АННОТИРОВАННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ
О РЕЗУЛЬТАТАХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 1
«Изучение кинетики процесса гидролиза фитина семян злаковых культур»
Соглашение от 04 октября 2012 г. №14.В37.21.1922.
Тема: «Исследование взаимосвязи гидролиза фитина семян злаковых культур с повышением биодоступности минеральных веществ»
Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс»
Ключевые слова: фитаты, фитаза, зерно злаковых культур, гидролиз.
Цель проекта
1.1. В задачи первого этапа проведения научно-исследовательских работ в рамках проекта на тему «Исследование взаимосвязи гидролиза фитина семян злаковых культур с повышением биодоступности минеральных веществ» входило:
проведение анализа состояния проблемы, связанной со способами повышения биодоступности минеральных веществ в семенах зерновых культур;
изучение фитазного комплекса семян различных зерновых культур;
изучение кинетики ферментативного гидролиза фитина и установлен вклад фитазы микробного происхождения на данный процесс.
1.2. При недостаточном поступлении минеральных веществ в организм человека могут отмечаться отклонения в состоянии здоровья различной степени тяжести. Среди пищевых продуктов нет таких, которые были бы богаты одновременно всеми минеральными веществами. Однако, можно выделить группы продуктов, являющиеся лучшими источниками отдельных минеральных веществ по количеству и качеству. Так, например, лучшими источниками фосфора являются все животные продукты, много его содержится и в зерновых. Однако в зерне содержатся фитаты, снижающие доступность биогенных минеральных веществ. В виде них существует 78-90 % всего фосфора семян злаковых культур. Фитатный фосфор может быть усвоен в пищеварительном тракте человека только после гидролиза.
Целью данного этапа проекта являлось изучение кинетики процесса гидролиза фитина семян злаковых культур.
Основные результаты проекта
2.1. Обеспечение безопасности и сбалансированности продовольственного сырья и пищевых продуктов - одно из основных направлений, определяющих здоровье населения и сохранение его генофонда. В связи с этим одной из целей государственной политики в области здорового питания населения на период до 2020 года в соответствии с Распоряжением Правительства РФ от 25 октября 2010 г. № 1873-р заключается в разработке и внедрении в сельское хозяйство и пищевую промышленность инновационных технологий, включая био- и нанотехнологии. Одним из ожидаемых результатов ее выполнения является увеличение доли производства продуктов массового потребления, обогащенных витаминами и минеральными веществами, включая массовые сорта хлебобулочных изделий, а также молочные продукты, - до 40-50 % общего объема производства.
Фосфор играет важную роль в полноценном питании человека. Это один из основных структурных компонентов организма. Он принимает активное участие в обмене белков, жиров, углеводов, энергии, минеральных веществ, витаминов, входит в состав важнейших метаболитов. Трудно назвать физиологическую функцию организма, в осуществлении которой производные фосфорной кислоты не принимали бы прямого или косвенного участия. Недостаток фосфора вызывает ухудшение общего состояния, снижение аппетита, роста и устойчивости к болезням, костные заболевания. Дефицит фосфора в пищевых рационах составляет 20-50 % [Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека. – М.: Медицина, 1991. 496 с.]. В растениях фосфор находится в виде органических и минеральных соединений. В зерне злаковых культур примерно 2/3 общего фосфора находится в связанной форме известной под названием фитин. Фитин является запасным веществом растений, хелатирующим агентом, соединяется с двух- и трехвалентными катионами, может связывать, кроме кальция и магния, также биогенные микроэлементы такие, как железо, цинк, молибден, марганец, медь и другие. Данное вещество присутствует в алейроновом слое и наружных зонах зерновки. С фитиновым комплексом также связана низкая доступность аминокислот. Известно, что среднее содержание фитина в зерне пшеницы 1,2 %,
ржи – 2 %. Фитатный фосфор может быть усвоен в пищеварительном тракте человека только после гидролиза. Усвоение фитатного фосфора в желудочно-кишечном тракте зависит от таких факторов как активность фермента фитазы растительного сырья, рН химуса, уровня кальция и витамина D в рационе. При гидролизе фитина происходит высвобождение неорганического фосфата, кальция, железа, цинка и других минеральных элементов. Образуется также фитиновая кислота, которая является белее сильным антиоксидантом, чем токоферолы и аскорбиновая кислота [Ahn Hyun-Joo, Kim Jae-Hyun, Kim Mi-Jung Comprasion of irradiated phytic acid and other antioxidations for antioxidant activity // Food Chem., 2004. v.88. №2. p.173-178.].
