Effect of the microwave treatment on anti-nutrients of soybeans

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Отмечается наличие проблемы, ограничивающей применение сои и комбикормов на ее основе для питания сельскохозяйственных животных и птиц. Соевые бобы содержат антипитательные вещества, такие как уреазы, ингибиторы протеаз — трипсин и химотрипсин [1]. Поэтому в сыром виде соевые бобы не предназначены для корма. Для инактивации этих веществ применяют различные методы обработки сои, включая термические.

Было показано устранение антипитательных веществ нута после микроволновой обработки [2], а также снижение витамина B. Однако, при использовании автоклавирования или кипячения снижение было еще больше. Безусловным преимуществом считается сокращение времени микроволновой обработки бобовых и зерновых культур [3]. Следует отметить, что микроволновая обработка оказывает обеззараживающий эффект на зерно [4]. Кроме этого, отмечается магнитобиологический эффект при обработке микроволнами зерна [5]. Установлено увеличение скорости химических реакций в зернобобовых [6].

Влияние микроволновой обработки на активность ингибиторов уреазы и трипсина в соевых бобах широко не исследовалось, но последнее было продемонстрировано ранее в некоторых лабораторных отчетах [7].

Соевые бобы характеризуются относительно низким содержанием крахмала. Тем не менее, контроль степени его желатинизации в процессах термической обработки также важен.

Цель исследований — изучение влияния микроволновой обработки в сравнении с микронизацией и автоклавированием на антипитательные вещества соевых бобов для фуража и пищи.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Были закуплены соевые желтые бобы двух сортов Dongsheng 22 китайского производства и СК Альта российского производства. Для проведения экспериментов весь закупленный объем бобов был поделен на 5 партий: контрольные (влажность 10%), контрольные (влажность (20%), опытные (микронизация), опытные (автоклавирование), опытные (микроволны). Вес каждой партии была не менее 2,5 кг, а при необходимости и более. Влажность измерялась при помощи устройства «Влагомер зерна Фауна-М» [8]. Температура измерялась термопарой и пирометром FLUKE 561.

Всего было выделено три опытные партии бобов. Соевые бобы первой опытной партии были подвергнуты инфракрасной микронизации в лабораторных условиях с использованием стандартного серийно выпускаемого оборудования при температуре не выше 140°C в течение 15 мин.

Вторая опытная партия соевых бобов подвергалась обработке в автоклаве в лабораторных условиях с использованием известного оборудования при температуре не более 120°C в течение 10 мин.

Третья опытная партия соевых бобов обрабатывалась при помощи разработанной микроволновой установки в лабораторных условиях при температуре не более 90°C в течение 5 мин [9].

На рис. 1 показана микроволновая установка с загружаемыми и выгружаемыми соевыми бобами.

Рис. 1. Микроволновая установка: 1 — загрузочная секция; 2 — соевые бобы контрольные; 3 — рабочие отсеки; 4 — стойки; 5 — мотор; 6 — выгрузная секция; 7 — соевые бобы обработанные; 8 — стол; 9 — корпус; 10 — магнетроны.

Fig. 1. The microwave unit: 1 — a loading section; 2 — reference soybeans; 3 — operating sections; 4 — struts; 5 — a motor; 6 — a discharge section; 7 — treated soybeans; 8 — a table; 9 — a body structure; 10 — magnetrons.

Соевые бобы двух сортов увлажнялись до 20% влажности, а затем загружались в загрузочную секцию и рабочие отсеки установки. В течение 5 мин бобы подвергались воздействию потока микроволн от магнетронов. Мотор, смонтированный на стойках и монтажном столе, приводит во вращение вал, на оси которого закреплены шесть лопастей под углом 60 градусов. Шесть лопастей формируют шесть рабочих отсеков одинакового объема в корпусе. Вращение лопастей обеспечивает распределение соевых бобов в отсеки, а также их равномерный нагрев.

Для достоверности опыты проводились в трехкратной повторности. Данные опытов анализировались на предмет соответствия научной интуиции и гипотезе. Основные данные выражены в средних значениях с отклонениями. Была проведена дисперсионная оценка по стандартному методу [10]. Использовался критерий Дункана для определения статистической значимости опытных данных с достоверностью 95% и значимостью p ≤ 0,05.

