Пути повышения пищевой ценности зерновой клетчатки спиртового производства

Резюме

В процессе переработки зерна на спирт практически расходуются только углеводы, представленные в основном в виде крахмала. Остальные компоненты (белок, жиры, клетчатка, минеральные вещества) транзитом переходят в зерновую клетчатку, оставшуюся после отгонки спирта из бражки. По своим показателям зерновая клетчатка спиртового производства превосходит пшеничные отруби, так как в процессе переработки она обогащается биомассой спиртовых дрожжей. Кроме того, существует технологическая возможность ее дополнительного обогащения белком, аминокислотами, витаминами за счет изменения режимов спиртового брожения.

Цель работы - провести исследования по влиянию режимов и условий спиртового брожения на состав зерновой клетчатки спиртового производства.

Материал и методы. В лабораторных условиях методом бродильной пробы из пшеницы при различных режимах брожения были получены образцы зерновой клетчатки спиртового производства. В полученных образцах определяли следующие показатели: белок по Барнштейну, сырой протеин, витамины B1, В2, В6, Е, а также аминокислотный состав. В полупродуктах спиртового производства определяли объемную долю этилового спирта, массовую концентрацию сбраживаемых углеводов, концентрацию дрожжевых клеток.

Результаты и обсуждение. Исследования по влиянию дрожжей различных производителей на показатели брожения, рост биомассы и состав зерновой клетчатки показали преимущество расы Y-717 с точки зрения накопления спирта (11,5% об.), скорости сбраживания (56 ч) и концентрации дрожжевых клеток (260 млн/см3), которая оказалась на 15-30% больше, чем в других вариантах. Однако с точки зрения повышения содержания белка по Барнштейну и сырого протеина в образцах зерновой клетчатки с дрожжами Y-717 отмечен рост всего 3-4% по сравнению с другими вариантами, что связано со снижением концентрации дрожжей к 72 ч брожения за счет автолиза. Исследования по влиянию начальной концентрации дрожжей на рост биомассы, скорость брожения и показатели зерновой клетчатки показали, что при увеличении начальной концентрации дрожжей с 15 до 45 млн/см3 продолжительность брожения сокращается до 48 ч, рост биомассы на конец брожения составляет 20%, содержание белка в зерновой клетчатке увеличивается на 15%, витаминов B1, B2, B6 и Е, а также аминокислот - на 13-17%.

Заключение. По результатам проведенных исследований показана технологическая возможность получения зерновой клетчатки спиртового производства с более высоким содержанием белка, аминокислот и витаминов за счет изменения режимов процесса брожения при переработке зернового сырья на спирт. В частности, за счет использования дрожжей с высокой скоростью роста, увеличения начальной концентрации дрожжевой биомассы, сокращения срока брожения и предотвращения автолиза дрожжей на стадии дображивания.

Ключевые слова:пищевые волокна, зерновая клетчатка спиртового производства, дрожжевая биомасса, сырой протеин, аминокислоты, витамины

Финансирование. Научно-исследовательская работа по подготовке рукописи проведена за счет средств субсидии на выполнение государственного задания (№ 0529-2019-0066).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов.

Для цитирования: Абрамова И.М., Бессонов В.В., Богачук М.Н., Кривченко В.А., Макаренко М.А., Сокуренко М.С., Соловьев А.О., Туршатов М.В., Шевякова Л.В. Пути повышения пищевой ценности зерновой клетчатки спиртового производства // Вопросы питания. 2020. Т. 89, № 5. С. 110-118. DOI: https://www.doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10071

Пищевые волокна относятся к основным компонентам, необходимым для сбалансированного и здорового питания. Оптимальное поступление пищевых волокон в организм вносит существенный вклад в сохранение здоровья, в том числе за счет способности поддерживать функционирование желудочно-кишечного тракта [1, 2], предупреждать формирование нарушений обмена веществ (избытка массы тела, ожирения, гиперлипидемий) [3, 4], снижать риск сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний [5-7].

