Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 6
1.1 Распространение культуры кунжута и центры ее происхождения 6
1.2 Химический состав семян кунжута 10
1.2.1 Липидный комплекс 12
1.2.2 Азотсодержащие соединения 16
1.2.2.1 Запасные белки 20
1.2.3 Углеводный комплекс 21
1.2.4 Минеральные (зольные) элементы 22
1.3 Зависимость химического состава семян от культивирования в различных географических пунктах 23
1.4 Изменение химических веществ в семенах при прорастании, созревании и хранении 25
1.5 Влияние агротехники на химический состав семян 27
1.6 Использование семян кунжута 30
Заключение по аналитическому обзору литературы 33
2 Экспериментальная часть 35
2.1 Объекты и методы исследования 35
2.1.1 Характеристика объектов исследования 35
2.1.2 Методы стендовых и лабораторных исследований 35
2.2 Результаты исследований и их обсуждение 53
2.2.1 Биохимические особенности белкового комплекса семян кунжута 53
2.2.2 Белковые продукты, получаемые из семян кунжута и их биохимические и функциональные свойства . 62
2.2.3 Сравнительная характеристика белкового комплекса кунжута возделываемого в Краснодаре (ВНИИМК) и в Йемене 63
2.2.4 Изменение белкового комплекса кунжута при тепловой обработке 73
2.2.5 Технологическая схема получения белковых продуктов из семян кунжута 88
2.2.6 Обоснование рецептур кулинарных изделий, обогащаемых белковыми продуктами из семян кунжута 90
2.2.7 Применение белковых продуктов из семян кунжута для повышения биологической ценности мучных кондитерских изделий 92
2.2.8 Применение белковых продуктов из семян кунжута в рецептуре сладких блюд 95
2.2.9 Применение белковых продуктов их семян кунжута в рецептуре соусов повышенной калорийности 102
2.2.10 Использование белковых продуктов из семян кунжута при производстве сбивных изделий 109
2.2.11 Показатели безопасности кулинарных и кондитерских изделий 114
Выводы 116
Литература 118
Приложения 126
- Распространение культуры кунжута и центры ее происхождения
- Зависимость химического состава семян от культивирования в различных географических пунктах
- Объекты и методы исследования
- Белковые продукты, получаемые из семян кунжута и их биохимические и функциональные свойства
Распространение культуры кунжута и центры ее происхождения
Кунжут индийский {Sesamum indicum L.) - один из видов рода Sesamum L. семейство Кунжутовые (Pedaliaceae). Он является одним из древнейших масличных растений, из семян которого получают хорошего качества масло. Высокая масличность семян и отличные пищевые качества масла привлекли к нему внимание уже давно, и он был известен древнейшим народам Азии и Африки как в диком, так и в культурном состоянии.
О возделывании кунжута в Индии упоминается в самых древних индийских рукописях. В диком состоянии вид неизвестен. Семена кунжута обнаружены археологами при раскопках древних восточных поселений и египетских пирамид. Наиболее распространена гипотеза, что в Индию кунжут попал из Южной Африки по древнему морскому пути благодаря мореплавателям, которые использовали его в ищу. Сейчас кунжут в Индии занимает третье место среди масличных культур после арахиса и рапса. Из Индии он распространился в Китай и Японию, Америку и Европу.
В Россию кунжут (по-персидски - "кунжуд") попал в конце ХУШ в. В 1777 г. в Астраханской губернии проведены первые его посевы, использовались семена из Бухары. В Средней Азии культура кунжута очень древняя и связана с Пакистаном и Индией. Площади посева кунжута в мире составляют около 6 млн.га. Наибольшие площади в Индии (более 2 млн.га), Мьянме, Судане, Китае, Мексике, Колумбии, Венесуэле, Нигерии, Эфиопии.