Соевые бобы двух сортов увлажнялись до 20% влажности, а затем загружались в загрузочную секцию и рабочие отсеки установки. В течение 5 мин бобы подвергались воздействию потока микроволн от магнетронов. Мотор, смонтированный на стойках и монтажном столе, приводит во вращение вал, на оси которого закреплены шесть лопастей под углом 60 градусов. Шесть лопастей формируют шесть рабочих отсеков одинакового объема в корпусе. Вращение лопастей обеспечивает распределение соевых бобов в отсеки, а также их равномерный нагрев.

Для достоверности опыты проводились в трехкратной повторности. Данные опытов анализировались на предмет соответствия научной интуиции и гипотезе. Основные данные выражены в средних значениях с отклонениями. Была проведена дисперсионная оценка по стандартному методу [10]. Использовался критерий Дункана для определения статистической значимости опытных данных с достоверностью 95% и значимостью p ≤ 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Крахмал, фенолы, флавоноиды, антиоксидантная активность, а также основные антипитательные вещества были измерены в контрольных образцах соевых бобов при температуре 20% и влажности 10, 20% до обработки и в опытных образцах при трех видах обработки влажности 10%.

Было проведено 90 измерений крахмала, фенолов, флавоноидов и антиоксидантной активности соевых бобов Dongsheng 22 и СК Альта.

Крахмал определялся экспресс методом желатинизации соевых бобов на водяной бане при добавлении α-амилазы. Далее проводилась инкубация и определение глюкозы при добавлении реагента (ГОСТ 6493-2015).

Общее содержание фенолов определяли, используя реагент Folin-Ciocalteu и галловую кислоту [11]. Реагент, галловую кислоты и дистиллированную воду перемешивали и инкубировали. Спектрофотометром IRIS HI801-02 измеряли поглощение при 760 нм. Общее содержание фенолов выражали в мг·ГАЕ/г.

Содержание флавоноидов определялось колориметрическим методом при использовании катехина, NaNO₂, раствора AlCI₃ и спектрофотометра [12]. Флавоноиды выражали в мг·катехин/г.

Антиоксидантная активность соевых бобов измерялась по стандартному методу, как способность восстанавливать железо [13]. В пробах, перемешанных с реагентом, измеряли поглощение при 593 нм после инкубации на водяной бане. Реагент выбирался по параметру снижения антиоксидантной силы железа, данные выражали в ммоль·FE/100 г.

В табл. 1 показаны средние значения из трёх повторностей с вариациями в пределах от ±0,05 до ±0,10 для содержания крахмала, фенольных соединений, флавоноидов и антиоксидантной активности соевых бобов Dongsheng 22 и СК Альта. Данные, отмеченные одной и той же буквой в каждом столбце для одного и того же сорта, повторяются.

Таблица 1. Содержание крахмала, фенолов и антиоксидантная активность соевых бобов

Table 1. Content of starch, phenols and antioxidant activity of soybeans

Общее количество крахмала в бобах СК Альта было меньше, чем в бобах Dongsheng 22. Содержание фенольных соединений, флавоноидов и антиоксидантная активность в бобах СК Альта были выше, чем в бобах Dongsheng 22.

Уменьшение общего количества крахмала соответствовало содержанию желатинизированного крахмала. После инфракрасной микронизации снижение общего крахмала составило не более 10% для Dongsheng 22, 16% для СК Альта; после автоклавирования и микроволновой обработки для Dongsheng 22 составила 15%, для СК Альта составила 17%. Результаты отличаются от результатов исследования ячменя, в котором микроволновое нагревание ячменя показало меньшую желатинизацию крахмальных зёрен по сравнению с обработкой инфракрасным излучением [14]. Это связано с более крупным размером соевых бобов по сравнению с ячменем. Повышенный процент клейстеризации крахмала способствует повышению усвояемости животными полезных компонентов сои. Перед измельчением соевые бобы рекомендуется предварительно нагреть в автоклаве или микроволновой печи, а затем добавить в смешанный зерновой корм.

