УГЛЕВОДНЫЙ СОСТАВ НАДЗЕМНЫХ ЧАСТЕЙ МЕСТНЫХ СОРТОВ АМАРАНТА СЕМЕЙСТВО Amarantháceae

АННОТАЦИЯ

Вопросы изучения углеводов надземных частей местных сортов амаранта, выращиваемых в Узбекистане, имеют практическое значение, поскольку у интродуцированных растений часто изменяется химический состав в зависимости от климатических условий. Перспектива надземной части амаранта как сырья для комплексной переработки в качестве источника получения продуктов и добавок для пищевой промышленности определяется их богатым химическим составом и биологической ценностью. Анализ углеводов, разработка способа комплексной переработки жмыха амаранта химическим методом с выделением полисахаридов, определение оптимальных условий выделения углеводов способствует производству различных товаров в области функционального питания. Для выполнения поставленных задач в работе использовались известные современные химические и физико-химические методы анализа углеводов.

ABSTRACT

The study of carbohydrates in the aerial parts of local amaranth varieties grown in Uzbekistan is of practical importance, since the chemical composition of introduced plants often changes depending on climatic conditions. The prospects for the aerial parts of amaranth as raw materials for complex processing as a source of products and additives for the food industry are determined by their rich chemical composition and biological value. Analysis of carbohydrates, development of a method for complex processing of amaranth cake by a chemical method with the release of polysaccharides, determination of optimal conditions for the release of carbohydrates contributes to the production of various products for functional nutrition. To accomplish the assigned tasks, the work used well-known modern chemical and physicochemical methods for analyzing carbohydrates.

Ключевые слова: амарант, углеводы, экстракция, функциональное питание.

Keywords: amaranth, carbohydrates, extraction, functional nutrition.

Введение. В последние годы сельское хозяйство Узбекистана обогащается, наряду с хозяйственно-ценными культурами, новыми видами интродуцированных растений. В процессе интродукции новых растений появляются новые сорта, в зависимости от климатических условий, таких как длительность солнечных дней, плодородность посевных земель, хорошее водоснабжение и т.д. [18–21].

По современным требованиям производства и переработки сельскохозяйственной продукции каждая хозяйственно-ценная культура подвергается комплексной переработке, с целью более полного использования ресурсов, с применением методов безотходных технологий [2; 6; 8]. Комплексная переработка возобновляемых растительных ресурсов и создание практически безотходных технологий способствуют решению глобальной экологической проблемы. Рациональное использование природных ресурсов позволяет расширить ассортимент продукции пищевого, фармакологического и технического назначения и создать дополнительные источники вторичного сырья [14; 16; 17].

Анализ углеводов, разработка способа комплексной переработки жмыха амаранта химическим методом с выделением полисахаридов, определение оптимальных условий выделения углеводов надземных частей местных сортов амаранта способствуют производству разных товаров для функционального питания [12; 15].

Показано, что составные части амаранта находят широкое применение в медицине и косметологии. Они используется для коррекции иммунодефицитных состояний при лечении заболеваний разной этиологии: сердечнососудистых и онкологических заболеваний, нарушения обмена веществ, эрозивно-язвенных поражений желудочно-кишечного тракта, псориаза, нейродермитов, анемии, токсикозов и др. [13].

В настоящее время зарубежными специалистами созданы и продолжают разрабатываться современные способы и технологические приемы переработки зерна и надземной части амаранта для получения продуктов с повышенной биологической ценностью. Ряд работ посвящен технологиям комплексной переработки амарантового сырья (зерна и надземной части), а также технологиям флюидной экстракции – экстракции жидкой двуокисью углерода и в основном в сверхкритическом состоянии (СО₂-экстракция).

Ниже приведены примеры способов и технологий комплексной переработки фитомассы амаранта.

Исследователями предложен способ получения из зародышей зерна амаранта масла, белкового и крахмального продуктов [4]. Разработаны способы комплексной переработки надземных частей амаранта с получением новых видов пищевых продуктов и добавок высокой пищевой ценности: обогащенных маслом и углеводами. Одним из предложенных в работе [5] способов является способ сухого сепарирования измельченных семян, в результате которого получают две фракции. Белково-липидная фракция содержит до 38 % белка, до 18 % масла и подготовлена к извлечению высококачественного амарантового масла. Вторая фракция представляет собой углеводный концентрат с незначительным содержанием белка, клетчатки и масла. Эта фракция пригодна для использования в различных областях промышленного производства (крахмалопаточной, хлебопекарной, кондитерской, парфюмерной, фармацевтической и др.).

