Цикл лекций по биотехнологии. Лекция 2. Источники белка растительного происхождения

Леонтьева Ирина

Цикл лекций по биотехнологии.

Лекция 2. Источники белка растительного происхождения

Актуальность исследования обусловлена тем, что белок, или протеин, ― это основной строительный материал в человеческом организме, источник пополнения энергетических запасов. Белки регулируют, координируют и интегрируют многообразие химических превращений в целостном живом организме. Но белок не может откладываться «на потом», его запасы необходимо постоянно пополнять. Дефицит протеина приводит к потере собственной белковой ткани.

Общепринятая дневная норма белка составляет от 0,8 до 1,5 г белка на 1 кг собственного веса для обычных людей, а людям физического труда, спортсменам и людям, занимающимся фитнесом, в виду их нагрузок, необходимо гораздо больше протеина.

Люди эволюционно «запрограммированы» на потребление определенного количества энергии пищи с белком (не менее 14%). В случаях, если потребляемая пища содержит меньше белка, то человек продолжает испытывать голод и принимает пищу до тех пор, пока не достигнет «цели» в потреблении пищевых энергоресурсов. Достигнуть этой цели можно ценой избыточного потребления углеводов и жиров. Как правило, недостаток протеинов является регулярным явлением у строгих вегетарианцев, у людей с большими физическими нагрузками и во всех других случаях несбалансированного питания.

Традиционно белки делятся на животные и растительные.

Цель нашего исследования ― изучение теоретических основ биотехнологии белка растительного происхождения.

В таблице 1 представлена характеристика пищевой ценности лучших источников белка растительного происхождения [7].

Таблица 1 ― Пищевая  ценность 100 г источника белка растительного происхождения  

Традиционными источниками растительного белка считаются:

― бобовые (зернобобовые). К зернобобовым культурам относятся: горох, кормовые бобы, вика посевная, фасоль обыкновенная, люпин, соя, чечевица, чина и нут. В белке семян этих культур содержатся почти все незаменимые аминокислоты: триптофан, лизин, метионин, валин, треонин, фенилаланин, лейцин, изолейцин ― необходимые для роста и развития живого организма. Характерной особенностью белков бобовых является то, что они легко растворяются в воде, в растворах нейтральных солей и в слабых растворах щелочей, что делает белок доступнее организму человека и животных. Зернобобовые культуры имеют большое народнохозяйственное значение, потому что они являются важнейшим источникам растительного белка. В семенах зернобобовых белка в 2–3 раза больше, чем в семенах злаковых [2, с.32]. Среди растительной пищи бобовые это абсолютные чемпионы по содержанию белка ― в красной чечевице, белой и красной фасоли содержится от 22 до 25 г протеина. Бобовые являются отличным источником магния, железа, фолиевой кислоты и калия;

― орехи. Орехи богаты не только витаминами и необходимыми нашему организму жирами, но и отличаются высоким уровнем содержания белка. Изобилует протеином кешью ― в нем до 26 г протеина. Далее идут фундук, миндаль и грецкие орехи ― на 100 г продукта выходит от 15 до 18 г протеина, в кедровых орешках на 100 г приходится 11 г белка;

― грибы. Содержат необходимый человеку набор микро- и макроэлементов, по составу похожи на овощи, но содержат больше протеина. Наиболее богаты белком шампиньоны, подберезовики и белые грибы. Химический состав показывает их большую питательную ценность (от веса сухого вещества они содержат 30–40% белков, 1–2% жиров, 10–15% углеродистых соединений). Грибы содержат необходимые человеку макро- и микроэлементы (калий, кальций, цинк, медь, железо, кобальт), витамины В1, В2, В6, D, H, никотиновую и пантотеновую кислоты. Жиры грибов хорошо усваиваются: их усвояемость около 95%. В составе жировых веществ находятся фосфатиды, среди которых лецитин, содержащийся в сравнительно значительном количестве. В состав жировых веществ входят холестерин и провитамин D (эргостерин), некоторые непредельные жирные кислоты. Небольшое количество углеводов представлено гликогеном, инулином, а также дексатрином, маннитом и другими сахароспиртами, глюкозой и микозой. Все углеводы грибов относятся к легкоусвояемым: усвояемость составляет 99% [11, с. 199];

― злаки. Злаковые продукты ― дешевые источники белка. В гречке и овсяных хлопьях содержится около 12 г белка. На 100 г таких злаков как булгур и кус-кус приходится столько же протеина, сколько и на гречку. Содержание протеина в диком рисе и киноа (квиноа, кинва) составляет около 14 г на 100 г злака. В красном рисе 7,5 г протеина на 100 г продукта [7].

