5 ВВЕДЕНИЕ
Технология переработки масличных семян, зародившись в глубокой древности, прошла длительный и сложный путь развития. Совершенствовалось технологическое оборудование, периодические процессы переработки семян сменялись непрерывными, но повышение глубины обезжиривания маслосодержащих материалов прессовым способом возрастало, как правило, за счет более интенсивного воздействия на масличное сырье, отрицательное воздействие интенсивной технологии на качество масла и белка принималось допустимым. Появление в конце 19 столетия экстракционного метода получения растительных масел резко увеличило выход масла и глубину обезжиривания материала, но не исключило неизбежное снижение качества масла и белка из-за необходимости жестких тепловых воздействий на обезжириваемый материал особенно при интенсивной отгонке растворителя.
Фундаментальные работы A.M. Голдовского, К.Е. Леонтьевского, В.П. Ржехина, В.В. Ключкина, В.Н. Красильникова, а также исследования последних лет многих других отечественных и зарубежных исследователей выявили не только большую сложность происходящих в перерабатываемом масличном сырье процессов - физико-химических, химических и биохимических, но и установили опасность необратимого снижения качества получаемого масла и белка под влиянием жестких технологических воздействий.
Несмотря на большое число исследований, подтвердивших необходимость и желательность смягчения технологического воздействия на растительное масличное сырье при его переработке, для современной технологии все еще характерно применение интенсивных тепловых и влаготепловых воздействий на материал, хотя их отрицательное влияние на полезные компоненты маслосодержащего сырья не вызывает у специалистов сомнения и, больше того, ограничивает для предприятия возможность
6
улучшения качества получаемых продуктов и снижения затрат на их производство, ухудшая тем самым финансовое положение производителя.
В сложившихся условиях рациональным решением проблемы является теоретическое и экспериментальное обоснование и разработка новых ресурсосберегающих технологий переработки растительного масличного сырья с использованием биотехнологических методов.
Анализ выполненных исследований показывает, что первоочередное значение такие технологии могут иметь при решении ряда конкретных задач, решение которых методами традиционной технологии практически неосуществимо, или неизбежно ведет к глубокому повреждению качества получаемых продуктов из-за накопления в них соединений, снижающих пищевую ценность.
Реальным решением проблемы повышения эффективности переработки растительного маслосодержащего сырья и получения из него качественной конкурентно способной продукции является теоретическое и экспериментальное обоснование и разработка новых и усовершенствованных технологических решений с использованием биотехнологических методов при комплексной переработке растительного сырья.
Анализ уже выполненных исследований подтверждает, что применение биотехнологических методов при переработке масличных семян позволит обеспечить:
• возможность ведения технологического процесса получения масла и белка при умеренных температурах, исключающих глубокие денатурационные и окислительные изменения в белково-липидном комплексе семян, и сохранить полезные компоненты на уровне исходного качества перерабатываемого сырья;
• возможность разработки и применения биотехнологических методов при подготовке масличных семян к переработке с использованием ферментов или ферментных систем и получать растительные масла и белки с заданными свойствами, включая их детоксикацию;
7 • возможность получения при технологической переработке масличных
семян новых продуктов при снижении затрат энергетических и материальных ресурсов, повышения экологичности и комплексности использования сырья.
Наибольшую эффективность применение биотехнологических методов может иметь при решении технологических задач, которые не могут быть решены методами традиционной технологии.
Среди таких задач - усовершенствованная биотехнологическими методами технология переработки семян высокоолеинового подсолнечника, исключающая потерю массовой доли олеиновой кислоты в подсолнечном масле; получение на основе белков соевых семян пищевых продуктов с заданными функциональными свойствами без применения ферментных препаратов микробиальной природы; комплексная технология переработки плодов и семян тунгового дерева с получением нетоксичных обезвреженных кормовых белков из прессовых жмыхов и исключением из технологической схемы энергоемкого оборудования для обрушивания плодов перед извлечением масла из семян.
Разработка ориентированных на промышленную реализацию конкретных технологий, обеспечивающих решение указанных выше задач потребовала теоретического и экспериментального обоснования новых способов подготовки масличного сырья к переработке с использованием биотехнологических методов.
Целью исследования являлось теоретическое и экспериментальное обоснование и разработка ресурсосберегающей технологии переработки семян промышленных масличных растений трех различных ботанических семейств с использованием биотехнологических методов, обеспечивающих получение продуктов улучшенного качества.
