vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2021-11-3-384-392vuzbiochemi-646Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYПодбор мультиэнзимной композиции и условий подготовки концентрированного зернового суслаSelecting multi-enzyme composition and preparation conditions for strong wortСербаЕ. М.SerbaE. M.

Серба Елена Михайловна, д.б.н., член-корреспондент РАН, заместитель директора

111033, Москва, Самокатная, 4б

Elena M. Serba, Dr. Sci. (Biology), Corresponding member of RAS; Deputy Director

4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033

serbae@mail.ruРимареваЛ. В.RimarevaL. V.

Римарева Любовь Вячеславовна, д.т.н., академик РАН, главный научный сотрудник

111033, Москва, Самокатная, 4б

Luybov V. Rimareva, Dr. Sci. (Engineering), Academician of RAS, Chief Researcher

4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033

lrimareva@mail.ruОверченкоМ. Б.OverchenkoM. B.

Оверченко Марина Борисовна, к.т.н., ведущий научный сотрудник

111033, Москва, Самокатная, 4б

Marina B. Overchenko, Cand. Sci. (Engineering), Leading Researcher

4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033

mb_over@mail.ruИгнатоваН. И.IgnatovaN. I.

Игнатова Надежда Иосифовна, научный сотрудник

111033, Москва, Самокатная, 4б

Nadezda I. Ignatova, Researcher, Russian Research Institute of Food Biotechnology

4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033

ignatova59@mail.ruМедришМ. Э.MedrishM. E.

Медриш Марина Эдуардовна, к.т.н., заведующая испытательной лабораторией технологического контроля и арбитражных методов анализа

111033, Москва, Самокатная, 4б

Marina E. Medrish, Cand. Sci. (Engineering), Head of Testing Laboratory of Technological Control and Arbitration Analysis Methods

4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033

medrishm@mail.ruПавловаА. А.PavlovaA. A.

Павлова Анжелика Андреевна, инженер-технолог 1-й категории

111033, Москва, Самокатная, 4б

Anzhelika A. Pavlova, Engineer-technologist

4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033

pavlovaanzhelika98@gmail.ruСоколоваЕ. Н.SokolovaE. N.

Соколова Елена Николаевна, к.б.н., ведущий научный сотрудник

111033, Москва, Самокатная, 4б

Elena N. Sokolova, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher

4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033

elenaniksokolova@inbox.ruВсероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии - филиал ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»РоссияRussian Research Institute of Food Biotechnology, Federal Research Center of Nutrition and BiotechnologiesRussian Federation202106102021113384392Copyright © Серба Е.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Медриш М.Э., Павлова А.А., Соколова Е.Н., 20212021Серба Е.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Медриш М.Э., Павлова А.А., Соколова Е.Н.Serba E.M., Rimareva L.V., Overchenko M.B., Ignatova N.I., Medrish M.E., Pavlova A.A., Sokolova E.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/646