В мировых запасах растительного белка первое место занимает белок зерновых культур, второе ― масличных, в основном сои. За последние 60 лет по темпам роста производственных объемов соя значительно превзошла основные культуры мирового земледелия [6, с. 147].

Наиболее распространенными растительными белками, используемыми в мясных продуктах, являются соевые белки, крупнейшими потребителями которых являются мясоперерабатывающие предприятия.

Соя ― белково-масличная культура мирового значения. Семена содержат в среднем 37–42% белка, 19–22% масла и до 30% углеводов, при средней урожайности 1,5 т/га дает столько белка, сколько можно получить в урожае пшеницы 5–6 т/га. Благодаря богатому и разнообразному химическому составу используется как продовольственная, кормовая и техническая культура [10].

Соевые белки получают из сои (Glycinemax), которая принадлежит к семейству бобовых растений. Соя содержит около 20% масла, 40% белка, 30% углеводов, а остальные 10% приходятся на влагу и минеральный остаток. В основном применительно к мясу и мясным продуктам используются изолят и концентрат соевого белка с содержанием белка 90% и 70%, соответственно. Доступны текстурированные соевые белки, производимые механической обработкой на экструдерах для получения текстуры наподобие мяса [4, с. 50].

Вместе с тем белки сои неоднородны по структуре и функциям. Среди них есть антипитательные компоненты: а) ингибиторы протеолитических ферментов: трипсина и химотрипсина, лектины, уреаза, липоксигеназа и другие вещества, снижающие пищевую ценность ― вещества белковой природы, препятствующие перевариванию белка желудком животных и человека; б) гемагглютинины (лектины) ― вещества белковой природы, вызывающие агглютинацию эритроцитов, которые, входя в структуру тканей животных, растений, микроорганизмов, принимают участие как в регулировании их метаболизма, так и в защите от некоторых агентов внешней среды, семена сои содержат достаточно высокое количество лектинов, агглютинирующих эритроциты всех групп крови человека [12, с. 143]. Употребление цельных семян сои снижает ее питательные свойства.

Представляет интерес патент № 2124844 (RU) по переработке сои для дальнейшего использования в пищевой промышленности. При оптимальном варианте в качестве растительного сырья используют соевые бобы, проводят очистку и помол растительного сырья с отделением отрубей, затем проводят его растворение и суспензирование в воде с последующим выделением сырца белкового изолята и шрота, производят экстракцию липидов непосредственно из полученного сырца изолята и шрота с помощью жидкой двуокиси углерода под давлением выше атмосферного. Особенностями применяемой технологии переработки являются гидрирование лецитина и фосфатидов, обработка масла фосфорной кислотой с целью освобождения его от фосфорсодержащих веществ, что имеет большое значение при его дальнейшей гидрогенизации, щелочная нейтрализация в растворе гексана с одновременным удалением восков, дезодорация на малогабаритных установках. Получаемые после экстракции обезжиренные соевые хлопья увлажняют до 20–30% и подвергают в течение 30–40 мин тепловой обработке до 103 ^oС. Прогревание необходимо для разрушения сапонина, ингибитора трипсина и соина, которые неблагоприятно влияют на пищеварение, угнетающе действуют на обмен веществ. В результате этого способа получают высокобелковые продукты ― кормовую обезжиренную соевую муку с содержанием протеина 49%, соевый концентрат, имеющий 70% белка и 90% изолированных белков. Последние два вида продуктов используют на пищевые цели, а обогащенный соевый шрот, обезжиренную соевую муку ― на различные кормовые цели [8].

Хотя соевые белки и другие ингредиенты обладают полезными функциональными свойствами, их главным недостатком и ограничивающим фактором для использования в мясной продукции является сильный посторонний привкус продуктов, изготовленных с применением сои.

Помимо сои в качестве добавок в мясные продукты или альтернативы мясу можно использовать и другие бобовые и зернобобовые культуры.

В бобовых растениях содержание белка высоко: 20–30%. В настоящее время на рынке доступны различные гороховые белки в порошковой или текстурированной форме. В Европе коммерческий интерес представляют гороховые белки, которые производятся из кормового гороха (Pisumsativum L) и на 65% состоят из двух составляющих, легумина и вициллина.

Наиболее распространенный процесс их производства ― влажный способ: измельченный горох смешивают с водой для получения суспензии, которую доводят до рН 9–10; для разделения растворимых белков и углеводов суспензию центрифугируют; затем белки осаждают путём подкисления до изоэлектрической точки белка (~4,3–4,5); после нейтрализации белка экстракт сушат распылением для получения горохового изолята с содержанием белка 90%. Изолят горохового белка имеет хорошую растворимость, а также обладает значительными гелеобразующими, эмульгирующими и влагосвязывающими свойствами, которые необходимы для применения в мясных продуктах.