8 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 ХИМИЯ И БИОХИМИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН ВЫСОКООЛЕИНОВОГО
ПОДСОЛНЕЧНИКА
Ресурсы растительного масличного сырья в нашей стране определяются в первую очередь объемами производства основной масличной культуры-подсолнечника. Ведущее значение подсолнечника как масличной культуры обусловлено многими его достоинствами - высокой массовой долей пищевого масла в семенах (семянках) - до 52-54 %, высокой урожайностью, достигающей 35-37 ц/га, возможностью полной механизации возделывания с применением интенсивных технологий, а также способностью давать высокие сборы масла при выращивании на неполивных землях.
Значение подсолнечника в народном хозяйстве особенно возросло в последние годы, когда была выявлена высокая селекционная пластичность растения, проявившаяся не только в создании сортов высокомасличного подсолнечника, но и сортов и гибридов, дающих масло различного жирно-кислотного состава.
В семидесятых годах прошлого столетия на основе использования различных методов гибридизации и химического мутагенеза селекционерами были созданы принципиально новые сорта подсолнечника, в частности, сорт Первенец, уникальный по высокой массовой доле в его триацилглицеролах олеиновой кислоты [293, 336, 337]. Эта отличительная особенность сорта Первенец, а также и других созданных позже высокоолеиновых сортов и гибридов, таких как сорт Круиз и гибриды Кубанский 341 и Кубанский 941, позволяет использовать получаемое из их семян подсолнечное масло в качестве полноценного заменителя импортируемого оливкового масла для
диетического и детского питания, применения в медицине и парфюмерии, а также для получения технической олеиновой кислоты [428,429].
Однако, как показала практика работы промышленности, переработка семян высокоолеинового подсолнечника по принятой традиционной технологии приводит к ухудшению не только техноэкономических показателей работы предприятий из-за возросших потерь масла в производстве, но и не позволяет получить подсолнечное масло с высокой массовой долей олеиновой кислоты [37, 38, 65, 110, 224]. Одновременно было выяснено, что высокоолеиновые сорта подсолнечника, в том числе сорт Первенец, при сравнении с лучшими сортами высокомасличного подсолнечника линолевого типа имеют меньшую масличность семян и урожайность, их устойчивость к заразихе ниже устойчивости высокомасличных сортов.
Перед селекционерами была поставлена задача создания новых высокоолеиновых сортов и гибридов, не имеющих указанных недостатков.
В результате селекционных работ в конце 80-х годов прошлого столетия в НПО «Масличные культуры» (г. Краснодар) были созданы два новых межлинейных высокоолеиновых гибрида - Краснодарский 885 и Краснодарский 906 в дополнение к высокоолеиновому сорту Первенец. Гибрид Краснодарский 885 был районирован в Краснодарском крае. Эти высокоолеиновые гибриды подсолнечника имели повышенную технологичность при возделывании и уборке урожая, у них были по сравнению с сортом Первенец выше урожайность и масличность семян. Новые гибриды отличались коротким вегетативным периодом, большей стойкостью к поражению различными болезнями, в их масле более высокая массовая доля олеиновой кислоты.
В связи со специальными условиями создания гибридных растений, технологические и биохимические характеристики их семян, определяющие качество и выход масла и белка, отличаются от аналогичных характеристик других, не высокоолеиновых сортов и технология переработки,
10 ориентированная на традиционные сорта, потребует корректировки, как в
части изменения условий отдельных технологических операций, так и, возможно, потребует создания принципиально новых технологий.
Эффективная технологическая переработка масличных семян всегда тесно связана со степенью изученности химических и биохимических процессов, происходящих в семенах при хранении и переработке. Это обусловило необходимость изучения специфических особенностей химического состава и технологических свойств семян высокоолеиновых сортов и гибридов подсолнечника, а также выяснения их отличия от уже известных масложировой промышленности семян подсолнечника не высокоолеинового типа.
Как известно, уже в первые годы промышленной переработки семян высокоолеинового сорта Первенец было обнаружено, что под влиянием условий хранения и технологической переработки в получаемом масле массовая доля олеиновой кислоты оказывается ниже, чем в исходных семенах.
