (не только в оболочке, но и в ядре). Рапс содержит примерно в 10 раз больше фенольных соединений, чем соевые бобы.
Основные фенольные компоненты семян рапса — синаповая кислота и ее производные (холиновый эфир синаповой кислоты). Так, сложный эфир синаповой кислоты (холин) является водорастворимым компонентом комплекса витаминов В, и вариабельность его содержания в зависимости от генотипа может колебаться в широких пределах — в интервале 5–17,7 г/кг семян, по данным авторов, или 3,2–12,7 мг/г семян, как в работе.
Присутствие фенольных соединений, снижающих органолептические свойства белков рапса, является основным антипитательным фактором, ограничивающим их использование для пищевых целей. Именно фенольные соединения вызывают появление темной окраски белковых продуктов из семян масличных культур, особенно в случае рапса.
В щелочных условиях фенольные соединения легко подвергаются ферментативному и неферментативному окислению с образованием хинонов, которые, вступая в реакцию с белком, окрашивают белковые экстракты в темно-зеленый или коричневый цвет, а после осаждения белков в изоэлектрической точке цвет белковых продуктов невозможно отмыть. Фенольные соединения ухудшают вкус белковых продуктов, придавая им горечь.
Содержание и состав белкового комплекса, соотношения его фракций в исходных семенах рапса и продуктах их переработки могут в некоторой степени отличаться. Это объясняется влиянием вида технологической обработки сырья.
Обезжиривание масличных семян методами промышленного прессования (винтового или экспеллерного) способствует ограниченной денатурации белка, что снижает его растворимость и, следовательно, выход белка при водной экстракции. Меньший выход белка из жмыха рапса, полученного шнековым прессованием (по сравнению со шротом, полученным экстракцией растворителем), показали авторы.
Содержание лизина в экспеллерном жмыхе или десольвентированном поджаренном шроте всегда ниже (на 9–10%), чем в исходном сырье, из-за влияния повышенной температуры при выделении масла (вероятно, вследствие протекания реакций типа Майяра).
На качество белка может оказывать влияние и предварительная обработка рапсового сырья, проводимая для удаления антипитательных факторов, в том числе и фенольных соединений.
Таким образом, необходимы дополнительные данные по изучению влияния способа предварительной обработки на белковый комплекс семян рапса. Такие данные представляют практический интерес при разработке технологии белковых продуктов из рапсового сырья.
Цель работы —определение соотношения белковых фракций и выхода белка в зависимости от способа переработки рапсового сырья.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования использовали фракцию ядра, полученную д. т. н. С.В. Зверевым при обрушивании семян рапса (производство 2021 г, Смоленская обл. Российская Федерация) в лабораторных условиях ВНИИЗ (Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки), и протеиновые фракции, выделенные в лаборатории переработки лубяных культур Федерального научного центра лубяных культур.
Обезжиривание фракции ядра семян рапса проводили экстракцией гексаном (хч) при 58 °С и соотношении сырья и растворителя 1:5 в течение 2 часов. Процесс экстракции при указанных параметрах повторяли три раза. После отделения от растворителя обезжиренную фракцию ядра промывали эфиром и сушили под вытяжкой при комнатной температуре.
Водно-спиртовую обработку проводили следующим образом: обезжиренное ядро рапса, измельченное в ступке, заливали смесью вода + этанол (3:7) при соотношении сырья к растворителю 10, выдерживали при комнатной температуре при постоянном перемешивании в течение 1 часа. Смесь растворителей удаляли через бумажный фильтр. Ядро рапса сушили при комнатной температуре.
Фракционный состав белкового комплекса семян рапса определяли по методу Ермакова: последовательной экстракцией дистиллированной водой, 7%-ным раствором NaCl и 0,1М раствором NaOH.
Содержание белка определяли по ГОСТ 10846-91, массовую долю влаги — по ГОСТ 10856-96, массовую долю общей золы — по ГОСТ 13979.6-69, массовую долю жира — по ГОСТ 10857-64. Углеводы рассчитывали по разнице между суммой определенных значений показателей и 100%.
Экстракцию белка из рапсового сырья проводили раствором NaCL в щелочной среде с последующим кислотным осаждением белка. Параметры процесса были определены на основании предварительно проведенных экспериментов и методики, предложенной авторами.
Концентрация экстрагента — 70 г/л, соотношение «сырье — экстрагент» — 1:10, рН — 9,0, Т — 50 ± 2 °С, продолжительность — 90 мин.
Отделение экстракта проводили центрифугированием при 4000 об/мин в течение 20 мин. («Армед 80-2S», Россия). Белок осаждали при рН 4,8 (с использованием 1н раствора NaCL), выдерживали для коагуляции в течение 2 ч. После коагуляции белок отделяли центрифугированием в условиях, указанных выше. Белковый продукт сушили в микроволновой печи (LG Intellowave, Южная Корея) при мощности 500 Вт в течение 3–4 мин.
Спектры поглощения белковых фракций семян рапса регистрировали на спектрофотометре ПЭ-5400 УФ («Экросхим», Россия) с помощью программы SC5400 в диапазоне длин волн 240–340 нм, шаг сканирования — 0,1 нм. Измерения проводили в стандартной кварцевой кювете с длиной оптического пути 10 мм.
Все исследования проводили в 3-кратной повторности. Математический анализ данных проводили с использованием пакета программ Exсel 2016© (США).
Результаты и обсуждение
В качестве сырья при выделении белка из масличных семян обычно используют жмых и шрот, которые остаются после удаления масла различными способами. Предварительное обрушивание масличных семян (удаление оболочки) повышает как качество масла, так и качество вторичного сырья, увеличивая в нем содержание белка и снижая антипитательные факторы, характерные для индивидуальной сельхозкультуры.
Анализ экономической целесообразности обрушивания семян рапса в промышленных масштабах, проведенный авторами, показал, что удаление темной оболочки является экономически рентабельным вариантом, при котором можно получать белковые продукты с высокой добавленной стоимостью.
Для исследований использовали фракцию ядра семян рапса, характеристики которой представлены в таблице 1.

