Separate and Combined Effects of Oxygen Metabolism Regulators on Rye Germination

В условиях нарастающих экологических рисков необходимо усиливать защиту внутренней среды организма и поддерживать достаточный уровень иммунорезистентности. Наиболее физиологичным способом профилактики метаболических нарушений является пищевая коррекция. Хлеб является базовым продуктом питания, не имеющим возрастных и групповых ограничений, поэтому обогащение его состава адаптогенными компонентами является важной технологической задачей [1]. Для повышения биологической ценности и регулирования процесса выпечки хлеба в современном хлебопекарном производстве используется множество обогащающих добавок. Их изобилие нашло отражение в ироничной «молитве»: «Господи, дай нам сегодня наш ежедневный: пропионат кальция (замедляет разложение); диацетат натрия (тормозит плесень); моноглицерид (эмульгатор); бромат калия, хлорамин Т (отбеливатели); моноосновный фосфат кальция (улучшитель качества теста); алюминий-калий-сульфатную кислоту (ингредиент пекарского порошка); бензоат натрия (консервант); бутилированный гидроанизол (АО); моноизопропиловую соль лимонной кислоты; синтетические витамины А и D. Прости нас, господи, за то, что мы называем это вещество хлебом» [2]. В то же время среди обширного перечня добавок отсутствуют биологически активные микронутриенты, регулирующие кислородный обмен как основу гомеостаза. Можно предположить, что присутствие подобных адаптогенов в продукции будет обеспечено экзогенной стимуляцией генетических процессов биоактивации цельнозерновой матрицы.

Хлебобулочные изделия из муки грубого помола, с отрубными и зерновыми включениями как источниками биорегуляторов становятся всё более востребованными. При этом возрастающую актуальность приобретает разработка технологии производства ржаного хлеба, имеющего ряд важных функциональных преимуществ перед пшеничным [3]. Богатым источником антиоксидантов, радиопротекторов, активаторов иммунитета может служить проросшее (осоложенное) зерно [4], растёртое и эмульгированное до гомогенной вязкой массы, по консистенции и цвету сходной с густыми сливками. Последующие стадии замешивания теста на ферментированном солоде и выпекания продукта являются вполне стандартными. При этом технологическим барьером процесса является длительная стадия проращивания (биоактивации) ржаного зерна, занимающая от 48 до 72 часов. Актуальной проблемой является поиск способа сокращения этой стадии за счёт стимулирования процессов проращивания зерна.

«Узким местом» процесса набухания зерна является влагонасыщение семенных оболочек, алейронового слоя и зародыша (до 1 ч.) с последующим гидратированием эндосперма (до 12 ч.) и заключительным внутриструктурным распределением влаги (до 24 ч.). При длительном обводнении зерна параллельно с биохимической активацией зерна происходит и стимуляция вредоносной микрофлоры. Это приводит к заплесневению сырья и непродуктивным потерям ресурсов. Поэтому сокращение сроков биоактивации имеет важное значение не только для сокращения затрат времени и материалов, но и для обеспечения безопасности пищевой продукции. В процессе гидратации задействованы различные физические и химические процессы. Энергия гидратации зерна обусловлена, в частности, прочностью межмолекулярных связей в структурах плодовых оболочек. Одним из эффективных биохимических механизмов разрушения межмолекулярных связей и липопротеидных мембранных комплексов является воздействие биогенных свободных радикалов (СР). Одним из естественных источников СР является пероксид водорода, естественный компонент природной воды. Распад пероксида водорода по свободнорадикальному механизму инициируется в присутствии ионов двухвалентного железа [5]. Среди природных объектов радикал-регулирующими свойствами обладают комплексные фитоэкстракты ряда растений, в частности представителей сем. Яснотковых (мята, мелисса, базилик, душица, тимьян), имеющие важное пищевое значение. В их числе много продуцентов пряно-ароматических соединений фенольной природы, которые в зависимости от условий среды проявляют антиоксидантные или прооксидантные свойства [6], [7], [8]. Ранее было установлено, что среди сем. Яснотковых наиболее выраженными антиоксидантными свойствами обладает тимьян [9]. Можно предположить, что биоактивация зерна ржи может быть ускорена под раздельным или сочетанным влиянием химических и биогенных регуляторов свободнорадикального окислительного метаболизма. 

Целью настоящего исследования было исследование динамики биоактивации зерна ржи под раздельным и сочетанным влиянием химического (пероксид водорода, Fe2+) и биогенного (фитоэкстракт тимьяна) стимуляторов продукции свободных радикалов.

Препараты тимьяна 0,1 %, 1 % и 10 %-ной концентраций получали методом горячей водной экстракции при 1-часовой экспозиции на водяной бане (80 оС). Препараты H2O2 (0,0001 М; 0,0002 М; 0,0004 М; 0,0008 М) готовили разбавлением исходного 3 %-ного раствора дистиллированной водой. Триггером разложения пероксида служил 10–4 М раствор FeSO4, который вносили в раствор пероксида (100 мл) непосредственно перед замачиванием семян (30 шт.). При использовании сочетанных растворов индивидуальных препараты смешивали в пропорции 1:1. Индикатором достижения необходимой стадии биоактивации зерна служило образование проростков длиной 1 мм. Показателем энергии прорастания служила доля проросших зёрен (%) на диапазоне наблюдения (0…32 ч). Антиоксидантную (АО) активность регуляторов определяли экспрессным хемилюминесцентным методом, измеряемым параметром служила светосумма импульсов за время наблюдения (300 с), методика подробно описана [10]. Статистическую обработку результатов проводили с использованием критерия Стьюдента.