По данным литературы, для большинства населения дефицит пищевых волокон в суточном рационе составляет до 40-50% рекомендуемого уровня [8-10].

Основные источники пищевых волокон - крупы, цельнозерновой хлеб, овощи, фрукты. Наиболее высокое содержание клетчатки в отрубях зерновых культур.

Как известно, зерно относится к продуктам, все компоненты которого имеют потребительские свойства [11, 12]. Зерновые культуры: кукуруза, пшеница, рожь и др. - основное сырье для производства этилового спирта.

В процессе переработки зерна на спирт практически расходуются только углеводы, представленные в виде крахмала и небольшого количества свободных сахаров. Остальные компоненты (белок, жиры, клетчатка) транзитом переходят в зерновую клетчатку, оставшуюся после отгонки спирта из бражки. Одновременно в процессе спиртового брожения зерновая клетчатка обогащается биомассой дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи являются источником незаменимых аминокислот, витаминов группы В, витаминов Е, РР, D, ферментов, минеральных веществ (кальция, магния, цинка, железа, фосфора, селена) [13-15]. Пивные дрожжи и их экстракты, широко применяемые в качестве биологически активных добавок к пище, способствуют повышению сопротивляемости организма инфекционным заболеваниям, работоспособности, укреплению иммунитета, нормализации артериального давления, а также связыванию и выведению токсинов из организма [16-18].

Ранее был изучен состав зерновой клетчатки спиртового производства в зависимости от вида перерабатываемого зернового сырья [19]. Полученные данные свидетельствуют о ее преимуществе в сравнении с пшеничными отрубями и перспективности применения в качестве источника пищевых волокон.

Однако практический интерес представляет не только изучение качественных показателей зерновой клетчатки, но и разработка технологических методов ее обогащения белком, аминокислотами, витаминами за счет изменения режимов спиртового брожения.

В спиртовом производстве применяются дрожжи, обладающие различными свойствами по термотолерантности, спиртоустойчивости, ассимиляции углеводов. Как правило, исследования по применению дрожжей в технологии спиртового производства направлены на ускорение процесса брожения, увеличение выхода спирта, переработку концентрированных сред. Данные о влиянии дрожжевой биомассы на показатели зерновой клетчатки как пищевого ингредиента практически отсутствуют.

Цель работы - исследования по влиянию режимов и условий спиртового брожения на состав зерновой клетчатки спиртового производства.

Материал и методы

В качестве исходного сырья для получения образцов зерновой клетчатки спиртового производства использовали пшеницу. Образцы зерна были получены со спиртового завода ООО "Эталон" (Москва). Для исследований была отобрана средняя проба в количестве 3 кг со следующими показателями: влажность - 12,4%, условная крахмалистость - 56,3%, сорность - 0,5%, массовая доля сырого протеина - 11,8% в пересчете на абсолютно сухое вещество (а.с.в.), массовая доля белка по Барнштейну - 10,9% на а.с.в.

Получение образцов зерновой клетчатки спиртового производства осуществляли в лабораторных условиях по методике постановки бродильных проб. После отгонки спирта из оставшегося жидкого остатка каждой пробы центрифугированием выделяли осадок, который высушивали в сушильном шкафу при температуре 105-110 °С до влажности ниже 10%. Данная методика исключает влияние на качество зерновой клетчатки производственно-технологических факторов.

Параметры процессов переработки зернового сырья по методу бродильной пробы следующие: помол - 95%, схема тепловой обработки - механико-ферментативная при 90 °С, осахаривание - совмещенное с брожением, концентрация сусла - 21,5%, ферментные препараты и их дозировка (л/т условного крахмала): LpHera (термостабильная альфа-амилаза) - 0,25, Viscoferm (ксиланаза) - 0,1, Saczyme Plus 2X (глюкоамилаза) - 0,5. Сбраживание сусла проводили при следующих условиях: температура - 34-36 °С, продолжительность -48-72 ч; дрожжи Saccharomyces cerevisiae (торговые марки): чистая культура Y-717 (из музея микроорганизмов ВНИИПБТ), сухие дрожжи Angel (Angel Yeast Co., Китай) и Fermiol (Oenobrands, Франция).