Известно, что фитазы практически не вырабатываются в пищеварительном тракте человека, свиней, птицы и других животных с однокамерным желудком. Однако доступность фосфора из растительного сырья можно повысить, добавляя фитазу микробного происхождения, что уменьшит антипитательные эффекты фитата. Следовательно, можно отметить, что фитаза очень важна для биотехнологического применения в продуктах питания и кормах.
Ферментные препараты на основе фитазы являются достаточно новыми на российском рынке, однако они уже нашли широкое применение в животноводстве и птицеводстве для улучшения переваримости и усвояемости питательных веществ [Кузнецов С., Кузнецов А. Фосфор в питании животных. // Животноводство России. 2003. №4. С.12-13.]. Для повышения усвояемости фитатного фосфора, катионов металлов, аминокислот, которыми обогащен зерновой хлеб, можно использовать при подготовке зерна к производству хлеба ферментный препарат на основе фитазы.
Для подтверждения эффективности действия фермента фитазы на деструкцию фитина и высвобождение фосфорной кислоты из субстрата проводили обработку зерна злаковых культур при замачивании в присутствии комплексного ферментного препарата на основе фитазы F 4.2 В с фитазной активность 12008 ед/г (лаборатория физико-химической биотрансформации полимеров Химфака МГУ).
Зерно пшеницы, ржи и тритикале замачивали раздельно при оптимальных параметрах действия ферментных комплексов и в динамике (через каждые 4 часа) отбирали пробы зерна для определения фитазной активности. Фитазную активность определяли по высвобождению фосфорной кислоты из субстратов. Результаты исследования представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Изменение фитазной активности в зерне пшеницы (а), ржи (б) и тритикале (в) при замачивании в растворе ферментного препарата на основе фитазы
(t 50 °С, рН 4,5)
При изучении гидролиза фитина в семенах различных культур установлено, что процесс начинается с декатионизации фитина и продолжается путем отщепления фитазой фосфатных остатков от инозита. Активность фитазы зерна в алейроновом слое возрастает только к моменту проклевывания ростка. Декатионизация фитина приводит к высвобождению катионов, накопление которых способствует повышению осмотического давления в самом эндосперме, и которые могут оттекать в осевые органы. Отщепляемые остатки фосфорной кислоты активно вовлекаются в метаболизм эндосперма и передвигаются в осевые органы. Остающиеся инозит-моно-, ди- и трифосфаты представляют собой соединения, которым отводится роль вторичных мессенджеров, связанных с выходом кальция из вакуоли в цитоплазму и которые могут легко передвигаются из цитоплазмы в другие органы. Алейроновое зерно при прорастании превращается в большую вакуоль, наполненную промежуточными продуктами деструкции запасных веществ. Мио-инозит после отщепления всех фосфатных групп, метаболизируется в глюкуроновую кислоту [Азаркович М.И., Дмитриева М.И., Соболев А.М. Мобилизация белка и фитина в алейроновых зернах семян клещевины при прорастании // Физиология растений, 1999. т.46. №3. С. 410-418.].