Помимо этого кунжут распространен в Тунисе, Марокко, Египте, Абиссинии, Йемене, а также в южной части России. Африка - родина 28 видов кунжута {Sesamum L.) из 35 известных [52]. Они встречаются преимущественно в Западной Африке. На побережье Атлантического океана и Гвинейского залива распространено 13 видов кунжута из 24 известных в Тропической Африке. Местообитанием их являются сухие песчаные луга и кустарниковые заросли (табл.1) [6]. Значительная часть видов кунжута произрастает между 15 с.ш. и 23 ю.ш. В этом регионе распространен дикорастущий родич кунжута - цератотека -Ceratotheca sesamoiles Engl того же ботанического семейства Кунжутовые (Pedaliaceae), возделываемый в отдельных странах Западной Африки [6]. Географическое распространение видов кунжута в Западной и
Центральной Африке Вид Распространение Местообитание Sesamum alatum Thonn. Западная и Центральная Африка Рудеральное (сорное) растение S. angolense Welw Заир, Конго (бассейн р.Конго) В песчаных местах; иногда на высоте 2000 м над уровнем моря S. angustifolium (Oliv.) Engl. Нижняя Гвинея, побережье Атлантического океана В сухих песчаных местах S. antirrhinoides Welw. et Aschers. Нижняя Гвинея На песчаных почвах, среди кустарников S. capense Burm. Центральная Африка На легких супесчаных почвах, в долинах рек S. heudelotii Stapf Верхняя Гвинея, Синегал По берегам рек S. indicum L. Западная и Центральная Африка В культуре S. mariotii Engl. Западная Африка По берегу Гвинейского залива S. mombancense De Wild, et Durand Заир, Конго (бассейн р.Конго) На песчаных почвах S. pedalioides Welw. Нижняя Гвинея На опушках леса, по берегам рек S. radiatum Schum. Et Thon. Гвинейский залив На песчаных почвах S. repens Engl. Нижняя Гвинея На высоте 1200-1300 м над ур.м. S. rigidum Peyr. Нижняя Гвинея На песчаном побережье, в зарослях кустарников Местные названия кунжута: в Буркина-Фасо - sili, su; Гане - zinzam; Гвинее - bene, diguiniengui; Камеруне - malassiri, nyada; Либерии - ma yine; Нигере - esso, malasiri, ridi; Сенегале - bene, sesame; Сьерра-Леоне - bene, lagai, ma-yente; Того - djondjong, suage.
Наиболее распространенные возделываемые виды кунжута в Западной и Центральной Африке - Sesamum indicum L., S. radiatum Schum. et Thonn. и S. alatum Thonn. Кунжут был известен в районе Гао в Мали уже в 1150 г. Центром происхождения кунжута считают Западную и Тропическую Африку, где, как указывалось выше, сосредоточено наибольшее число его видов. П.М.Жуковский обращает внимание на то, что "Африка является ареной видообразования рода Sesamum L." [19]. В Конго одичавшие формы кунжута встречаются на песчаных почвах около зарослей кустарников.
В Буркина-Фасо во всех районах возделывают сорта кунжута, относящиеся к видам S. indicum и S. alatum. Посев производят в конце июля, уборку - в конце ноября. В стране встречается до 70 местных сортов кунжута. Кроме местных, высевают селекционные сорта, лучший из которых S 42, интродуцированный из Индии. В южных районах страны хорошо зарекомендовал себя сорт 38.1.7. Семена лучших местных и селекционных сортов кунжута Буркина-Фасо содержат 50-57 % масла светло-желтого цвета, 23,4 % - протеина, 1-2 % - кальция, 1,39 % - фосфора.
В Гвинее кунжут часто выращивают в севооборотах после риса. В Нижней Гвинее, а также в долинах верхнего течения рек Нигер и Мило, вплоть до Курусы и Канкана, кунжут высевают на небольших участках и главным образом вместе с кукурузой, сорго и арахисом. В посевах встречаются в основном сорта, относящиеся к видам S. indicum, S. alatum, S. radiatum. Среди местных сортов кунжута имеются сорта со слабо- и сильноветвистым стеблем зеленой или фиолетовой окраски. Сорта различаются и по окраске семян, которая бывает белой, рыжеватой, коричневой и черной. Форма их плоская. Масса 1000 семян 3-3,5 г. В районе г.Канкан наиболее распространен сорт Bene, в Нзерекоре - Noenyelein. Период вегетации их 3-4 месяца. Урожайность 800-1000 кг/га.
В Камеруне кунжут также является распространенным пищевым растением. Его выращивают во всех районах страны. Но наибольшие площади он занимает в Центрально-Южной и Северной провинциях. Средняя урожайность 365 кг/га, с колебаниями от 250 до 2100 кг/га. В Северном Камеруне распространены местные сорта-Nogme, Zazera [6]. В настоящее время семена кунжута из стран Африки широко экспортируются в Европу и США, где применяются в пищевой промышленности
Зависимость химического состава семян от культивирования в различных географических пунктах
Влияние географических условий на химический состав семян кунжута и свойства масла изучено мало. В отдельных случаях наблюдается относительно небольшая изменчивость общего химического состава всего семени и констант масла; в других случаях количественные изменения в химическом составе семени значительны. Кунжут, выращенный в трех различных пунктах СССР, мало отличался друг от друга по выходу масла, проценту белка и йодному числу [21].
