Системный анализ состояния и перспективы развития производства инулина (обзор)

В данной обзорной статье на основе системного анализа приведены результаты исследований по применению инулина в качестве биоактивного пребиотика в функциональных продуктах питания, косметических и фармацевтических препаратах, как носителя противоопухолевых средств. Отмечена устойчивая тенденция мирового роста производства инулина 8-10 % в год. Цель обзора – раскрыть и проанализировать эффект системного комплекса производства инулина в последовательной цепи от синтеза инулина, его накопления в растениях и извлечения. Топинамбур – наиболее перспективный вид сырья, имеющий высокую урожайность клубней до 40 т/га и содержание инулина до 20 %. В биосинтезе инулина активно участвует сахароза и синтезирующие ферменты: 1-SST и 1-FFT, гены которых могут редактироваться с целью изменения содержания инулина. При селекции топинамбура перспективным направлением является межвидовая гибридизация на примере топинсолнечника с урожайностью клубней 40 т/га. В семеноводстве топинамбура исследованы новые способы клонального микроразмножения клубней и их выращивания на аэрогидропонной среде с достижением содержания инулина не менее 20 %. При выращивании топинамбура вид сорта является определяющим для максимальной урожайности клубней при ширине междурядий 90 см и интервале между клубнями в рядке 30 см. Наименьшие потери веса клубней и содержания в них инулина при длительном хранении достигаются при температуре от -5 до 0 °С. Технология переработки клубней топинамбура на инулин предложена как система частично оптимизированных технологических операций: от очистки и мойки клубней до получения порошкообразного инулина и олигофруктозного сиропа. Предложен системный комплекс в виде структурной топологической модели, объединяющей 4 системы: «Селекция и семеноводство», «Агротехнология», «Уборка и хранение клубней», «Технология переработки клубней» с взаимосвязями в форме технологических требований и выходных параметров каждой системы и в целом всего комплекса, что является основанием для разработки аграрно-пищевой технологии инулина из топинамбура и других видов сырья.

1. Маторин С. И., Михелёв В. В. Системно-объектный детерминантный анализ. Построение таксономии предметной области. Искусственный интеллект и принятие решений. 2021;(1):15-24. DOI: https://doi.org/10.14357/20718594210102

2. Михелёв В. В. Системно-объектный подход к системному анализу: особенности и преимущества. Экономика. Информатика. 2022;49(1):145-152. DOI: https://doi.org/10.52575/2687-0932-2022-49-1-145-152

3. Панфилов В. А. Аграрно-пищевая технология: эффект системного комплекса. Известия КГТУ. 2014;(35):93-105. Режим доступа: https://klgtu.ru/science/magazine/news_kstu/2014_35/

4. Le Bastard Q., Chapelet G., Javaudin F., Lepelletier D., Batard E., Montassier E. The effects of inulin on gut microbial composition: a systematic review of evidence from human studies. European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases. 2019;39:403-413. DOI: https://doi.org/10.1007/s10096-019-03721-w

5. Shoaib M., Shehzad A., Omar M., Rakha A., Raza H., Sharif H. R., Shakeel A., Ansari A., Niazi S. Inulin: Properties, health benefits and food applications. Carbohydrate Polymers. 2016;147:444-454. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.04.020

6. Коденцова В. М., Леоненко С. Н., Бекетова Н. А., Кошелева О. В., Вржесинская О. А., Сокольников А. А., Шевякова Л. В., Рисник Д. В. Инулин как компонент обогащенных пищевых продуктов: влияние на микронутриентный статус организма. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2022;25(3):34-42. DOI: https://doi.org/10.29296/25877313-2022-03-05

7. Петров С. М., Подгорнова Н. М., Григорьев Д. А. Инулин как перспективный натуральный пребиотик многоцелевого использования. Пищевая промышленность. 2022;(7):66-74.