Проведенные исследования показали, что фитазная активность в нативном зерне пшеницы и ржи составляет 250 и 300 ед. соответственно. В первые 8 часов замачивания зерна злаковых культур в воде рН 4,5 фитазная активность субстратов медленно нарастала по мере набухания зерна и увеличивалась в 1,7-1,9 раз. В следующие 4 часа отмечается максимальный рост значений фитазной активности. Интенсивность процесса высвобождения фосфорной кислоты из субстратов при замачивании в растворах исследуемых ферментных препаратов определялась составом ферментного комплекса. После 12 часов воздействия на субстрат фитазная активность препаратов в зерновых культурах имеет примерно одинаковые значения.
Кроме того, научный коллектив данного проекта приступил к выделению эндогенной фитазы из зернового сырья и изучению ее свойств.
2.2. В России ферментные препараты на основе фитаз в настоящее время не находят широкого применения в пищевой промышленности, а многие научно-методические аспекты, которые могли бы лечь в основу методов повышения доступности биогенных элементов семян зерновых культур для пищеварения человека, до настоящего времени остаются не разработанными.
Впервые дана сравнительная характеристика активности эндогенной фитазы различных злаковых культур (пшеницы, ржи и тритикале) и косвенная оценка содержания фитина в объектах исследования.
На основании исследований, проводимых в рамках данного проекта, нами впервые будет разработана технология применения микробной фитазы при производстве зерновых продуктов питания с целью повышения их минеральной ценности. Новые методологические подходы к изучению повышения биодоступности биогенных минеральных веществ семян зерновых культур не уступают мировым аналогам и заключаются в комплексном подходе к изучению характера процесса гидролиза фитина, распределения и процессов миграции биогенных элементов.
2.3.Так в опытах и производственных наблюдениях за курами-несушками
Подобед Л.И. отмечен рост толщины скорлупы с 0,38 до 0,393-0,402 мм на фоне применения фитаз. Нормализация фосфорного питания с участием специфических фитинразрушающих ферментов обеспечивает снижение упругой деформации скорлупы с 22,9 до 21,0-21,3 мкм. Яйцо птицы быстрее и интенсивнее накапливает фосфор, повышается плотность его белка. Кроме того, были проведены опыты на двух группах бройлеров. Одной группе птицы скармливали комбикорм, в котором содержание фосфора, кальция, аминокислот и энергии соответствовало нормативному уровню, другой − комбикорм с пониженным уровнем этих питательных веществ, но с добавлением фитазы. Результаты не показали различий в продуктивности и качественных характеристиках бройлеров обеих групп. Тем самым было доказано, что применение фитазы позволяет снизить экономические затраты на корма. Также около 15 лет назад опытным путем впервые было доказано, что применение фитазы в кормах для свиней способствует более полному усвоению аминокислот этими животными (Т. Batterham, Австралия).
Рядом исследователей установлено, что добавление фитазосодержащих ферментов в комбикорма к тому же повышает переваримость протеина, жира и клетчатки соответственно на 4,6-6,32 %, 1,24-3,52 % и 7,53-8,93 %.
Таким образом, можно сделать предположение, что применение микробных фитаз при производстве пищевых продуктов растительного происхождения, содержащих большое количество фитата (в частности зерновых), будет повышать биодоступность биогенных минеральных веществ и пищевой ценности готовых продуктов. Несмотря на это, сведения о применении этого фермента в пищевых технологиях немногочисленны.
Назначение и область применения результатов проекта
3.1. Область применения результатов представленного проекта – перерабатывающая (зерноперерабатывающая и хлебопекарная) промышленность.
3.2. Перспективы практического применения и коммерциализации результатов проекта
3.2.1. Продукт рекомендован для широкого потребителя. Проблема производства продуктов питания повышенной пищевой ценности, отвечающих указанным в данной заявке требованиям, актуальна как для отдельных регионов РФ, так для страны и мира в целом.
3.2.2. По мнению ряда экспертов, сегодня развитие рынка хлебобулочных изделий происходит в основном за счет нетрадиционных сортов, растет спрос на новые сорта хлеба. Основной упор делается на полезный для здоровья хлеб. Перспективным направлением развития ассортимента хлебобулочных изделий повышенной пищевой и биологической ценности диетического назначения является использование натуральных пищевых обогатителей.