Массовая доля примесей (оболочка и необрушенные семена) во фракции ядра составляла не более 2%.
Обезжиривание фракции ядра семян рапса в лабораторных условиях проводили экстракцией гексаном. Для определения влияния этого способа обезжиривания на состояние белкового комплекса определяли количество и соотношение белковых фракций в сырье до и после обработки.
Результаты исследования представлены на рисунке 2.

Обработка гексаном при температуре 58 °С приводит к изменению соотношения белковых фракций: увеличению количества глобулинов (на 8,5%), снижению альбуминов (на 3,0%) и глютелинов (на 3,3%).
Известно, что органические растворители нарушают гидрофобные взаимодействия и разрывают водородные связи, что приводит к изменению конформации белков.
Дополнительно были сняты УФ-спектры этих фракций (в виде неочищенных белковых экстрактов), которые последовательно выделяли из сырья. УФ-спектры белковых фракций, выделенных из фракции ядра семян рапса до и после обезжиривания, представлены на рисунке 3.

Полосы поглощения белков чувствительны к разнообразным влияниям, которые действуют на л-электроны ароматических аминокислот. Это различные типы комплексообразования, ионные и дипольные взаимодействия, образование водородных и иных связей функциональными группами, присоединенными к ароматическим (бензольным, индольным) ядрам.
Белки рапса (и прежде всего низкомолекулярные альбумины рапса) образуют устойчивые комплексы с синаповой кислотой и ее производными, о чем свидетельствуют данные ряда источников.
Следует отметить на спектрах максимум при λ 321(318) нм, который относят к проявлению синаповой кислоты, связанной с белками. Связи белков альбуминовой и глобулиновой фракций семян рапса с синаповой кислотой и ее производными были выявлены авторами методами ВЭЖХ и капиллярным электрофорезом.
Учитывая изложенные выше результаты опубликованных исследований, можно предположить, что в комплексах белка с синаповой кислотой аминокислоты, содержащие хромофоры, находятся во внутренней области белка («спрятаны») и не проявляются на УФ-спектрах.
На спектре глютелиновой фракции нет значительного проявления фенольных соединений (небольшой холм в области 318–400 нм). Так как выделение фракций проводилось последовательно, то можно предположить, что фенольные соединения, в частности синаповая кислота, образуют связи в основном с белками альбуминовой и глобулиновой фракций.
Несмотря на одинаковую форму спектров до и после процесса обработки, оптическая плотность была значительно выше для образцов, выделенных из обезжиренного сырья (рис. 3, табл. 2).