8. Kulushtayeva B., Nurymkhan G., Burakovskaya N., Shadrin M., Smirnova T., Sagina O., Mirgorodskaya M., Smirnov S. Рhysical and chemical profile and food safety of gluten free bread. Eurasian journal of biosciences. 2019;13(2):1081-1087. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=41875795

9. Сухарева Т. Н., Польшкова А. В. Творожный продукт на основе творога, топинамбура и яблок. Наука и Образование. 2019;2(2):255. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38578485

10. Схашок Р. З., Филиппенко Ю. Н., Тарасенко Н. А. Оптимизация содержания инулина в рецептуре мягких вафель на основе пшеничных пищевых волокон. Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2020;(5-6(377-378)):53-56. DOI: https://doi.org/10.26297/0579-3009.2020.5-6.12

11. Неменущая Л. А. Технологии производства конкурентоспособных продуктов питания повышенной пищевой ценности из доступного местного сырья. Техника и оборудование для села. 2018;(4):34-36. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32847412

12. Rubel I. A., Iraporda C., Manrique G. D., Genovese D. B., Abraham A. G. Inulin from jerusalem artichoke (helianthus tuberosus l.): from its biosynthesis to its application as bioactive ingredient. Biology. Bioactive carbohydrates and dietary fibre. 2021;26:100281. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bcdf.2021.100281

13. Mazraeh R., Azizi-Soleiman F., Jazayeri S. M. H. M., Noori S. M. A. Effect of inulin-type fructans in patients undergoing cancer treatments: A systematic review. Pakistan Journal of Medical Sciences. 2019;35(2):575-580. DOI: https://doi.org/10.12669/pjms.35.2.701

14. Haiping D., Zhao A., Qi W., Yang X., Ren D. Supplementation of inulin with various degree of polymerization ameliorates liver injury and gut microbiota dysbiosis in high fat-fed obese mice. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2020;68(3):779-787. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b06571

15. Song J., Li Q., Everaert N., Liu R., Zheng M., Zhao G., Wen J. Effects of inulin supplementation on intestinal barrier function and immunity in specific pathogen-free chickens with Salmonella infection. Journal of Animal Science. 2020;98(1):skz396. DOI: https://doi.org/10.1093/jas/skz396

16. Shao T., Yuan P., Dou D., Liu C., Han J., Chen K., Wang G., Zhang W., Wang F., Hao C. Preparation and characterization of sulfated inulin-type fructans from jerusalem artichoke tubers and their antitumor activity. Carbohydrate Research. 2021;509:108422. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carres.2021.108422

17. Насриддинов А. С., Ашуров А. И., Холов Ш. Ё., Исмоилов И. Б., Усманова С. Р., Мухидинов З. К. Самоагрегирующие свойства инулина в разбавленном растворе. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнологии. 2022;12:1(40):38-49. DOI: https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-1-38-49

18. Надежкина М. С., Сагина О. А. Инулин: свойства, применение. Мировой рынок инулина. Modern Science. 2020;(1-2):76-80. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42315930

19. Будько Д. Рынок инулина: Европа лидирует в мировом производстве, Россия подсчитывает упущенные возможности. Бизнес пищевых ингредиентов. 2019;(2):46-47.

20. Кайшев В. Г., Лукин Н. Д., Серегин С. Н., Корниенко А. В. Рынок инулина в России: возможности развития сырьевой базы и необходимые ресурсы для создания современного отечественного производства. Пищевая промышленность. 2018;(5):8-17.

21. Манохина А. А., Старовойтов В. И., Старовойтова О. А., Мишуров Н. П., Неменущая Л. А., Аллаяров Ж. Ж. Конкурентоспособные технологии производства функциональных продуктов из топинамбура: аналитический обзор. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. 84 с. Режим доступа: https://rosinformagrotech.ru/data/send/5-rastenievodstvo/1412-konkurentosposobnye-tekhnologii-proizvodstva-funktsionalnykh-produktov-iz-topinambura-2020

22. Титова Л. М., Алексанян И. Ю. Технология инулина: основные тенденции развития отрасли и спорные вопросы. Пищевая промышленность. 2016;(1):46-51.

23. Старовойтов В. И., Старовойтова О. А., Звягинцев П. С., Лазунин Ю. Т. Топинамбур – культура многоцелевого использования. Пищевая промышленность. 2013;(4):22-25.

24. Сербаева Э. Р., Якупова А. Б., Магасумова Ю. Р., Фархутдинова К. А., Ахметова Г. Р., Кулуев Б. Р. Инулин: природные источники, особенности метаболизма в растениях и практическое применение. Биомика. 2020;12(1):57-79. DOI: https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2020-5

25. Леонтьев В. Н., Дубарь Д. А., Лугин В. Г., Феськова Е. В., Игнатовец О. С., Титок В. В. Биологический потенциал топинамбура как исходного сырья для пищевой и фармацевтической промышленности. Труды БГТУ. Химия, технология органических веществ и биотехнология. 2014;(4):227-230. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=27386373

26. Barloy J., Fernandez J. Synthesis on Jerusalem artichoke projects, in Topinambour (Jerusalem Artichoke). Report EUR13405, Grassi, G. and Gosse, G., Eds. Commission of the European Communities. Luxembourg, 1991. pp. 3-14.