Полученные в ходе выполнения проекта результаты позволят обосновать инновационные, ресурсосберегающие, безотходные технологии получения продуктов питания повышенной пищевой ценности. Кроме того, данные, полученные при выполнении 1-го этапа данного Соглашения внедрены в учебный процесс в виде отдельных лекций при изучении следующих курсов: «Ферменты: структура, свойства и применение», «Пищевая химия».
3.2.3. Социальный эффект от исследований в рамках проекта заключается в:
- улучшении качества питания граждан и обеспечение его безопасности;
- повышении биодоступности минеральных веществ зерна злаковых культур и продуктов питания на их основе;
- повышении минеральной ценности хлебобулочных изделий;
- снижении общего уровня заболеваемости, связанного с дефицитом минеральных веществ в рационе питания;
- внедрение новых технологий производства.
3.2.4. Будут предложены технологии зерновых пищевых продуктов из целого нешелушенного ферментированного зерна злаковых культур, будет разработана и утверждена техническая документация на новые виды хлебобулочных изделий.
Для внедрения в производство подобной продукции в настоящий момент существуют два варианта:
1) Внедрение технологии на базе мини-оборудования в условиях пекарен.
2) Внедрение технологии на базе поточной механизированной линии с производительностью до 5-8 тонн в сутки.
3.2.5. В процессе реализации данного проекта предполагается разработка технологии зернового хлеба. Зерновой хлеб может легко вписаться в классическую технологию производства хлеба из муки: замес теста, разделка, расстойка и выпечка. Единственное, подобная технология дополнительно предусматривает подготовку зерна, включающую мойку зерна, его замачивание в присутствии биокатализаторов и последующее диспергирование.
Предлагаемая технология производства хлеба из целого зерна позволит сохранить все ценные части зерна, включая зародыш, алейроновый слой и многослойные оболочки. Регулярное потребление данного продукта будет способствовать повышению степени усвоения организмом биогенных элементов; нормализации обмена веществ; очищению организма от шлаков, канцерогенов и токсических веществ; улучшению моторной функцию кишечника.
Перспективы развития исследований.
4.1. Участие в ФЦП способствовало формированию новых исследовательских партнерств в частности: с кафедрой химической энзимологии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, с ФГБОУ ВПО "Орловский государственный аграрный университет" и лабораторией экотоксикологии научно-исследовательского института растениеводства (г. Прага, Чешская республика).
4.2. Черепниной Л.В. в 2010 году была защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему «Разработка технологии хлебобулочных изделий из целого зерна тритикале с применением ферментных препаратов на основе целлюлоз». Сформулированные соискателем научные положения и практические решения используются в учебном процессе кафедр «Технология хлебопекарного, кондитерского и макаронного производства» и «Химия и биотехнология» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК».
В рамках гранта «Разработка ресурсосберегающих технологий переработки зерна злаковых культур и производства экологически безопасных зерновых продуктов питания», ГР № 01201059717 (2010-2012 г.г.) научным коллективом было установлено, что применение ферментных препаратов целлюлолитического действия при подготовке зерна к производству зернового хлеба приводит к снижению содержания тяжелых металлов и радионуклидов в зерновой массе из пшеницы и ржи.
В 2012 году Черепнина Л.В. являлась исполнителем работ по проекту финансируемому РФФИ № 12-04-97586/12 «Выявление закономерностей распределения и миграции тяжелых металлов в семенах растений», а также победителем программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») с проектом на тему «Разработка ресурсосберегающих технологий производства экологически безопасных зерновых хлебобулочных изделий».
Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий
Закреплены следующие специалисты:
Сизова Тамара Игоревна, 14.11.1987 года рождения, зачислена в заочную аспирантуру Исполнителя
Руководитель организации - Получателя гранта
|
|
С.Ю. Радченко
|
Руководитель Проекта
|
|
Л.В. Черепнина
| |