Анализ полупродуктов спиртового производства (сусло, зрелая бражка, барда) проводили в соответствии с инструкцией по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства [20]: содержание растворимых сухих веществ в сусле - рефрактометрическим методом, определение массовой концентрации несброженных углеводов, нерастворенного крахмала и декстринов проводили с использованием колориметрического антронового метода, определение рН в растворах - потенцио-метрически, определение титруемой кислотности зрелой бражки осуществляли титрованием фильтрата исследуемого раствора 0,1 н NaOH в присутствии индикатора метилового красного, определение объемной доли этилового спирта проводили денсиметрическим методом, массовую долю сырого протеина и белка по Барнштейну в образцах клетчатки - по методу Кьельдаля, массовую долю золы определяли методом озоления. Контроль роста дрожжевой биомассы осуществляли по концентрации дрожжевых клеток в бражке, подсчет клеток проводили с применением камеры Горяева. Аминокислотный состав полученных образцов пищевой клетчатки спиртового производства определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с предварительным гидролизом [21]. Содержание витаминов В1 (в пересчете на тиамина хлорид), В2 (рибофлавина), В6 (в пересчете на пиридоксина гидрохлорид) и витамина Е (суммы токоферолов в пересчете на токоферола ацетат) определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [21].

При статистической обработке экспериментальных данных рассчитывали среднее значение определяемой величины не менее чем из 2 повторностей и их среднеквадратичное отклонение. Статистическую значимость различий определяли методом однофакторного дисперсионного анализа с апостериорным критерием Тьюки при р<0,05 с использованием программы Statistica 6.0.

Результаты и обсуждение

На первом этапе были проведены исследования по влиянию дрожжей различных производителей на рост биомассы и показатели зерновой клетчатки спиртового производства. В исследовании использовали 3 расы спиртовых дрожжей, применяемых в настоящее время на спиртовых заводах России: чистая культура дрожжей Y-717 (1) и сухие дрожжи Angel (2) и Fermiol (3).

Количество дрожжей, задаваемых в осахаренное сусло, рассчитывали исходя из их начальной концентрации 20 млн/см3. Продолжительность брожения составила 72 ч. Результаты эксперимента по влиянию дрожжевых культур на показатели брожения и концентрацию клеток представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Динамика накопления спирта и усвоения углеводов различными дрожжами

Fig. 1. Ethyl alcohol accumulation and carbohydrate consumption dynamics by various yeast

Рис. 2. Изменение концентрации дрожжевых клеток в процессе брожения

Fig. 2. Yeast cell concentration dynamics during fermentation

Результаты эксперимента показывают, что динамика параметров процесса брожения зависит от вида применяемых дрожжей. Наилучшие показатели по накоплению спирта и усвоению сахаров показали дрожжи 1. Причем из рис. 1 следует, что процесс брожения в эксперименте с этими дрожжами фактически завершился к 56-60 ч. При этом объемная доля этилового спирта составила 11,3%об., что на 8,5% больше, чем в варианте с дрожжами 2 и на 16% больше, чем с дрожжами 3. Концентрация остаточных сахаров к этому моменту в варианте с дрожжами 1 составила 0,6 г/100 см3, а нарастание концентрации спирта в последующие 18 ч - всего 0,2%об. Концентрация дрожжевых клеток на 56 ч брожения в варианте с дрожжами 1 составила 260 млн/см3, что на 15 и 30% больше, чем в варианте с дрожжами 2 и 3.

Однако к нормативным 72 ч брожения конечные показатели зрелой бражки (остаточные углеводы, концентрация спирта) во всех вариантах эксперимента выровнялись и расхождение в основных показателях составило не более 5%. Аналогичная картина наблюдается и с концентрацией дрожжевых клеток: в результате автолиза на стадии дображивания (56-72 ч) количество клеток в эксперименте с дрожжами 1 снизилось на 12%, до 231 млн/см3, и приблизилось к концентрации клеток в других вариантах: 220 и 212 млн/см3 с дрожжами 2 и 3.