Микронизация и автоклавирование не оказали существенного влияния на общее содержание фенолов в обоих сортах соевых бобов. После микроволновой обработки общее содержание фенолов в бобах Dongsheng 22 и СК Альта увеличилось, но незначительно — на 4–5%. Содержание флавоноидов в бобах Dongsheng 22 и СК Альта увеличивалось после микронизации на 7–9% и микроволновой обработки не более чем на 16%. После автоклавирования содержание флавоноидов не изменилось. После микронизации и автоклавирования соевых бобов изменений антиоксидантной активности не наблюдалось. После микроволновой обработки антиоксидантная активность соевых бобов незначительно повышалась на 3–5%. Полученные данные не полностью соответствуют данным других исследователей. Исследование влияния приготовления риса в микроволновой печи показало увеличение содержания фенолов и антиоксидантной активности [15]. Аналогичное исследование выявило увеличение концентрации, активности ингибитора α-амилазы и общего содержания фенолов после микроволновой обработки на фоне микронизации, что может увеличивать только некоторые фенольные компоненты в бобах [16]. Если сравнить данные для риса и фасоли, то у них удельная мощность микроволн была выше. Возможно, это наблюдение позволит в будущем улучшить данные по общему содержанию фенолов. Для увеличения общего содержания фенолов можно увеличить мощность магнетрона, время обработки или вес перерабатываемых соевых бобов. Особенности конструкции экспериментальной микроволновой установки позволяют увеличить полную энергию, подводимую к бобам, за счет подключения к установке дополнительных магнетронов. Увеличение общего содержания фенола в целом сложно охарактеризовать однозначно. В состав входят полезные флавоноиды в ограниченной концентрации и вредные дубильные вещества. Небольшое процентное увеличение содержания флавоноидов в соевых бобах за счет микронизации и микроволновой обработки окажет положительное влияние на корм.

Ингибитор трипсина определялся по стандартному методу [17]. В сырых и опытных образцах соевых бобов производилась экстракция ингибитора трипсина при 9,5 ед. рН. Активность трипсина ингибировалась при использовании в качестве субстрата бензоил-L-аргинин-р-нитроанилид, определении Оставшаяся активность трипсина определялась путем спектрофотометрического измерения высвобожденного р-нитроанилина и вычисления трипсинингибирующей активности. Применялся лабораторный спектрофотометр IRIS HI801-02 (410 нм).

Таннины определялись экстрагированием соевых бобов в растворе метаноле с соляной кислотой. Было проведено центрифугирование и последующее их извлечении путем добавления реагента ванилин-соляная кислота к аликвотной части верхнего слоя жидкости. При помощи спектрофотометра IRIS HI801-02 измерялась оптическая плотность полученного раствора при длине волны в 500 нм. Определение таннинов проводилось по градуировочному графику, построенному по дубильной кислоте [18].

Фитиновая кислота определялась по методу с использованием реагента Wade [19]. В образцы соевых бобов добавляли раствор соляной кислоты и центрифугировали. Затем при перемешивании добавлялся реагента Wade. Расчет фитиновой кислоты проводился по уровню поглощения при 520 нм спектрофотометрическими измерениями IRIS HI801-02.

Было проведено 90 измерений антипитательных веществ, из них по 15 раз для каждого сорта измеряли активность ингибитора трипсина, дубильные вещества и фитиновую кислоту. Кроме этого, были измерены указанные антипитательные вещества у нагретых не остуженных опытных образцов соевых бобов. Данные по нагретым соевым бобам повторили данные по остуженным. Существенных отличий в них обнаружено не было.

В табл. 2 сведены средние значения из трех повторностей. Стандартные отклонения были от ±0,05 до ±0,10. Отмеченные одинаковой буквой данные существенных отличий не имеют.

Таблица 2. Антипитательные вещества в соевых бобах (в пересчете на сухой вес)

Table 2. Anti-nutrients in soybeans (in equivalent of dry weight)

Были повторены данные по антипитательным веществам сои для двух сырых необработанных образцов сои при различном содержании влаги. Влияние влаги на антипитательные вещества в соевых бобах было незначительным.

Ингибирующая активность трипсина была повторена в двух изученных сортах сои. Танины и фитиновая кислота были выше в бобах СК Альта.