Резюме: В целях создания ресурсосберегающих биотехнологий глубокой переработки зернового сырья актуальным является поиск эффективного способа получения концентрированного зернового сусла для спиртового производства. Чтобы обеспечить качественные показатели биохимического состава и реологических свойств концентрированного сусла, необходим подбор оптимальных ферментных систем и условий глубокой конверсии высокомолекулярных полимеров зерна. Проведенными ранее исследованиями доказана эффективность применения карбогидраз для обработки зернового сырья. Однако практически отсутствуют данные, касающиеся изучения каталитического действия фитазы, в том числе в комплексе с другими гидролитическими фермента ми, на степень гидролиза полимеров зернового сырья при приготовлении концентрированного сусла. В настоящей работе показано влияние протеаз и фитаз в составе мультиэнзимной композиции, а также условий ферментативной обработки сырья, на реологические и биохимические показатели концентрированного зернового сусла. В качестве объектов исследования были пшеница, рожь и кукуруза Установлено, что синергизм совместного действия исследованных гидролаз, в том числе фитолитических и протеолитических ферментов, способствовал повышению степени конверсии полимеров данного зернового сырья и увеличению концентрации растворимых сухих веществ сусла в 1,5 раза. Использование в составе мультиэнзимного комплекса протеаз и фитаз позволило увеличить в сусле концентрацию: глюкозы – в 1,2–1,3 раза; аминного азота – в 1,5–2,2 раза; ионов фосфора – в 1,4–4,3 раза. При этом в опытных вариантах сусла содержание аминокислот в свободной форме увеличилось более чем в 4 раза. Показано, что подготовка зернового сырья при температуре 80–90 ºС в течение 6 ч и продолжительности осахаривания в течение 1–2 ч с использованием полного комплекса ферментов, содержащего α-амилазу, глюкоамилазу, ксиланазу, протеазу и фитазу, позволяет получить концентрированное зерновое сусло с содержанием сухих веществ более 30%. При этом отмечено существенное снижение вязкости (особенно ржаного сусла – в 1,3–1,9 раза). Результаты исследований подтвердили важную роль ферментов, проявляющих субстратную специфичность по отношению к белковым и фитиновым полимерам зернового сырья.

Abstract: Development of sustainable biotechnologies for deep processing of grain raw materials requires effective mechanisms of obtaining strong wort for alcohol production. To provide qualitative characteristics of biochemical composition and rheological properties of strong wort, it is necessary to select optimal enzyme systems and conditions for deep conversion of high-molecular weight polymers of the grain. Previous research has proven the efficiency of carbohydrases for processing grain raw materials. However, there is little evidence on the catalytic effect of phytase, including in combination with other hydrolytic enzymes, on the degree of hydrolysis of polymers in grain raw materials when preparing strong wort. This paper demonstrates the effect of proteases and phytases in a multi-enzyme composition, as well as the conditions of enzymatic processing of raw materials, on the rheological and biochemical parameters of strong wort. Wheat, rye and corn were investigated. The synergism of the combined effect of studied hydrolases, including phytolytic and proteolytic enzymes, contributed to an increase in polymer conversion in this grain raw material and the concentration of soluble dry substances of the wort by 1.5 times. Using the proteases and phytases in the multienzyme composition allowed the concentration of the following components in the wort to be increased: glucose – by 1.2–1.3 times; amine nitrogen – by 1.5–2.2 times; phosphorus ions – by 1.4–4.3 times. Additionally, in the wort samples, the content of amino acids in the free form increased by over 4 times. It is shown that the pretreatment of grain raw materials at a temperature of 80–90ºС for 6 hours and saccharification for 1–2 hours using a complete complex of enzymes containing α-amylase, glucoamylase, xylanase, protease and phytase, allows a strong wort with a dry matter content of over 30% to be obtained. Moreover, a significant decrease in viscosity was noted (particularly for rye wort – by 1.3–1.9 times). Our results confirm the essential role of enzymes exhibiting substrate specificity to protein and phytic polymers in grain raw materials.