Данные о влиянии дрожжевых культур на содержание белка и сырого протеина в образцах зерновой клетчатки спиртового производства представлены в табл. 1.

Таблица 1. Содержание белка и сырого протеина в образцах зерновой клетчатки спиртового производства при использовании различных дрожжевых культур (% на а.с.в.)

Table 1. The content of the true and crude protein in distillery grain fiber samples under using various yeast cultures (% a.d.s.)

Данные табл. 1 показывают незначительную разницу (3-4%) содержания белка в образцах клетчатки спиртового производства, что связано с выравниванием количества дрожжевой биомассы к 72 ч брожения.

Из результатов эксперимента следует, что сокращение продолжительности брожения при соблюдении нормативных показателей по выходу спирта может привести к снижению потерь биомассы дрожжей на стадии дображивания и повысить ценность зерновой клетчатки спиртового производства. Этого можно достичь за счет увеличения скорости брожения. Основным фактором, лимитирующим этот показатель, является начальная концентрация дрожжей.

Процесс брожения начинается с момента смешивания засевных дрожжей с осахаренным субстратом. Поэтому начальная концентрация дрожжей определяется соотношением этих потоков.

Исследования по влиянию начальной концентрации дрожжей на динамику процесса брожения и показатели зерновой клетчатки спиртового производства проводили с дрожжами 1. Дозировку дрожжей рассчитывали по их начальной концентрации: 15, 30 и 45 млн/см3. Результаты эксперимента представлены на рис. 3, 4 и в табл. 2.

Таблица 2. Содержание белка и сырого протеина в образцах зерновой клетчатки спиртового производства в зависимости от начальной концентрации дрожжей (% на а.с.в.)

Table 2. The content of the true and crude protein in distillery grain fiber samples depending on initial yeast concentration (% a.d.s.)

Рис. 3. Динамика показателей процесса брожения в зависимости от начальной концентрации дрожжей

Fig. 3. Fermentation indicators dynamics depending on initial yeast concentration

Рис. 4. Динамика изменения концентрации дрожжевых клеток в процессе брожения в зависимости от начальной концентрации дрожжей

Fig. 4. Yeast cell concentration change during fermentation depending on initial yeast concentration

Полученные результаты доказывают эффективность повышения начальной концентрации дрожжевых клеток на динамику процесса брожения. Так, продолжительность брожения при концентрации дрожжевых клеток 15 млн/см3 составила 65-66 ч, при 30 млн/см3 -54-56 ч, при 45 млн/см3 - 46-48 ч. При этом максимальная концентрация дрожжевых клеток в бражках, соответственно, составила 305, 280 и 255 млн в 1 см3.

В отличие от предыдущего эксперимента образцы зерновой клетчатки спиртового производства получали сразу по окончании процесса брожения.

Данные табл. 2 показывают, что количество дрожжевой биомассы в бражке оказывает прямое влияние на показатели сырого протеина и белка по Барнштейну в образцах зерновой клетчатки спиртового производства. По сравнению с образцом зерновой клетчатки из предыдущего эксперимента (см. табл. 1), полученным после 72 ч брожения, прирост белка в зависимости от начальной концентрации дрожжей составил 5-15%.

Содержание аминокислот и витаминов в образцах зерновой клетчатки спиртового производства в зависимости от концентрации дрожжевых клеток в зрелой бражке представлено в табл. 3 и 4.

Таблица 3. Аминокислотный состав образцов зерновой клетчатки спиртового производства в зависимости от концентрации клеток дрожжей в зрелой бражке (% на а.с.в.)

Table 3. Amino acids composition of distillery grain fiber depending on yeast cells concentration in fermented beer (% a.d.s.)

П р и м е ч а н и е. Статистически значимое отличие р<0,05.

N o t e. Statistically significant difference p<0.05.