27. BeMiller J. N. 10 − Inulin and Konjac Glucomannan. In: Carbohydrate Chemistry for Food Scientists. Amsterdam: Elsevier Inc., AACC International. 2019. pp. 253-259. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812069-9.00010-8

28. Шаззо Р. И., Кайшев В. Г., Гиш Р. А., Екутеч Р. И., Корнена Е. П. Топинамбур: биология, агротехника выращивания, место в экосистеме, технологии переработки (вчера, сегодня, завтра). Под ред. Р. И. Шаззо. Краснодар: Издательский дом − Юг, 2013. 184 с.

29. Васфилова Е. С., Воробьева Т. А. Динамика накопления фруктозо-содержащих углеводов в подземных органах растений различных семейств. Химия растительного сырья. 2022;(1):71-80. DOI: https://doi.org/10.14258/jcprm.20220110140

30. Леонтьев В. Н., Титок В. В., Дубарь Д. А., Игнатовец О. С., Лугин В. Г., Феськова Е. В. Инулин из топинамбура: биосинтез, структура, свойства, применение. Труды Белорусского государственного университета. Серия: Физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. 2014;9(1):180-185. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36554236

31. Найда Н. М. Некоторые особенности роста и развития цикория обыкновенного в условиях культуры в Ленинградской области. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2018;(50):11-17. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32741848

32. Schittenhelm S. Agronomic performance of root chicory, Jerusalem artichoke, and sugarbeet in stress and nonstress environments. Crop Science. 1999:39(6):1815-1823. DOI: https://doi.org/10.2135/cropsci1999.3961815x

33. Захарова И. И. Топинамбур – ценная культура для функционального питания. Агропродовольственная экономика. 2022;(1):7-13. DOI: https://doi.org/10.54092/24122521_2022_1_7

34. Пасько Н. М. Топинамбур – биотехнологический потенциал для пищевых, лечебных, технических, кормовых и экологических целей. Агропромышленный портал Юга России. [Электронный ресурс]. URL: http://www.agroyug.ru/page/item/_id-2476 (дата обращения: 02.07.2022).

35. Breton C., Киру C. Д., Bervillé A., Анушкевич Н. Ю. Cелекция топинамбура (Helianthus tuberósus L.) для нетрадиционного использования: ретроспектива, подходы и перспективы. Сельскохозяйственная биология. 2017;52(5):940-951. DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2017.5.940rus

36. Хутинаев О. С., Старовойтов В. И., Старовойтова О. А., Манохина А. А., Шабанов Н. Э., Колесова О. С. Выращивание миниклубней картофеля и топинамбура в условиях водно-воздушной культуры с использованием искусственного освещения. Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». 2018;(4(86)):7-14. DOI: https://doi.org/10.26897/1728-7936-2018-4-7-14

37. Манохина А. А., Старовойтова О. А., Старовойтов В. И. Оригинальное семеноводство топинамбура. Технологии и товароведение сельскохозяйственной продукции. 2018;(1(10)):61-65. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=35192538

38. Старовойтова О. А., Старовойтов В. И., Манохина А. А. Агрометодика выращивания топинамбура. Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». 2017;(1(77)):7-13. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=28292515

39. Старовойтова О. А. Инновационная грядовая технология выращивания топинамбура и картофеля. Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». 2015;(1(65)):11-14.

40. Manokhina A. A., Dorokhov A. S., Kobozeva T. P., Fomina T. N., Starovoitova O. A. Varietal characteristics of jerusalem artichoke as a high nutritional value crop for herbivorous animal husbandry. Applied Sciences (Switzerland). 2022;12(9):4507. DOI: https://doi.org/10.3390/app12094507

41. Михеев В. В., Ерёмченко В. И., Ерёмин П. А., Зернов В. Н., Петухов С. Н. Машина для уборки клубней топинамбура: пат. № 2637785 Российская Федерация. № 2017111786: заяв. 07.04.2017; опубл. 07.12.2017. Бюл. №34. 6 с.