Небольшие изменения в константах масла кунжута отмечаются при изучении образцов масла кунжута из четырех различных географических пунктов (табл.15) [16]. Данные, характеризующие подробный общий химический состав кунжутных семян различных местностей Индии, опубликовал Сельскохозяйственный индийский исследовательский институт в Pusa [102].
Особенно большие колебания, как видно из таблицы 16, заметны на количестве белка (от 17,94 до 25,81 % на сухой вес) и растворимых углеводах (от 9,6 до 18,56%). По количеству масла колебания составляют от 46,20 до 52,27 %. Подробного исследования химического состава масла кунжута в зависимости от географических условий не производилось. Таблица 16 Химический состав семян кунжута из различных районов Индии (в % на сухую массу) Вода Белок Клетчатка Растворимые углеводы Масло Раствори мые минеральные вещества Песоки кремний Общий азот Белковый азот 1.4 Изменение химических веществ в семенах при прорастании, созревании и хранении Как и у других масличных растений, в семенах кунжута при прорастании количество свободных кислот в масле благодаря работе липазы возрастает, а количество масла быстро падает. Изменения в масле кунжута при прорастании представлены в таблицах 17 и 18 [23].
Из таблиц 16 и 17 следует, что при прорастании семян кунжута количество масла в них падает, причем вначале расходуются глицериды более ненасыщенных кислот. Кислотное число масла резко возрастает и на 12-й день равняется 77,3. Йодное число понижается (на 12-й день йодное число -98,8 вместо 110,7 до прорастания).
При созревании семян идет обратный процесс. Постепенно масло в семени накапливается, а кислотное число уменьшается. По мере созревания кунжута в семенах увеличивается абсолютное количество масла, количество же белков падает, изменяется также кислотность масла (табл.19) [3].
По выходу и качественным показателям масла семена кунжута существенно не изменяются при хранении в сухих условиях, даже в продолжение длительного периода времени. По данным Биохимической лаборатории Всесоюзного института растениеводства, масло кунжута почти не изменялось при хранении семян кунжута в течение 3-4 лет (хранение в сухих условиях при влажности семян ниже критической).
Как следует из таблицы 20, при длительном хранении семян заметно повышается только кислотность. При хранении жмыхов кислотность их возрастает весьма значительно. Так, в жмыхах кунжута после 12-недельного хранения в сухих условиях при свободном доступе воздуха происходил прирост свободных кислот с 8,9 до 61,4 % или, в другой пробе, - с 4,9 до 55,0 %. Однако большая кислотность жмыха не является признаком значительной порчи, и жмых может использоваться на корм животным [77].
Масло кунжута выдерживает хранение стойко. По данным М.Соколовой, в свежем масле содержалось 5,35 % кислот (в процентах на олеиновую кислоту), через 3 месяца кислотность повысилась до 5,55 %, а через 6 месяцев - до 5,70 %, то есть изменялась очень слабо [55].
Влияние орошения на урожай кунжута и его качество было прослежено Н.Ивановым и В.Арасимович [22]. Выяснилось, что орошение, в общем, отразилось благоприятно на выходе масла из семян, если при орошении не давалось избытка влаги. Избыток влаги может сильно снижать содержание масла в семенах кунжута, что можно видеть из данных таблицы 21.
Из этих же данных следует, что разные сорта кунжута к орошению относятся неодинаково. Можно различать три случая. Одни сорта при увеличении количества поливов продолжают накапливать масло (например, Турецкий 170), другие при этом могут понижать свою масличность, и, наконец, третья группа сортов (например, Палестинский) не повышает выхода масла при данном им поливе.
Различная чувствительность отдельных сортов кунжута к орошению и снижению масличности при избытке влаги может быть объяснена тем, что поливы давались тогда, когда они были для данных сортов скорее вредными в смысле накопления масла, чем полезными. Возможно, также, что отселекционированные сорта для районов с засушливым климатом не могут быстро реагировать на дачу воды.
Нужно отметить, что при орошении кунжут увеличивает длину вегетационного периода, время накопления масла и белка растягивается, а кривая увеличения выхода масла и уменьшения процента белка остается аналогичной неполивному. Так, процент белка у поливного и у неполивного кунжута по мере созревания уменьшается при увеличении времени вегетации на 15 дней .
Объекты и методы исследования
При изучении влияния тепловой обработки семян кунжута на биохимические характеристики белков применяли сушку семян при различных температурах. Тепловую сушку исследуемых семян кунжута и подсолнечника проводили на стендовой установке МШС - 2, моделирующей процесс сушки в шахтных зерносушилках типа ДСП.