Таблица 4. Содержание витаминов в образцах зерновой клетчатки спиртового брожения в зависимости от концентрации клеток дрожжей в зрелой бражке (мг/100 г)

Table 4. Vitamin content in distillery grain fiber samples depending on yeast cells concentration in fermented beer (mg/100 g)

П р и м е ч а н и е. Статистически значимое отличие р<0,05.

N o t e. Statistically significant difference p<0.05.

Данные табл. 3 и 4 свидетельствуют о том, что содержание аминокислот и витаминов в образцах зерновой клетчатки спиртового производства находится в прямой зависимости от концентрации дрожжевых клеток в зрелой бражке и, соответственно, от условий проведения процесса брожения. Так, с увеличением концентрации дрожжевой биомассы с 230 до 305 млн/см3 содержание аминокислот и витаминов в зерновой клетчатке увеличилось в среднем на 13-17%.

Заключение

По результатам проведенных исследований показана технологическая возможность обогащения зерновой клетчатки спиртового производства белком, аминокислотами и витаминами за счет изменения режимов процесса брожения при переработке зернового сырья на спирт. Для достижения требуемого результата в процессе спиртового брожения необходимо использовать дрожжи с высокой скоростью роста, при периодической схеме брожения - обеспечить начальную концентрацию дрожжевых клеток не менее 40-45 млн/см3, что создаст условия для ускоренного роста дрожжевой биомассы и сокращения срока брожения.

Поскольку существуют и другие эффективные способы интенсификации процесса брожения, такие как организация непрерывного головного брожения, рециркуляция бродящего сусла, дрожжегенерация в аэробных условиях, актуально проведение исследований влияния указанных способов на состав зерновой клетчатки спиртового производства.

Литература

1. Пырьева Е.А., Сафронова А.И. Роль и место пищевых волокон в структуре питания населения // Вопросы питания. 2019. Т. 88, № 6. С. 5-11. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2019-10059

2. So D., Whelan K., Rossi M., Morrison M., Holtmann G., Kelly J.T. et al. Dietary fiber intervention on gut microbiota composition in healthy adults: a systematic review and meta-analysis // Am. J. Clin. Nutr. 2018. Vol. 107, N 6. P. 965-983. DOI: https://doi.org/10.1093/ajcn/nqy041

3. Gibson R., Eriksen R., Chambers E., Gao H., Aresu M., Heard A. et al. Intakes and food sources of dietary fibre and their associations with measures of body composition and inflammation in UK adults: cross-sectional analysis of the airwave health monitoring study // Nutrients. 2019. Vol. 11, N 8. Article ID E1839. DOI: https://doi.org/10.3390/nu110818393

4. Davison K.M., Temple N.J. Cereal fiber, fruit fiber, and type 2 diabetes: explaining the paradox // J. Diabetes Complications. 2018. Vol. 32, N 2. P. 240-245. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jdiacomp.2017.11.002

5. Ардатская М.Д. Клиническое применение пищевых волокон : методическое пособие. Москва : 4ТЕ Арт, 2010. 48 с.

6. Jonsson K., Andersson R., Bach Knudsen K.E., Hallmans G., Hanhineva K., Katina K. et al. Rye and health - where do we stand and where do we go? // Trends Food Sci. Technol. 2018. Vol. 79. P. 78-87. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2018.06.018

7. Soliman G.A. Dietary fiber, atherosclerosis, and cardiovascular disease // Nutrients. 2019. Vol. 11, N 5. Article ID 1155. DOI: https://doi.org/10.3390/nu11051155

8. O’Keefe S.J. The association between dietary fibre deficiency and high-income lifestyle-associated diseases: Burkitt’s hypothesis revisited // Lancet Gastroenterol. Hepatol. 2019. Vol. 4, N 12. P. 984-996. DOI: https://doi.org/10.1016/S2468-1253(19)30257-2

9. Кобелькова И.В., Мартинчик А.Н., Кудрявцева К.В., Батурин А.К. Режим питания в сохранении здоровья работающего населения // Вопросы питания. 2017. Т. 86, № 5. С. 17-21. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2017-00071

10. Тутельян В.А., Никитюк Д.Б., Буряк Д.А., Акользина С.Е., Батурин А.К., Погожева А.В. и др. Атлас: Качество жизни. Здоровье и питание. Москва : Медицина, 2018. 696 с.