Инфракрасная микронизация соевых бобов снижала активность ингибитора трипсина на 73–74%, автоклавирование — на 77–79%. Наиболее значительное снижение на 80% для обоих сортов произошло после микроволновой обработки. Данные по сортам колебались в аналогичном диапазоне. Аналогичные данные были представлены в статье о бобовых Macrotyloma uniflorum [20]. Низкий процент снижения ингибитора трипсина при микронизации обусловлен относительно крупным размером соевых бобов. Поверхностное инфракрасное нагревание соевых бобов характеризуется относительно длительным временем обработки. Автоклавирование обеспечило примерно такой же процент снижения содержания ингибиторов трипсина при примерно одинаковом времени обработки по сравнению с микроволновой печью. Но энергопотребление при автоклавировании было в 2 раза больше, чем при обработке в микроволновой печи.

Танины также снизились после всех обработок. Результаты снижения содержания танина в соевых бобах соответствовали данным, полученным для сорго, но с некоторыми отличиями [21]. Наиболее значительное снижение дубильных веществ на 10–12% произошло после микроволновой обработки за счет разрушения структуры сои за счет растрескивания лузги. После микронизации и автоклавирования данные о снижении содержания танинов немного ниже — 7–9%. Данные по танину для двух сортов сои варьировались в одинаковых пределах. Результаты снижения содержания дубильных веществ при увеличении общего содержания фенолов и антиоксидантной активности после микроволновой обработки не повторяют результаты работ по африканскому сорго. По данным, полученным в исследовании африканского сорго, содержание танинов, включая дубильные вещества, коррелирует с общим содержанием фенолов и антиоксидантной активностью [22]. Однако, общее фенольное содержание соевых бобов, помимо танина, содержит, среди прочего, флавоноиды, фенилпропаноиды, стильбены, лигнаны и лигнины. Содержание флавоноидов в бобовых преобладает над всеми остальными компонентами. Таким образом, увеличение общего содержания фенолов было связано с увеличением флавоноидов в соевых бобах при микроволновой обработке.

Данные о снижении содержания фитиновой кислоты в бобах (Dongsheng 22 и СК Альта) на 43–45% после всех рассмотренных видов обработки были повторены. Результаты в некоторой степени повторяют исследования бобовых сорта Bauhinia purpurea L. [23]. Эффект был получен за счет поверхностного давления соевых бобов во время автоклавирования и внутреннего давления в каждом семени бобов во время микроволновой обработки. Кроме того, сказывалась высокая температура при микронизации. Предварительное замачивание соевых бобов способствовало вымыванию фитиновой кислоты из воды. Изменилась химическая структура и уменьшилось содержание фитиновой кислоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Микронизация показала меньшую желатинизацию крахмала по сравнению с автоклавированием и микроволновой обработкой. Фенолы, флавоноиды и антиоксидантная активность были немного увеличены при микроволновой обработке. Микроволновая обработка соевых бобов по сравнению с микронизацией и автоклавированием показала наибольшее снижение антипитательных веществ. Тенденция изменения данных для двух сортов сои повторилась. Снижение антипитательных веществ позволяет рекомендовать микронизацию, автоклавирование и микроволновую обработку перед измельчением сои на корм сельскохозяйственных животным. Более мягкий температурный режим воздействия и цикличность процессов нагрева и остывания при микроволновой обработке увеличивает сохранность соевых бобов. Высокая скорость нагрева и низкие энергетические затраты микроволновой обработки в сравнении с инфракрасной микронизацией и автоклавированием обеспечивают экономическую целесообразность.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing interests. The author declares that he has no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Alexander A Belov

Author for correspondence.
Email: belov-aa-chgsha@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9216-9852
SPIN-code: 7360-5859

Dr. Sci. (Engineering), Senior Researcher of the Electrical and Heat Technologies Laboratory

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The microwave unit: 1 — a loading section; 2 — reference soybeans; 3 — operating sections; 4 — struts; 5 — a motor; 6 — a discharge section; 7 — treated soybeans; 8 — a table; 9 — a body structure; 10 — magnetrons.

Download (98KB)

Indexing metadata