Несмотря на предпринимавшиеся попытки объяснить причину снижения массовой доли олеиновой кислоты в масле высокой неоднородностью по степени зрелости семян высокоолеинового подсолнечника к моменту уборки, а также несовершенством и неточностью применяемых методов анализа, достоверного объяснения уменьшению массовой доли олеиновой кислоты в масле получено не было. Наиболее вероятной, хотя и не бесспорной причиной этого, по-видимому, следует считать непригодность существующих традиционных технологических приемов переработки для семян подсолнечника высокоолеинового типа, не обеспечивающих сохранение олеиновой кислоты в получаемом масле.
Еще более острой стала проблема несоответствия существующей технологии переработки подсолнечника при массовом поступлении на масложировом предприятии вместо семян Первенца семян новых высокоолеиновых сортов и гибридов.
11
В свое время опыт переработки высокоолеиновых семян сорта Первенец выявил существенные технологические отличия их от семян высокомасличных сортов линолевого типа. Поэтому изменение жирнокислотного состава масла у высокоолеиновых гибридов и их гибридная природа, заставляют предполагать отличия их и по технологическим характеристикам от сортового подсолнечника как линолевого типа, так и олеинового - сорта Первенец.
В связи с этим разработка и оптимизация технологических операций послеуборочной обработки, хранения, подготовки к обезжириванию и обезжиривания семян высокоолеиновых сортов и гибридов подсолнечника является актуальной и имеет существенное научное и прикладное значение для масложировой промышленности.
В соответствии с изложенным целью первой части нашей работы являлось изучение биохимических и технологических особенностей белково-липидного комплекса семян высокоолеиновых гибридов подсолнечника с целью оптимизации процессов получения из семян масла и белка.
1.1.1 Анатомические особенности и химический состав семян подсолнечника
Подсолнечник относится к ботаническому семейству Астровых (Asteraceae). Это семейство включает до 1300 родов и более 20000 видов, из которых наибольшее народнохозяйственное значение в качестве масличного растения имеет подсолнечник однолетний (Helianthus annum).
Начиная с 30-х годов прошлого столетия в нашей стране были начаты работы по селекции подсолнечника на высокую масличность, которые успешно завершились в 50-е и последующие годы созданием ряда высокомасличных сортов [224]. Средняя масличность плодов-семянок лучших высокомасличных сортов превышает 54-55 % и находится в
12 обратной зависимости с лузжистостью семянок [253,257,319].
В ходе селекции лузжистость семянок снизилась от 40-44 % до 19-21 % [181]; масличность ядра (собственно семени) у современного высокомасличного подсолнечника превышает 64 % при содержании белка в ядре до 22% [17, 38, 95,257].
Анатомические особенности строения и химический состав основных и покровных тканей высокомасличного подсолнечника существенно снизили его устойчивость при хранении. Затраты на хранение семян подсолнечника новых сортов в 2-3 раза превышают аналогичные расходы на хранение зерна злаковых культур.
Одной из основных причин этого является увеличенная массовая доля липидной (гидрофобной) части в основных тканях семян. Поэтому уже при относительно небольшой суммарной влажности семян белково-углеводная (гидрофильная) часть оказывается перенасыщенной влагой выше критического уровня. Это приводит к активированию в хранящейся семенной массе жизнедеятельности всех ее живых компонентов, включая семена и микрофлору на них [42, 59, 244, 248]. В связи с этим величина критической влажности семян, обеспечивающая безопасное хранение высокомасличного подсолнечника, снизилась до 6,5-7,0 % против 11 % для низкомасличных семян [87, 117,259,268].
Изменился и состав гидрофильной части семян. В их основных тканях - ядре семян - увеличилась массовая доля растворимых в воде белков, биологически активных и способных интенсивно поглощать влагу из воздуха. Даже ткани плодовой оболочки, несмотря на повышенную по сравнению со старыми сортами массовую долю в них липидов, приобрели большую гидрофильность. Покровные ткани высокомасличных семян содержат больше азотсодержащих и минеральных веществ, они богаче углеводами, хотя массовая доля целлюлозы в них снизилась [87, 98, 99].
В ходе селекции на высокую масличность в семенах подсолнечника не только возросла массовая доля запасных липидов, но и произошли глубокие
13 изменения в липидном комплексе семян. Изменилось соотношение жирных
кислот в составе триацилглицеролов - за счет усиленного накопления линолевой кислоты возник линолевый тип подсолнечника.