Установка МШС - 2 состоит из шахты, имеющей 4 камеры, в каждую камеру устанавливается рабочая кассета с семенами, дно и крышка, у которой сетчатые. Сушильный агент подается к семенам и отводится через многоходовые воздухораспределители. Установка имеет систему автоматического регулирования температуры сушильного агента, систему регулирования расхода воздуха, измерения и записи температур в контрольных точках.
Измерение скорости сушильного агента проводили в воздуховоде при помощи макро манометра ММН - 240, определяли в слое высушиваемых семян и поддерживали на уровне 0,3 м/с. Перед высушиванием семена увлажняли до влажности 10,0 - 10,5 %. Сушку семян осуществляли по трем режимам при температуре сушильного агента 60, 100 и 130 С, что соответствовало нагреву семян 40,60 и 90 С. Время окончания процесса сушки определяли по достижению семенами влажности 6,0 - 7,0 %. Хранение семян, высушенных при разных температурах, проводили в лабораторных условиях, в эксикаторах над растворами глицерина для поддержания относительной влажности 75%. Температура хранения семян составляла 10 ± 2 С. Исследования семян кунжута проводили по схеме, приведенной на рис.2. Семена кунжута без отделения оболочек измельчали и получали продукт, который в дальнейшем обозначен как полножирная мука. Семена кунжута Сорт Кубанец (Краснодар) Сорт из Йемена Варианты [ обработки 1 г V Семена без изменения Семена после тепловой сушки, С 40 60 90 і і 1 г Общий белок поКьельдалю Получение белковых продуктов J J ь, Полножирная белковая мука Групповой состав белков по Осборну Измельчение семян до прохода через 1 мм сито Аминокислотный состав Экстракция липидов гексаном при 4 С Диск - электрофорез в ПААГе Измельчение семян до прохода через 0,25 мм сито Белковый концентрат W Гель - хроматография на сефедексе G-100 Обработка 10%NaCl V Биологическая ценность по тест-организму Тетрахимена пириформис Осаждение глобулинов 2 % СН3СООН Белковыйизолят (препарат глобули- 1 г Функциональные и технологические свойства Лиофильная сушка осадка глобулинов Сумма липидов, углеводов, минеральных элементов нов) L семян Полученный лабораторный шрот высушивали под тягой до полного испарения растворителя, дополнительно измельчали до прохода через сито с отверстиями диаметром 0,25 мм и получали продукт, который был назван «обезжиренная мука» или «белковый концентрат».
Для получения препаратов глобулина или белкового изолята -обезжиренный тонко измельченный белковый концентрат заливали десятикратным количеством 10%-го раствора хлорида натрия, взбалтывали на механической мешалке в течение одного часа и оставляли при температуре 8С на 15-18 часов. По истечении указанного времени, раствор белка отделяли от плотного остатка центрифугированием. Полученный осадок вновь заливали пятикратным количеством 10%-го раствора хлорида натрия, перемешивали, взбалтывали и центрифугировали в течение 10 минут при 4-5 тыс. об/мин. Такую экстракцию повторяли 4-5 раз до исчезновения реакции на белок. Экстракты объединяли, белки осаждали путем подкисления 2%-м раствором уксусной кислоты. Осажденные белки подвергали очистке путем диализа через целлофановую мембрану против дистиллированной воды до отрицательной реакции на ионы хлора.
После диализа осадок глобулинов центрифугировали и подвергали лиофильной сушке, измельчали и получали продукт названный, «белковый изолят». Полученные белковые продукты семян кунжута - полножирную муку, белковый концентрат и белковый изолят использовали для исследования их биохимических показателей и функциональных свойств, а также вводили в рецептуру кулинарных и кондитерских изделий в качестве белковых добавок или заменителей основных компонентов рецептуры пищевых продуктов. Влажность семян кунжута и белковых продуктов - полножирной муки, белковых концентрата и белкового изолята определяли высушиванием до постоянной массы при температуре 105 С [67]. Результаты двух последовательных взвешиваний отличались не более чем на 0,1 % массы навески (ГОСТ 3626-73).
Массовую долю золы определяли путем сжигания пробы в муфельной печи [67]. Определение содержания жира проводили с помощью метода основанного на экстрагировании жира из навески исследуемого материала в экстракционном аппарате Сокслета петролейным эфиром с температурой кипения 50-60 С (ГОСТ 5867-90).