протеазыфитазызерновое суслоуглеводыфосфатыаминокислотымультиэнзимная композицияproteasesphytasesgrain wortcarbohydratesphosphatesamino acidsmultienzyme compositionИсследования проведены за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук.The study was supported by the Fundamental Scientific Research Program for the State Academies of Sciences.ReferencesСерба Е.М., Оверченко М.Б., Римарева Л.В. Биотехнологические основы микробной конверсии концентрированного зернового сусла в этанол: монография. М.: Библио-Глобус, 2017. 120 с. https://doi.org/10.18334/9785950050169Serba EM, Overchenko MB, Rimareva LV. Biotechnological bases of microbial conversion of concentrated grain mash into ethanol. Moscow: Biblio- Globus; 2017. 120 p. (In Russian) https://doi.org/10.18334/9785950050169Зуева Н.В., Агафонов Г.В., Корчагина М.В., Долгов А.Н., Чусова А.Е. Выбор ферментных препаратов и температурно-временных режимов водно-тепловой и ферментативной обработки при разработке комплексной технологии переработки зернового сырья // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. N 1. С. 112–119. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2019-1-112-119Zueva NV, Agafonov GV, Korchagina MV, Dolgov AN, Chusova AE. Selection of enzyme preparations and temperature-time regimes of water-heat and enzymatic treatment in the development of complex technology of processing of grain raw materials. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii = Proceedings of VSUET. 2019;81(1):112–119. (In Russian) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2019-1-112-119Кривченко В.А., Туршатов М.В., Соловьев А.О., Абрамова И.М. Спиртовое производство – технологическая основа комплексной переработки зерна с получением пищевых продуктов // Пищевая промышленность. 2019. N 4. С. 53–54. https://doi.org/10.24411/0235-2486-2019-10027Krivchenko VA, Turshatov MV, Solovyev AO, Abramova IM. Ethanol production is a technological basis of grain complex processing with foodstuff producing. Pishchevaya promyshlennost' = Food Industry. 2019;4:53–54. (In Russian) https://doi.org/10.24411/0235-2486-2019-10027Родионова Н.А., Капрельянц Л.В., Середницкий П.В., Килимник А.Ю. Гемицеллюлозы зерна и ферменты, катализирующие их расщепление // Прикладная биохимия и микробиология. 1992. Т. 28. N 5. С. 645–664.Rodionova NA, Kaprel'yants LV, Serednitskii PV, Kilimnik AYu. Hemicelluloses of grains and enzymes that catalyze their breakdown. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya = Applied Biochemistry and Microbiology. 1992;28(5):645–664. (In Russian)Серба Е.М., Абрамова И.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Грунин Е.А. Влияние ферментных препаратов на технологические показатели зернового сусла и качество спирта // Пиво и напитки. 2018. N 1. С. 50–54. https://doi.org/10.24411/2072-9650-2018-00002Serba EM, Abramova IM, Rimareva LV, Overchenko MB, Ignatova NI, Grunin EA. Influence of enzymatic preparations on technological parameters of grain wort and quality of alcohol. Pivo i napitki = Beer and beverages. 2018;1:50–54. (In Russian) https://doi.org/10.24411/2072-9650-2018-00002Серба Е.М., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Белокопытова Е.Н., Римарева Л.В. Состав концентрированного зернового сусла, приготовленного из различных видов зернового сырья // Актуальные вопросы индустрии напитков. 2018. N 2. С. 166–170. https://doi.org/10.21323/978-5-6041190-3-7-2018-2-166-170Serba EM, Overchenko MB, Ignatova NI, Belokopytova EN, Rimareva LV. Composition of concentrated grain wort, prepared from various types of grain raw materials. 2018;2:166–170. (In Russian) https://doi.org/10.21323/978-5-6041190-3-7-2018-2-166-170Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Шелехова Н.В., Серба Е.М., Мартыненко Н.Н. [и др.]. Влияние ферментных комплексов на метаболизм спиртовых дрожжей и накопление ионов неорганической природы в концентрированном зерновом сусле // Вестник российской сельскохозяйственной науки. 