Изменились в ходе селекция количественно и качественно также полярные липиды - фосфолипиды, гликолипиды, стеролы и воски, значительным изменениям подверглись токоферолы подсолнечных семян [18,224,234,294].
Полярные липиды - фосфолипиды и гликолипиды - являются «мишенью адаптации» растения к изменяющимся условиям внешней среды [34, 44, 84]. Их изменения оказывают определяющее влияние на характер накопления запасных липидов в семенах при созревании, на качественный и количественный состав жирнокислотных остатков в триацилглицеролах, а отсюда на качественные характеристики семян и получаемого из них масла.
Хотя качественный состав жирных кислот в составе полярных липидов часто совпадает с жирнокислотным составом триацилглицеролов, количественные соотношения жирных кислот у них существенно различны. Так, если отношение суммы ненасыщенных жирных кислот к сумме насыщенных в триацилглицеролах семян подсолнечника составляет 4,34-8,65 [119, 148, 149, 183], то для фосфолипидов это отношение равно 3,44-4,82 [18, 54], а для гликолипидов 1,24-4,10 [294]. Так как полярные липиды являются основным компонентом биомембран клетки, соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот и их состав формируется при созревании оптимальными, чтобы обеспечить достаточную для обменных процессов в клетке «текучесть» липидного биослоя за счет двойных связей ненасыщенных жирных кислот полярных липидов и в то же время обеспечить необходимую эластичность биомембраны за счет насыщенных жирных кислот в температурных (климатических) условиях, которые благоприятны для развития растения [35,44, 84, 365].
Известны указания на высокую массовую долю в гликолипидах подсолнечника сорта Передовик улучшенный линолевой (Ci8:3) кислоты до
14 73-84 %, тогда как в гликолипидах сорта Первенец по этим же данным
массовая доля Cig:3 находится на уровне 36-37 % [294]. Необходимо подчеркнуть, что присутствие в составе запасных липидов подсолнечника линолевой кислоты, по данным многих исследований или очень невелико (от следов до 1 %) или полностью исключается.
Сведения о стереовидовом и типовом составе триацилглицеролов высокоолеиновых гибридов подсолнечника отсутствуют.
1.1.2 Созревание семян на растении, послеуборочная обработки и хранение
В связи с большой разнокачественностью семян, одновременно убираемых в период массовой уборки подсолнечника, обусловленной среди множества причин - также разнокачественностью по степени зрелости семян в соцветии, семенная масса свежеубранных семян содержит заметную долю недозрелых семян даже при проведении уборки в оптимальные сроки и при благоприятных погодных условиях.
В связи с этим традиционным стало начинать изучение процессов, формирующих семена подсолнечника как масличное сырье, с периода завершающего созревания на растении и предшествующего уборке семян, затем - изучение процессов в семенах при послеуборочной обработке и хранении и на этой основе анализировать и изучать влияние технологических процессов при переработке семян на химический состав получаемых из семян продуктов.
Исходным материалом для синтеза молекул жирных кислот в созревающих семенах являются соединения углеводной природы, образующиеся в ходе фотосинтеза в зеленых частях растения [54, 84, 373, 374].
Накопление жирных кислот и масла в семенах подсолнечника
15 линолевого типа при созревании на растении изучали многие исследователи
[43, 276, 283, 338,357].
Выявлены изменения в массовой доле отдельных жирных кислот в онтогенезе семян, в составе жирных кислот триацилглицеролов и полярных липидов - в первую очередь фосфолипидов и гликолипидов [332].
Установлено, что в течение маслообразовательного процесса количественные соотношения жирных кислот изменяются - первоначально высокое содержание олеиновой кислоты (в масле подсолнечника линолевого типа) по мере созревания снижается, параллельно растет относительная массовая доля линолевой кислоты, что многими исследователями объясняется течением процессов десатурации жирных кислот при затухании обменных процессов в созревающих семенах [43, 283, 338]. В созревших семенах запасные липиды локализованы в виде липидных сферосом.