Для этого в патрон из фильтровальной бумаги брали навеску массой 5 г, высушивали в течение 2 часов при температуре 100-105 С, охлаждали в эксикаторе и помещали в экстракционный аппарат Сокслета, который соединяли с приемной колбой и холодильником. В колбу предварительно налили петролейный эфир. В холодильник аппарата пускали воду. Нагревали колбу с эфиром на водяной бане. Жир экстрагировали в течение 8 часов. По окончании экстрагирования жира эфир из колбы отгоняли на водяной бане, колбу с жиром высушивали при температуре 100-105 С в течение 1,5 часов.
Белковые продукты, получаемые из семян кунжута и их биохимические и функциональные свойства
Сопоставление результатов определения растворимости белкового комплекса сравниваемых семян, их электрофоретического разделения на субъединицы в ПААГе и на сефадексе G 100, показало, что различия в составах белков семян кунжута, возделываемых в условиях относительно пониженной температуры и повышенной влажности географических условий г.Краснодара по сравнению с географическими условиями Йемена относительно невелики и проявляются в изменении количества общего белка, повышении доли щелочерастворимых и снижении доли водорастворимых белков, а также в степени гетерогенности субъединичного состава белков. Различие между белками сравниваемых сортов кунжута наиболее четко проявилось в соотношении относительного содержания групп белков по растворимости. Белковые продукты семян кунжута, их биохимические и функциональные свойства
В настоящее время в пищевой промышленности применяются в качестве пищевых добавок, наполнителей и улучшителей нескольких видов белковых продуктов получаемых из семян злаковых, бобовых и некоторых масличных культур, которые в зависимости от содержания белка условно делят на три группы: - мука из измельченных семян или ядра семян, содержащая до 50 % белка; - белковый концентрат - до 70 % белка; - белковый изолят - 90 % белка и более. При получении белковых продуктов из сравниваемых семян кунжута мы применяли измельчение, обезжиривание гексаном и получение изолированного белка. Были получены три вида белковых продуктов: - тонко измельченные необезжиренные семена кунжута - полножирная мука; - обезжиренные тонко измельченные семена - обезжиренная гексаном мука или белковый концентрат; - изолированный белок глобулиновой фракции, полученный солевой экстракцией из обезжиренных измельченных семян - белковый изолят. Химический состав белковых продуктов из кунжута приведен в таблице 31. Таблица 31 Химический состав продуктов из семян кунжута Показатели, % на сухое вещество Полножирнаямука Белковый концентрат Белковый изолят Масличность 56,27 8,46 1,16 Зола 5,16 8,62 1,18 Углеводы, включая целлюлозу 9,15 10,90 Влажность 6,41 9,61 8,10 Белок (Nx6,25) 23,01 62,41 89,56 Как следует из приведенных данных, полножирная мука содержит 23 % белка, концентрат - 62 %, а белковый изолят содержит около 90 % белка.
При сравнении химического состава полножирной муки и белкового концентрата следует, что в процессе обезжиривания наблюдается увеличение относительного содержания целлюлозы, зольных веществ и белка, происходит также изменение влажности продукта. Дальнейшие исследования были направлены на выяснение возможности использования полученных белковых продуктов из семян кунжута в качестве пищевых добавок, или заменителей традиционных ингредиентов в рецептуре пищевых продуктов для повышения биологической ценности кулинарных и кондитерских изделий.
Влияние белковых продуктов на качество готовых изделий и течение технологических процессов их производства во многом определяется как биологическими свойствами белков, так и их функциональными свойствами. В связи с этим, для научного обоснования и поиска путей рационального использования белкового комплекса семян конкретного масличного растения -изучение и оценка функциональных свойств его белков является обязательным. К сожалению, функциональные свойства белков многих масличных растений исследованы недостаточно. Наиболее обстоятельно изучены функциональные свойства белков сои [47]. Отдельные исследования посвящены функциональным свойствам белков подсолнечника [24, 66], ряд работ посвящен изучению функциональных характеристик белков злаковых растений [28, 37]. В то же время, почти не исследованы функциональные свойства белков и белковых продуктов, полученных из семян кунжута [2].
В процессе обезжиривания семян кунжута и получения белковых продуктов наблюдалось изменение функциональных свойств белков (табл.32). Результаты исследования показали, что по ряду показателей лучшими функциональными свойствами обладает белковый концентрат. Белковый изолят, представляющий собой практически чистые суммарные белки кунжута, может быть использован в пищевых продуктах для повышения содержания белка и улучшения его биологической ценности, но как пенообразователь или стабилизатор пены он уступает белковому концентрату. Эти функциональные свойства наиболее ярко выражены у необезжиренной муки.