2016. N 3. С. 28–31.Rimareva LV, Overchenko MB, Ignatova NI, Shelekhova NY, Serba YeM, Martynenko NN, et al. Influence of ferment complexes on metabolism of alcoholic yeast and accumulation of ions of nonorganic nature in concentrated grain wort. Vestnik Rossiiskoi sel'skokhozyaistvennoi nauki = Vestnik of the Russian Agricultural Science. 2016;3:28–31. (In Russian)Зуева Н.В., Агафонов Г.В., Корчагина М.В., Долгов А.Н. Влияние ферментных препаратов на основные показатели продуктов при разработке технологии переработки концентрированного сусла на этанол // Вестник ВГУИТ. 2017. Т. 79. N 2. С. 191–197. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2017-2-191-197Zueva NV, Agafonov GV, Korchagina MV, Dolgov AN. Effect of enzyme preparations on the main parameters of products in the development of processing technology of concentrated wort on ethanol. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii = Proceedings of VSUET. 2017;79(2):191–197. (In Russian) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2017-2-191-197Guillaume A., Thorigné A., Carré Y., Vinh J., Levavasseur L. Contribution of proteases and cellulases produced by solid-state fermentation to the improvement of corn ethanol production // Bioresources and Bioprocessing volume. 2019. Vol. 6. Issue 7. https://doi.org/10.1186/s40643-019-0241-0Guillaume A, Thorigné A, Carré Y, Vinh J, Levavasseur L. Contribution of proteases and cellulases produced by solid-state fermentation to the improvement of corn ethanol production. Bioresources and Bioprocessing. 2019;6(7):12 p. https://doi.org/10.1186/s40643-019-0241-0Carli L.D., Schnitzler E., Ionashiro M., Szpoganicz B., Rosso N.D. Equilibrium, termoanalytical and spectroscopic studies to characterize phytic acid complexes with Mn (II) and Co (II) // Journal of the Brazilian Chemical Society. 2009. Vol. 20. Issue 80. P. 1515–1522. https://doi.org/10.1590/S0103-50532009000800019Carli LD, Schnitzler E, Ionashiro M, Szpoganicz B, Rosso ND. Equilibrium, termoanalytical and spectroscopic studies to characterize phytic acid complexes with Mn (II) and Co (II). Journal of the Brazilian Chemical Society. 2009;20(80):1515–1522. https://doi.org/10.1590/S0103-50532009000800019Benesova K., Belakova S., Mikulikova R., Svoboda Z. Survey of the analytical methods for the phytic acid determination // Kvasny Prumysl. 2013. Vol. 59. Issue 5. P. 127–133. https://doi.org/10.18832/kp2013013Benesova K, Belakova S, Mikulikova R, Svoboda Z. Survey of the analytical methods for the phytic acid determination. Kvasny Prumysl. 2013;59(5): 127–133. (In Czech) https://doi.org/10.18832/kp2013013Mikulski D., Klosowski G. Phytic acid concentration in selected raw materials and analysis of its hydrolysis rate with the use of microbial phytases during the mashing process // Journal of the Institute of Brewing. 2015. Vol. 121. Issue 2. P. 213–218. https://doi.org/10.1002/jib.221Mikulski D, Klosowski G. Phytic acid concentration in selected raw materials and analysis of its hydrolysis rate with the use of microbial phytases during the mashing process. Journal of the Institute of Brewing. 2015;121(2):213–218. https://doi.org/10.1002/jib.221Dost K., Tokul O. Determination of phytic acid in wheat and wheat products by reverse phase high performance liquid chromatography // Analytica Chimica Acta. 2006. Vol. 558. Issue 1-2. P. 22–27. http://dx.doi.org/10.1016/j.aca.2005.11.035Dost K, Tokul O. Determination of phytic acid in wheat and wheat products by reverse phase high performance liquid chromatography. Analytica Chimica Acta. 2006;558(1-2):22–27. http://dx.doi.org/10.1016/j.aca.2005.11.035Greiner R., Konietzny U. Phytase for food application // Food Technology and Biotechnology. 2006. Vol. 44. Issue 2. P. 125–140.Greiner R, Konietzny U. Phytase for food application. Food Technology and Biotechnology. 2006;44(2):125–140.Kruger J., Oelofse A., Taylor J., Taylor J.R.N. Potential for improvement in yeast nutrition in raw whole grain sorghum and maize lager brewing and bioethanol production through grain genetic modification and phytase treatment // Journal of the Institute of Brewing. 