Еще одним предложенным в работе [5] способом комплексной переработки семян амаранта является биотехнологический способ, включающий гидролитическое воздействие на амарантовую муку комплексных ферментных препаратов. В результате получают полуфабрикат (сырье), который может применяться в производстве широкого ассортимента энергетических напитков, кисломолочных и других продуктов лечебно-профилактического и массового питания. По своему качественному и количественному составу нерастворимый остаток может также представлять интерес при производстве широкого ассортимента продуктов питания.

Некоторыми исследователями на установке в условиях механоакустического воздействия разработана высокоэффективная, экологически безопасная инновационная технология выделения практически ценных веществ из фитомассы амаранта. Технология позволяет интенсифицировать процесс и обеспечить высокий выход конечных продуктов с использованием мягких пищевых кислот: лимонной, янтарной и др. Исследовано влияние добавок фитомассы амаранта на процесс метаногенеза при использовании в качестве сырья осадка сточных вод; при этом обнаружено стимулирующее действие добавок на основе амаранта [10]. По этой технологии в единой технологической цепочке последовательной экстракцией 70 %-ным этанолом, дистиллированной водой, раствором органической кислоты и раствором соды извлекается широкий спектр ценных соединений: рутин, обладающий Р-витаминной активностью, пищевой краситель амарантин бетацианиновой природы, а также кислый полисахарид пектин, способный формировать в водной среде устойчивые студни и обладающий выраженной способностью к комплексообразованию. При ее разработке использовался новый подход, позволяющий в условиях механоакустического воздействия интенсифицировать процесс гидролиза-экстракции, добиться экологически безопасных условий, при которых сохраняется высокая биологическая активность целевых продуктов.

Использование сверхкритических флюидов в качестве растворителей и экстрагентов в экстракционных процессах является одним из путей решения проблем энергосбережения и удовлетворения возрастающих требований к экологичности продуктов питания, материалов и технологических процессов в целом [3]. Сверхкритическая технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами, как например, легкость регенерации растворителя и возможность подачи его на рецикл, большой выход и высокое качество экстрагируемого продукта, отсутствие остаточного растворителя в экстракте, одностадийность операции, селективность извлечения [1]. Наиболее часто в качестве растворителя используют диоксид углерода (СО₂), отличающийся относительно низкой критической температурой (35 °С), высокими показателями летучести, регенерируемости и коэффициента диффузии, нетоксичностью, безвредностью для окружающей среды, а также невоспламеняемостью. Кроме того, этот экстрагент дешев, доступен и экологичен [3].

Английскими учеными исследовано влияние температуры, давления, скорости потока экстрагента и предварительной подготовки образца на скорость процесса суперкритической СО₂-экстракции и выход экстракта. Найдено, что скорость экстракции является функцией скорости потока растворителя, тогда как выход масла зависит от скорости потока, предварительной подготовки образца и давления [22].

Современная ситуация в отношении переработки и использования амаранта такова, что усилия производителей в основном направлены на производство дорогостоящих продуктов из семян амаранта – амарантового масла, сквалена и СО₂-экстрактов, а побочные продукты таких производств, например, СО₂-шрот из семян амаранта, должного практического применения пока не имеет. Технология получения СО₂-экстрактов из семян амаранта предусматривает извлечение преимущественно липидной части. Оставшиеся после экстракции белки обладают специфическими особенностями, отличающимися от белков других пищевых продуктов, например пшеничной и ржаной муки. В связи с этим представляют определенный интерес исследования биологической ценности побочных продуктов СО₂-экстракции семян амаранта.

Приведенные данные литературных источников показывают, что условия углекислотной экстракции зерна амаранта существенно различаются у разных авторов и это отражается на выходах экстракта, его химическом составе и особенно на содержании сквалена. Необходимо дальнейшее совершенствование способа СО₂-экстракции зерна с целью увеличения концентрации сквалена в экстракте и его фракциях [11].

В процессе исследований изучали физико-химические характеристики семян местных сортов амаранта; углеводный состав листьев, стебел, зерен и содержание в них белка; дорабатывался химический способ обработки жмыха с выделением углеводов.

Экспериментальная часть. Определение содержания и состава углеводов жмыха амаранта. Сырые углеводы и их фракции выделяли из надземных частей по известной схеме [9].

Аппараты, материалы и реактивы

Весы лабораторные, электроплитка бытовая, термометр стеклянный с пределом измерения 0-100 °С, пипетки с делениями вместимостью 1,2, 5, 10 мл, цилиндры мерные вместимостью 10, 50 и 100 см³, магнитная мешалка, шкаф сушильный, центрифуга, баня водяная, роторный испаритель, колбы мерные вместимостью 100, 250 и 300 мл, стаканы химические вместимостью 50 и 100 мл, 0,5 %-ные растворы щавелевой кислоты и оксалата аммония, 10 %-ный раствор КОН, спирт этиловый, 5 %-ный раствор J₂.