Рассматриваются и другие растительные источники белка: фасоль, пшеница, горох, люпин, рис, канола и картофель.

Эффективное направление ― сырьевые ресурсы сбалансированного по аминокислотному составу белка, к которым следует отнести такие растения семейства амарантовых как квиноа (киноа) и амарант. Квиноа практически полностью усваивается организмом и считается источником биологического ценного белка, так как компенсирует отсутствие многих белковых продуктов в рационе вегетарианцев. Амарант также является уникальным белковым продуктом. Международная продовольственная комиссия при ООН назвала это растение «хлебом XXI века». Многие ученые сходятся во мнении, что белок амаранта является более качественным, чем белок молока. В таблице 2 приведены данные по содержанию белка в амарантовых.

Таблица 2 ― Суточная степень обеспеченности организма человека в белке при потреблении семян растений семейства амарантовых

Внесение продуктов переработки семян амарантовых (муки), позволит расширить ассортимент обогащенных продуктов питания [6, с. 765].

Люпин пищевых сортов рассматривается как перспективное растительное сырье, обладающее уникальным биохимическим составом и набором биологически активных веществ с широким спектром лечебно-профилактических свойств.

Уже сейчас люпин является мощной сырьевой базой для получения высококачественного белка и создания продуктов питания с диетическими и лечебно-профилактическими свойствами. Белок люпина, сои и казеина имеет одинаковую биологическую ценность – протеиновый коэффициент составляет 2,5. В состав зерна люпина входят белок (27,8–61,2%), жир (3,7–21,5%), безазотистые экстрактивные вещества (17,6–38,7%), клетчатка (10,6–18,2%), зола (2,9–4,2%), водорастворимые витамины (тиамин, рибофлавин, биотин, фолиевая кислота, аскорбиновая кислота). Сумма незаменимых аминокислот колеблется от 35 до 50% белка, в том числе: лейцина (5–10%), лизина (4,6%), метионина+цистин (2–2,5%). В составе липидов семян люпина преобладают ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая). В СибНИПТИПе разработана технология мягких сыров без созревания с использованием люпинового концентрата, представляющего собой однородную пастообразную массу желтого цвета с массовой долей сухих веществ 25–28%, который вырабатывается на механоакустическом гомогенизаторе с роторно-диспергирующим аппаратом, что обеспечивает высокоэффективную стабильную белково-липидную фракцию для получения нежной, в меру плотной, однородной консистенции сыра, снижает отход жира и увеличивает выход готового продукта [13, с. 17].

Растительные белки доступны в виде порошкообразных ингредиентов, а также в сухой текстурированной форме. Растительные источники характеризуются высоким содержанием белка, но содержат антинутриенты, количество которых необходимо уменьшать в процессе производства.

Кроме бобовых и зернобобовых белков также рассматриваются белки зерновых и масличных культур. Из зерновых белков наиболее важными и доступными являются белки пшеницы. Пшеничный белок на 80% состоит из глютена, который отвечает за вязкоупругие свойства теста для выпечки. Пшеничный глютен с его вязкоупругими свойствами и прочной структурой часто используется в комбинации с соей для производства аналогов мяса.

Среднее содержание белка в зерне пшеницы разных сортов (в разные годы) варьировало от 15,34 до 17,04%, причем по некоторым сортам до 33,4% [9, с. 10]. Факторами, ограничивающими применение пшеницы в качестве добавки к мясу или мясным продуктам, являются нерастворимость пшеничного белка, а также озабоченность глютеиновой болезнью и аллергенным потенциалом пшеничного белка. Однако аллергенный потенциал может быть снижен с помощью гидролиза, который также улучшает растворимость пшеничного глютена. Кроме того, пшеничный глютен является побочным продуктом при производстве пшеничного крахмала и биоэтанола, его использование в мясных продуктах описано в различных научно-исследовательских работах [4, с. 51].

Ряд других растительных белков, в основном из масличных растений, таких как рапс, хлопок, подсолнечник и арахис, находятся на стадии научных исследований и активных разработок. Кроме того, исследуются белки картофеля и риса, причем картофельные белки уже доступны на рынке.

Выводы

Белки (протеин) ― органические соединения, в состав которых входит 22 аминокислоты. Белки являются основным материалом для строительства клеток организма человека, участвуют во многих биологических процессах и выполняют множество разнообразных функций.