2012. Vol. 118. Issue 1. P. 70–75. https://doi.org/10.1002/jib.86Kruger J, Oelofse A, Taylor J, Taylor JRN. Potential for improvement in yeast nutrition in raw whole grain sorghum and maize lager brewing and bioethanol production through grain genetic modification and phytase treatment. Journal of the Institute of Brewing. 2012;118(1):70–75. https://doi.org/10.1002/jib.86Sapna, Singh B. Phytase production by Aspergillus oryzae in solid-state fermentation and its applicability in dephytinization of wheat bran // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2014. Vol. 173. Issue 7. P. 1885–1895. https://doi.org/10.1007/s12010-014-0974-3Sapna, Singh B. Phytase production by Aspergillus oryzae in solid-state fermentation and its applicability in dephytinization of wheat ban. Applied Biochemistry and Biotechnology. 2014;173(7):1885–1895. https://doi.org/10.1007/s12010-014-0974-3Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Кривова А.Ю., Серба Е.М. Генерация спиртовых дрожжей на средах, приготовленных из зерновых культур с различным содержанием фитата // Пищевая промышленность. 2019. N 4. С. 83–85. https://doi.org/10.24411/0235-2486-2019-10042Rimareva LV, Overchenko MB, Ignatova NI, Krivova AYu, Serba EM. Generation of alcoholic yeast on media prepared from cereals with different phytate content. Pishchevaya promyshlennost' = Food Industry. 2019;4:83–85. (In Russian) https://doi.org/10.24411/0235-2486-2019-10042Polyakov V.A., Serba E.M., Overchenko M.B., Ignatova N.I., Rimareva L.V. Еffects of a complex phytase-containing enzyme preparation on the rye fermentation process // Foods and Raw Materials. 2019. Vol. 7. Issue 2. P. 221–228. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2019-2-221-228Polyakov VA, Serba EM, Overchenko MB, Ignatova NI, Rimareva LV. Еffects of a complex phytase-containing enzyme preparation on the rye fermentation process. Foods and Raw Materials. 2019;7(2):221–228. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2019-2-221-228Поляков В.А., Абрамова И.М., Медриш М.Э., Гаврилова Д.А., Павленко С.В. Применение жидкостной хроматографии для исследования органических кислот и углеводов в сусле и бражке // Хранение и переработка сельхозсырья. 2017. N 9.С. 20–23.Polyakov VA, Abramova IM, Medrish ME, Gavrilova DA, Pavlenko SV. The use of liquid chromatography for the study of organic acids and carbohydrates in wort and brew. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya = Storage and processing of farm products. 2017;9:20–23. (In Russian)Шелехова Н.В., Римарева Л.В. Исследование ионного состава полупродуктов спиртового производства с использованием методов капиллярного электрофореза // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2012. N 3. С. 25–27.Shelekhova NV, Rimareva LV. Investigation of the ionic composition of intermediates in alcohol production using capillary electrophoresis methods. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii. 2012;3:25–27. (In Russian)Шариков А.Ю., Иванов В.В., Амелякина М.В. Влияние перемешивания на эффективность ферментативного гидролиза высококонцентрированных сред экструдированного крахмала кукурузы // Вестник ВГУИТ. 2020. Т. 82. N 3. С. 96–103. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-3-96-103Sharikov AYu, Ivanov VV, Amelyakina MV. Effect of agitation on the efficiency of enzymatic hydrolysis of highly concentrated media of extruded corn starch. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii = Proceedings of VSUET. 2020;82(3):96–103. (In Russian) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-3-96-103Абрамова И.М., Римарева Л.В., Туршатов М.В. Исходные требования к качеству зернового сырья, обеспечивающие высокие показатели эффективности производства спирта. М.: БиблиоГлобус, 2019. 114 с. https://doi.org/10.18334/9785907063556Abramova IM, Rimareva LV, Turshatov MV. Initial requirements for the quality of grain raw materials, providing high efficiency of alcohol production. Moscow: Biblio-Globus; 2019. 114 p. (In Russian) https://doi.org/10.18334/9785907063556

The authors declare that there are no conflicts of interest present.