Можно предположить, что повышение оптической плотности зависит от изменения конформации белков, связанных с синаповой кислотой.
Как было сказано выше, нарушение водородных связей при обработке органическим растворителем и нагревании приводит к переходу полипептидных цепей из упорядоченного состояния в разупорядоченное, объем молекулы увеличивается, в результате происходит изменение интенсивности поглощения, хотя положение пиков и форма спектров практически не меняются или меняются незначительно. Поэтому увеличение оптической плотности УФ-спектров поглощения может происходить в результате ограниченной денатурации белков, связанных в комплексы с фенольными соединениями.
Таким образом, в обезжиренной фракции ядра рапса белки частично денатурированы, причем белки альбуминовой и глобулиновой фракций, вероятно, находятся в виде комплексов с синаповой кислотой или ее производными.
Полученные данные следует учитывать при последующей переработке обезжиренной фракции ядра.
Основным направлением переработки обезжиренного ядра рапса является получение белковых продуктов. Выделение белка из такого сырья осложняет наличие фенольных соединений, снижающих прежде всего органолептические свойства целевого белкового продукта (темный цвет, горький привкус).
В данной работе были проведены исследования по предварительному удалению фенольных соединений из сырья и получению белкового продукта. Удаление фенольных соединений проводили водно-спиртовой обработкой обезжиренной фракции ядра рапса.
Эффективность выделения белка из фракции ядра семян рапса представлена в таблице 3.

Анализ результатов (табл. 3) позволяет сделать выводы. Предварительное удаление фенольных соединений водно-спиртовой обработкой способствует: частичному выведению белка из сырья — содержание белка снизилось с 39,06% (до обработки) до 32,34% (после обработки); ограниченной денатурации белка, которая приводит к снижению растворимости белка и выхода белка в экстракт, на что указывает понижение уровня такого показателя, как сухой остаток экстракта (с 9,04 до 3,82%); сокращению выхода белкового продукта относительно сырья (с 26,4 до 15,3%), о чем свидетельствует анализ остатка сырья; уменьшению выхода белка относительно белка, содержащегося в сырье (с 28,9 до 20,3%).
Полученные данные коррелируют с результатами, представленными в работе, где показано снижение выхода белка после водно-этанольной обработки рапсовой муки.
Таким образом, предварительная водно-спиртовая обработка рапсового сырья не подходит для использования в промышленном технологическом процессе, необходимо рассматривать удаление фенольных соединений, связанных с белками рапса, на других технологических стадиях при получении пищевого белкового продукта из рапсового сырья.
Выводы
В результате исследований выявлены изменения в белковом комплексе рапса, протекающие при обезжиривании фракции ядра методом экстракции гексаном и при удалении фенольных соединений методом водно-спиртовой обработки обезжиренной фракции ядра рапса.
Было показано, что обезжиривание методом экстракции гексаном способствовало перераспределению белковых фракций, а именно увеличению содержания глобулинов (на 8,5%) при уменьшении альбуминов (на 3,0%) и глютелинов (на 3,3%).
Методом УФ-спектроскопии показано наличие в альбуминовой и глобулиновой фракциях синаповой кислоты с характерным для нее максимумом поглощения (321 нм). Выявлено повышение оптической плотности УФ-спектров альбумина и глобулина после обработки гексаном при сохранении их формы.
Водно-спиртовая обработка обезжиренного ядра семян рапса способствовала частичному выведению белка из сырья — содержание белка снизилось с 39,06% (до обработки) до 32,34% (после обработки), снижению растворимости белка, о чем свидетельствует снижение выхода белкового продукта относительно сырья (с 26,4 до 15,3%).
В связи с этим предварительная водно-спиртовая обработка рапсового сырья неэффективна для использования в промышленном технологическом процессе, необходимо рассматривать удаление фенольных соединений, связанных с белками рапса, на других технологических стадиях при получении пищевого белкового продукта из рапсового сырья.
Об авторах
Ирина Эдуардовна Миневич; доктор технических наук, главный научный сотрудник
i.minevich@fnclk.ru; https://orcid.org/0000-0002-8558-4257
Валентин Игоревич Ущаповский; младший научный сотрудник
v.uschapovsky@fnclk.ru; https://orcid.org/0000-0003-1620-3323
Агата Анатольевна Яковлева; младший научный сотрудник
a.goncharova@fnclk.ru; https://orcid.org/0000-0001-5977-5669
Любовь Анатольевна Зайцева; младший научный сотрудник
l.zaitzeva@fnclk.ru; https://orcid.org/0000-0002-8902-7618
Федеральный научный центр лубяных культур, Комсомольский пр-т, 17/56, Тверь, 170041, Россия
УДК577.112:633.85
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-387-10-185-191