Проведение опыта

Выделение спирторастворимых угледоводов (СРУ). 100 г сырья измельчали до порошка, исчерпывающе обезжиривали гексаном, твердый остаток экстрагировали 82 % спиртом в течение 1 часа дважды (1:5). Экстракты упаривали и получили спирторастворимые углеводы, анализировали бумажной хроматографией (БХ) в системе бутанол-пиридин-вода (6:4:3), проявитель – кислый фталат анилина и мочевина. Этим методом выявили сахарозу, два фруктоолигосахарида (R_f 0,7 и 0,28) и следы глюкозы.

Выделение водорастворимых углеводов (ВРУ). После спиртовой экстракции твердый остаток экстрагировали последовательно горячей водой (50-55 °С) при гидромодуле 1:15; 1:10 и 1:5 и температуре 50-55 °С на водяной бане 1,5 ч. Растворы объединяли, упаривали, осаждали двумя объемами спирта, осадок отделяли, высушивали и содержание водорастворимых углеводов устанавливали гранулометрически.

Выделение пектиновых веществ (ПВ). Остаток после выделения ВРУ дважды экстрагировали смесью 0,5 %-ных растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония (1:3, 1:2) при 70–80 °С. Экстракты объединяли, упаривали, диализовали, осаждали двумя объемами спирта, высушивали спиртом. Содержание остатка устанавливали гранулометрически.

Выделение гемицеллюлозы (ГМЦ). Твердый остаток после выделения ПВ экстрагировали 5 % NaOH (1:4; 1:3; 1:2) при комнатной температуре. Экстракты объединяли, нейтрализовали уксусной кислотой, диализовали, упаривали, осаждали спиртом (1:4) и высушивали спиртом. Результаты показаны в таблице 1.

Результаты и обсуждение

Доминирующими полисахаридами в жмыхе являются водорастворимые углеводы. Все выделенные углеводы представляют собой аморфные порошки белого цвета и растворимы в воде.

Моносахаридный состав углеводов установили методом полного кислотного гидролиза. Гидролиз образцов проводили 2 н Н₂SO₄ при 100 °С. Для водорастворимых углеводов время гидролиза составлял 8 часов, для пектиновых веществ и гемицеллюлоз – 24 часа.

В гидролизатах полисахаридов методом бумажной хроматографии установили доминирование во всех образцах моносахарида глюкозы.

В гидролизатах водорастворимых углеводов дополнительно идентифицировали незначительные количества ксилозы, арабинозы, а в гидролизатах пектиновых веществ и гемицелюлоз отмечены примеси уроновых кислот, арабинозы, ксилозы и галактозы (таблица 1).

Таблица 1.

Углеводный комплекс надземной части образцов амаранта, % по массе

Следует отметить, что наличие глюкозы в гидролизатах водорастворимых углеводов говорит в пользу полисахаридов глюканового типа. Об этом свидетельствует реакция с йодом: растворы водорастворимых углеводов с йодом дают красно-фиолетовое окрашивание. Реакция гидролизатов на крахмал была отрицательная (отсутствовало характерное синее окрашивание).

Заключение. Таким образом, дана качественная и количественная характеристика углеводного комплекса жмыха семян амаранта и показано преобладание в комплексе водорастворимых полисахаридов глюканового типа.

В результате установлено, что в жмыхе амаранта содержится 68 % сырых углеводов, после фракционирования которых получены спирторастворимые сахара, пектиновые вещества, гемицеллюлозы, клетчатка и более 50 % водорастворимых полисахаридов. Химическим способом из жмыха последовательно получены водорастворимые полисахариды (42,8 %).

Проведена экстракция жмыха СО₂ в суперкритическом состоянии. В СО₂-шроте найдено более 62 % сырых углеводов с преобладанием (42,2 %) водорастворимых полисахаридов.

Результатом полученных данных можно воспользоваться в процессе комплексной переработки растительного сырья амаранта для производства товаров функционального питания при профилактике различных заболеваний, товаров детского питания, чаев и каши в повседневном питании.