11. Химический состав российских пищевых продуктов : справочник / под ред. И.М. Скурихина, В.А. Тутельяна. Москва : ДеЛи принт, 2002. 236 с.

12. Composition of Foods Raw, Processed, Prepared / USDA National Nutrient Database for Standard Reference. Maryland : U.S. Department of Agriculture, 2019.

13. Puligundla P., Mok C., Park S. Advances in the valorization of spent brewer’s yeast // Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 2020. Vol. 62. Article ID 102350. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102350

14. Jach M.E., Serefko A., Sajnaga E., Kozak E., Poleszak E., Malm A. Dietary supplements based on the yeast biomass // Curr. Top. Nutr. Res. 2015. Vol. 13, N 2. Р. 83-88.

15. Diet, Microbiome and Health / eds A.M. Holban, A.M. Grumezescu. 2018. 526 p. DOI: https://doi.org/10.1016/C2016-0-00475-8

16. Amorim M., Marques C., Pereira J.O., Guardão L., Martins M.J., Osório H. et al. Antihypertensive effect of spent brewer yeast peptide // Process. Biochem. 2019. Vol. 76. P. 213-218. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procbio.2018.10.004

17. Campagnollo F.B., Khaneghah A.M., Borges L.L., Bonatob M.A., Fakhri Y., Barbalhob C.B. et al. In vitro and in vivo capacity of yeast-based products to bind to aflatoxins B1 and M1 in media and foodstuffs: a systematic review and meta-analysis // Food Res. Int. 2020. Vol. 137. Article ID 109505. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109505

18. Williams R., Dias D.A., Jayasinghe N., Roessner U., Bennett L.E. Beta-glucan-depleted, glycopeptide-rich extracts from Brewer’s and Baker’s yeast (Saccharomyces cerevisiae) lower interferon-gamma production by stimulated human blood cells in vitro // Food Chem. 2016. Vol. 197, pt A. P. 761-768. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.11.015

19. Бессонов В.В., Богачук М.Н., Макаренко М.А., Сокуренко М.С., Шевякова Л.В., Абрамова И.М. и др. Исследование биохимического состава зерновой клетчатки спиртового производства // Пищевая промышленность. 2020. № 2. С. 12-15. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2486-2020-10014

20. Инструкция по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства. 7-е изд., перераб и доп. / под ред. В.А. Полякова, И.М. Абрамовой, Г.В. Полыгалиной, Л.В. Римаревой, Г.Т. Корчагиной, Е.Н. Пискаревой. Москва : ДеЛи принт, 2007. 480 с.

21. Р 4.1.1672-03 Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище. Москва: Федеральный центр госэпиднадзора Минздрава России, 2004. 240 с.

SCImago Journal & Country Rank
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Тутельян Виктор Александрович
Академик РАН, доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»
Медицина сегодня
Рентгенология в сочельник

Рентгенология в сочельник Научно-практическая конференция в онлайн-формате 25 декабря 2020 года 25 декабря 2020 года состоялась традиционная научно-практическая конференция Российского общества радиологов и рентгенологов. По инициативе президента РОРР, подобные мероприятия...

XV Международный конгресс по репродуктивной медицине.

XV Международный конгресс по репродуктивной медицине 19-21 января 2021 года в онлайн-формате состоится XV Международный конгресс по репродуктивной медицине . Цель конгресса по репродуктивной медицине - улучшение качества оказания помощи в планировании семьи и рождении детей...

Проект "Школы РОАГ" выходит на общероссийский уровень.

Проект "Школы РОАГ" выходит на общероссийский уровень В 2021 году Школы РОАГ выходят на новый - всероссийский уровень. География проекта охватит все федеральные округа! Школы пройдут в 18 городах, а онлайн-технологии помогут присоединиться к образовательному процессу...


Журналы «ГЭОТАР-Медиа»