Традиционными источниками растительного белка считаются:

― бобовые (зернобобовые) культуры, которым относятся: горох, кормовые бобы, вика посевная, фасоль обыкновенная, люпин, соя, чечевица, чина и нут. В белке семян этих культур содержатся почти всенезаменимые аминокислоты: триптофан, лизин, метионин, валин, треонин, фенилаланин, лейцин, изолейцин ― необходимые для роста и развития живого организма;

― орехи. Орехи богаты не только белками, но также витаминами и необходимыми нашему организму жирами;

― грибы;

― злаки и каши. Злаковые продукты являются дешевым источником белка.

Во всем мире для замены мышечных белков в мясных продуктах используются растительные белки. В мировых запасах растительного белка первое место занимает белок зерновых культур, второе ― масличных, в основном сои.

Литература

1.   Антипова, Л.В. Люпин ― источник полноценных белков для мясной промышленности / Л.В. Антипова, Ж.И. Богатырева // Фундаментальные исследования. ― 2008. ― № 6. ― С. 122–123.

2.   Асадова, А.И. Бобовые как альтернативный источник белка в повседневном рационе человека / А.И.  Асадова  // Знание. ― 2016. ― № 6–1 (35). ― С. 30–36.

3.   Барсуков, С.С. Соя ― важнейший источник белка и масла / Барсуков С.С. А.С. Барсуков  // Агарная наука. ― 2005. ― № 3. ― С. 10–11.

4.   Байнович, Б. Альтернативы мясному белку – обзор / Б. Байнович, У. Биндрич, А. Мэтис, Ф. Хайнц // Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти Василия Матвеевича Горбатова. ― 2012. ― № 1. ― С. 46–58.

5.   Гаврилов, М.Д. Соя ― как источник растительного белка / М.Д. Гаврилов  // Новая наука: проблемы и перспективы. ― 2016. ― № 6–2 (85). ― С. 147–148.

6.   Клешнева, Е.В. Растения амарантовых – эффективный источник биологически ценного белка в обогащенных продуктах питания /         Е.В. Клешневая, Л.В. Донченко, Т.В. Щеколдина // Современные аспекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции: сб. статей по материалам III научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 95-летию Кубанского государственного аграрного университета, Краснодар, 20 марта 2017 г. ― Краснодар: Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина, 2017. ― С. 764–768.

7.   Лучшие источники белка  [Электронный ресурс]. ― Режим доступа: http://www.stylefitness.ru/luchshie-istochniki-belka.html (дата обращения: 01.12.2019).

8.   Патент 2124844, Российская Федерация,  A23J1/14. Способ получения белка из растительного сырья / Аверин К.М.; Иванов С.В.; Страдомский Б.В. заявитель и патентообладатель ООО «Русский протеин». – № 98115615/13, заявл. 24.08.1998; опубл.  20.01.1999 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru-patent.info/21/20-24/2124844.html (дата обращения: 10.12.2019).

9.   Подгорный, С.В. Генетические источники высокого содержания и качества белка для селекции озимой мягкой пшеницы / С.В. Подгорный, А.П. Самофалов, О.В. Скрипка // Аграрный вестник Урала. ― 2016. ― № 6 (148). ― С. 10.

10.    Рогов, А.Н. Соя ― как источник растительного белка / А.Н. Рогов,       А.С. Мазова, А.А. Белозерова  // Актуальные проблемы агропромышленного производства: Сб. материалов Международной научно-практической конференции, Курск, 25 января 2013 г. ― Курск:  Курская государственная сельскохозяйственная академия им. профессора И.И. Иванова,  2013. ― С. 102–104.

11.    Сивко, А.Н. Значение грибов в питании человека / А.Н. Сивко, Л.М. Яковченко // Актуальные проблемы развития современного российского общества теория и практика: Сб. научных статей по итогам Международной научно-практической конференции, Волгоград, 21 февраля 2017 г. ― Волгоград: Волгоградский кооперативный институт (филиал) Российского университета кооперации, 2017. ― С. 199–202.

12.   Степанова, С.В. Соя ― источник получения биологически активных веществ  / С.В. Степанова // Актуальные проблемы агропромышленного производства: Сб. материалов Международной научно-практической конференции, Курск, 25 января 2013 г. ― Курск:  Курская государственная сельскохозяйственная академия им. профессора И.И. Иванова,  2013. ― С. 142–144 .

13.   Юрченко, Н.А. Мягкие сыры с люпиновым концентратом / Н.А. Юрченко // Сыроделие и маслоделие. ― 2009. ― № 2. ― С. 17.