Список литературы:

1. Абдулагатов И.М. Применение сверхкритических флюидов в различных экстракционных процессах // Теплофизика высоких температур. – 1994. – Том 32. – № 2. – С. 299–308.
2. Гинс М.С. Биологически активные вещества амаранта. Амарантин: свойства, механизмы действия и практическое использование: монография / под ред. И.И. Чернадьева. М.: Изд-во РУДН, 2002. – 183 с.
3. Гумеров Ф.М. Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров. Казань: Изд-во ФЭН, 2000. – 328 с.
4. Калиничева М.В., Мирошниченко Л.А., Сироткин В.Т. Способ переработки семян амаранта с извлечением масла, получением белкового и крахмального продуктов // Патент РФ 2209233. Опубликован 27.07.2003
5. Камышева И.М. Разработка технологий комплексной переработки семян амаранта на пищевые цели : дисс. канд.техн.наук. – Санкт-Петербург, 2000. – 197 c.
6. Кононков П.Ф., Гинс В.К., Гинс М.С. Амарант – перспективная культура XXI века. – Москва: РУДН, 1999. – 298 с.
7. Магомедов И.М. Амарант: Биология. Сельское хозяйство. Медицина. Материалы XI Межд. научно-метод. кон-ференции. 9-13 июня 2014. – Махачкала. – Т. 1. – С. 85–87.
8. Магомедов И.М., Чиркова Т.В. Амарант  прошлое, настоящее и  будущее // Успехи современного естествознания. – Санкт-Петербург. – 2015. – №1. – С.1108–1113.
9. Маликова М.Х., Сиддикова А.А., Рахманбердыева Р.К. Растительные ресурсы. – 2016. – Т. 52. – № 3. – С. 116–121.
10. Сайт компании ТБО: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ztbo.ru/o-tbo/lit/problemi-rekultivacii-otxodov/innovacionnaya-texnologiya-pererabotki-fitomassi-amaranta (дата обращения: 23.09.2023).
11. Цымбал И.М., Битюкова Е.И., Шмалько Н.А. Биологическая ценность побочных продуктов СО₂-экстракции семян амаранта // Сб. статей и докл. 9-й научно-практич. конф. с междунар. участием «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», 14–15 декабря 2006. – Барнаул, 2006. – С. 7–9.
12. Хидоятова Ш.К., Юлдашева Н.К., Ульченко Н.Т., Кораблева Н.В., Гусакова С.Д., Сагдуллаев Ш.Ш., Тохтахунов К.А., Муминов М.М. Влияние интродукции на состав масла семян и жмыха зерновых сортов Amaranthus hipochondriacus // Химия природных cоединений. – 2017. – № 2.
13. Чернеховская Е., Чернеховский Д.В., Черных С.Б., Данков В.С. Иммуностимулирующее средство // Патент РФ 2170096. Опубликован 10.07.2001
14. Amaranto: Ciencia y Tecnologia. – Ed. Espita R.E. – 2012. – P. 354.
15. B.Abdullayev., M.Mo‘minov., T.Umarov, B.Raxmonova. Amarant ham oziq-ovqat qo‘shimchasi, ham tuproqni sho‘rlantirishni fitomelioratori // Agroiqlim. – Vol. 2. – 2017. – Pp. 66–67.
16. Caselato-Sousa V.M,Amaya-Farfan J. State of Knowledge on Amaranrh Grain: A Comperehensive Review // Journal of Food Science. – 2012. – Vol. 27. – № 4. – P. 93–104.
17. Khidoyatova Sh.K., Yuldasheva N.K., Ul’chenko N.T., Gusakova S.D., Sagdullaev Sh.Sh., Tokhtakhunov K.A., Muminov M.M. Lipids of the introduced amaranth of “Helios” kind // Тезисы докл. научно-практ. конф. с междунар. участием «Актуальн. проблемы химии природ. соедин». – Ташкент. – 17-18 ноября 2016. – ИХРВ АН РУз
18. M.Muminov M, To‘xtaxunov Q. Yaratilgan navni davlat reestriga kiritish guvohnomasi №601 Amarant navi- Ulug‘nor. 10.10.2018
19. Muminov M, To‘xtaxunov Q, Yaratilgan navni davlat reestriga kiritish guvohnomasi №599 Amarant navi - Andijon-M. 10.10.2018
20. Muminov M, To‘xtaxunov Q. Yaratilgan navni davlat reestriga kiritish guvohnomasi №598 Amarant navi - O‘zbekiston-M. 10.10.2018
21. Muminov M, To‘xtaxunov Q. Yaratilgan navni davlat reestriga kiritish guvohnomasi №600 Amarant navi - Marxamat 10.10.2018
22. Westerman D., Santos R.C.D., Bosley J.A., Rogers J.S., Al-Duri B. Extraction of Amaranth seed oil by supercritical carbon dioxide // Journal of Supercritical Fluids. – Vol. 37. – 2006. – Pp. 38–52