Выбор рабочей концентрации растворов тимьяна осуществляли на основе результатов определения антиоксидантной активности 0,1%-, 1,0%- и 10%-ных фитоэкстрактов (рис. 1).

Рисунок 1 - Дозовая зависимость антиоксидантной активности водных экстрактов тимьяна

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.1.1

Из приведённого рисунка видно, что наибольшей АО-активностью обладал фитоэкстракт в наименьшей 0,1 %-ной концентрации (р<0,001), поэтому его использовали в дальнейшей работе.

Результаты определения энергии прорастания зерна ржи в фитоэкстракте тимьяна либо в растворах пероксида водорода(+Fe2+)отображены на рис. 2 и 3.

Рисунок 2 - Дозовая зависимость энергии прорастания зерна ржи от влияния экстракта тимьяна

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.1.2

Рисунок 3 - Дозовая зависимость энергии прорастания зерна ржи от влияния химического регулятора

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.1.3

Из рисунка видно, что регуляторы кислородного метаболизма в различной степени повышали интенсивность биоактивации зерна по сравнению с контрольным уровнем (проращивание зерна в фильтрованной питьевой воде, принят за 100%).

Под влиянием экстракта тимьяна (рис. 2) на первоначальном и последующих этапах наблюдения энергия прорастания была выше, чем в контроле (к 12 ч. – в 1,6 раза, р<0,05; к 32 ч. – в 1,3 раза). Под влиянием химического регулятора (рис. 3) отличия от контроля были более значимы. На стартовом этапе (12 ч.) энергия прорастания превышала контрольный уровень с кратностью от 3,3 раза (С1) до 5,1 раз (С4); на завершающем этапе (32 ч.) кратность превышения для всех рассмотренных концентраций сократилась до 2. Из этого следует, что использование химического регулятора (Н2О2+Fe2+) позволяет в несколько раз увеличить скорость прорастания зерна на стартовой, наиболее критичной фазе подготовки зерновой матрицы.

Использование сочетания химического и биогенного регуляторов обеспечило синергичный эффект (рис. 4).

Рисунок 4 - Сочетанное влияние биогенного и химического регуляторов на энергию прорастания зерна ржи

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.1.4

На начальном этапе (12 ч.) наибольшая кратность повышения энергии прорастания (в 5,4 раза – относительно контроля, в 3,5 раза – относительно экстракта тимьяна) соответствовала сочетанию тимьян+пероксид (0,0004 М). Наибольшая эффективность химического регулятора в указанной концентрации сохранялась на протяжении всего рассмотренного диапазона.

Полученные результаты согласуются с имеющимися данными.  Известно, что в процессе солодоращения важная роль принадлежит пероксидазам и каталазам. В гидратированных зерновках активность каталаз повышена, тогда как пероксидазная активность снижена [11]. Можно предположить, что добавление экзогенного субстрата (пероксида водорода) вместе с инициатором его расщепления стимулирует функцию пероксидазы, под влиянием которой усиливается окислительное воздействие свободнорадикальных метаболитов пероксида водорода на липидные группировки клеточных мембран, ускоряя их перфорацию. Антиоксидантные метаболиты в составе экстракта тимьяна (в первую очередь фенольные соединения) способны обрывать цепные реакции, препятствуя избыточному накоплению химически агрессивных метаболитов распада пероксида [12]. Результатом является сбалансированная картина ускорения биоактивации зерна, наблюдаемая в проведённом исследовании.

1. Под влиянием 0,1%-ной концентрации фитоэкстракта тимьяна при гидратации зерна ржи процесс биоактивации ускорялся с повышением  энергии прорастания в 1,6 раза после 12-часовой экспозиции.

2. Под влиянием химического прооксиданта (пероксид водорода+Fe2+) процесс биоактивации зерна ржи ускорялся с повышением энергии прорастания с кратностью от 3,3 (0,0001 М) до 5,1 раз (0,0008 М) после 12-часовой экспозиции при наибольшей эффективности концентраций 0,0004 и 0,0008 М.

3. Под сочетанным влиянием экстракта тимьяна и 0,0004 М растворов пероксида водорода (+Fe2+) на протяжении всей 32-часовой экспозиции наблюдалась наибольшая кратность повышения энергии прорастания;  увеличение в 5,4 раза выше контроля наблюдалось после 12-часовой экспозиции.

4. Использование сочетания биогенного и химического регуляторов позволяет повысить эффективность биоактивации зерна ржи и сократить не менее чем в 2 раза наиболее длительную фазу солодоращения ржаного зерна для производства цельнозернового хлеба.