42. Старовойтова О. А., Старовойтов В. И., Манохина А. А. Особенности хранения топинамбура. Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». 2018;(3(85)):7-12. DOI: https://doi.org/10.26897/1728-7936-2018-3-7-12

43. Mu Y., Gao W., Lv S., Li F., Lu Y., Zhao C. The antioxidant capacity and antioxidant system of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) tubers in relation to inulin during storage at different low temperatures. Industrial Crops and Products. 2021;161:113411. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113411

44. Лисовой В. В., Першакова Т. В., Купин А. Г., Ачмиз А. Д., Викторова Е. П. Cовременные способы производства инулина из растительного сырья. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016;118:1363-1376. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=25983929

45. Eryomenko D. O., Osmanova Yu. V. The influence of technological parameters of drying on the content of inulin in chicory and jerusalem artichoke powder. Modern science and innovation. 2021;(1(33)):71-77. DOI: https://doi.org/10.37493/2307-910X.2021.1.10

46. Пучкова Т. С., Бызов В. А., Пихало Д. М., Карасева О. М. Технология инулина и его производных для получения функциональных ингредиентов диетического и лечебно-профилактического назначения. Все о мясе. 2020;(5S):273-280. DOI: https://doi.org/10.21323/2071-2499-2020-5S-273-280

47. Гулюк Н. Г., Лукин Н. Д., Пучкова Т. С., Пихало Д. М. Переработка инулинсодержащего сырья на инулин и его производные. Достижения науки и техники АПК. 2017;31(8):76-79. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=30053606

48. Гулюк Н. Г., Михайленко А. А., Ананских В. В., Лукин Н. Д., Пучкова Т. С., Пихало Д. М., Бызов В. А. Диффузионный аппарат непрерывного действия: пат. № 2643243 Российская Федерация. № 2016124463: заяв. 21.06.2016; опубл. 31.01.2018. Бюл. №4. 6 с.

49. Kozhukhova M. A., Nazarenko M. N., Barkhatova T. V., Khripko I. A. Obtaining and identification of inulin from jerusalem artichoke (helianthus tuberosus) tubers. Foods and Raw Materials. 2015;3(2):13-22. DOI: https://doi.org/10.12737/13115

50. Karetkin B. A., Panfilov V. I., Baurin D. V., Shakir I. V. Ultrasonic artichoke: Optimization of conditions, purification methods, c-13nmr spectroscopy of the product. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. 2015;1(6):641-648. DOI: https://doi.org/10.5593/SGEM2015/B61/S25.087

51. Муцаев Р. В., Алексанян И. Ю., Титова Л. М. Способы получения инулина из растительного сырья. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015;(10-3):433-436. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=24113191

52. Мамай Д. С. Ультрафильтрационное разделение сока клубней топинамбура. Инновационное развитие АПК Северного Зауралья: сб. мат-лов региональной научн.-практ. конф. молодых ученых. ГАУ Северного Зауралья. Тюмень, 2013. С. 44-46. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=23260327

53. Пучкова Т. С., Пихало Д. М., Варицев П. Ю. Использование ионообменных смол для очистки инулинсодержащих сиропов из топинамбура. Пищевая промышленность. 2018;(12):38-42.

54. Пучкова Т. С., Бызов В. А., Пихало Д. М., Карасева О. М. Исследование хроматографического разделения углеводов инулина и олигофруктозы. Пищевая промышленность. 2021;(7):14-19.

55. Гулюк Н. Г., Пучкова Т. С., Пихало Д. М. Хроматографическое разделение углеводов инулинсодержащих сиропов. Достижения науки и техники АПК. 2019;33(9):74-78. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2451-2019-10916

56. Лукин Н. Д., Пучкова Т. С., Пихало Д. М., Карасева О. М. Гидролиз инулина ферментным препаратом эндоинулиназы марки «Новозим 960» для производства олигофруктозы. Достижения науки и техники АПК. 2020;34(6):89-91. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2451-2020-10617

57. Rubel I. A., Iraporda C., Novosad R., Genovese D. B., Manrique G. D. Inulin rich carbohydrates extraction from Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) tubers and application of different drying methods. Food Research International. 2018;103:226-233. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2017.10.041

58. Муцаев Р. В., Нугманов А. Х.-Х., Алексанян А. И. Интенсификация процесса сушки инулинового раствора, полученного экстракцией из растительного сырья. Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК − продукты здорового питания. 2018;(1(21)):63-72. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=36809867

59. Баутин В. М., Панфилов В. А. Парадигма развития технологий АПК. Экономика сельского хозяйства России. 2017;(6):18-31. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=29425218