Накопление в созревающих семенах подсолнечника запасных липидов коррелирует с накоплением в них запасных белков [6, 11, 17, 102, 283, 290]. Мелкие алейроновые зерна или белковые тела в клетках созревающих семян появляются на два дня позже запасных липидов. Затем их размеры увеличиваются и к моменту уборки семян алейроновые зерна уже заполняют значительную часть клетки, их форма из-за взаимной деформации становится угловатой [23, 260]. Массовая доля белкового азота за время созревания возрастает в 4-6 раз, а общего азота - в 2-3 раза [183, 262]. Групповой состав белков изменяется - относительная доля альбуминов и глютелинов снижается, а доля глобулинов растет, что дало основание отнести глобулины подсолнечника к запасным белкам. Аминокислотный состав белков в ходе формирования семян непостоянен. Однозначного ответа о причинах этого нет. По-видимому, это либо результат изменяющегося соотношения отдельных белков, либо изменения аминокислотного состава под влиянием изменения условий окружающей среды [11, 23]. Отмечено, что аминокислотный состав белков детерминирован генетической природой растения [23, 262].
16
Данные, полученные на семенах подсолнечника высокомасличных сортов (не высокоолеиновых), свидетельствуют о присутствии в семенах на ранних стадиях созревания высокой массовой доли незаменимых аминокислот, затем, из-за снижения массовой доли водорастворимой, богатой лизином фракции белков, массовая доля незаменимых аминокислот в белках созревших семян уменьшается [17,132,183,262].
Противоречивы сведения о групповом составе белков созревающих семян подсолнечника при исследовании методом электрофореза в полиакриламидном геле [40, 41, 132, 164]. По одним данным, некоторые белковые компоненты характерны для всех стадий развития семян [183], по другим - существенные изменения в глобулинах наблюдаются в первые дни после цветения, а затем наступает постоянство группового состава белка [40].
Как установлено Н.К. Артемьевой [17, 132], запасные белки семян подсолнечника гибрида Почин имели более высокую биологическую ценность и более высокую атакуемость протеолитическими ферментами по сравнению с белками сорта Передовик улучшений.
Самым распространенным способом послеуборочной обработки семян, повышающим устойчивость семян перед хранением и улучшающим их технологические свойства, является тепловая сушка [161, 241, 366, 367].
В зависимости от интенсивности, продолжительности тепловых воздействий на масличные семена и от начальной влажности семян изменениям подвергается липидно-белковый комплекс семян.
Наиболее подробно изучено изменение кислотного числа масла в высушиваемых семенах [161]. Как следует из работ многих авторов, первый период сушки сопровождается ростом кислотного числа, зависящим от повышения активности гидролитических ферментов, гидролизующих триацилглицеролы (запасные липиды). Дальнейшее повышение температуры сушки снижает активность гидролитических ферментов, идет связывание свободных жирных кислот с образованием белково-липидных комплексов, которое продолжается и в третьем периоде сушки, дополняясь в четвертом
17 периоде процессами окисления и термического распада жирных кислот.
Вопрос о том, какие типы жирных кислот триацилглицеролов участвуют в этих процессах, практически не исследован. Предположительно указывают на ведущее участие в этих процессах наиболее ненасыщенных кислот, в частности, линолевой и линоленовой [60, 274]. Известно положение о возможности оценки повреждения липидов семян при тепловой сушке по уменьшению массовой доли линолевой кислоты.
В то же время работы в области тепловой сушки зерна пшеницы и других злаковых растений позволяют полагать, что олеиновая кислота способна более прочно удерживаться в связанных с белками липидах, например, при введении в муку жирных кислот различной насыщенности, включая линолевую и линоленовую [28, 100]. Отмечено также присутствие в липопротеинах семян злаковых растений, а также подсолнечника связанной с белками олеиновой кислоты [893].
Установлено, что наряду со связыванием жирных кислот с белками и углеводами при тепловой обработке одновременно идет ослабление связей полярных липидов с белками и в извлекаемое масло переходит больше фосфолипидов [265, 266], изменяется локализация запасных липидов в клетке [264] в масляную фазу - извлекаемые липиды - переходят токоферолы. Высвобождение токоферолов из биомембран клетки сопровождается повреждением биомембран за счет неконтролируемых окислительных процессов [183] под влиянием теплового стресса семян.
Как известно, стабилизирующее действие токоферолов в биомембранах обусловлено их способностью эффективно инактивировать свободные радикалы, возникающие при окислении жирных кислот [59] и стабилизировать липидный биослой мембран клетки путем ван-дерваальсова взаимодействия с ненасыщенными ацилами фосфолипидов [18]. Показано, что а-токоферол способен защищать биомембраны от повреждающего действия свободных жирных кислот, образуя с ними реактивные комплексы.
Во многих работах обращается внимание на целесообразность
|
