автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка биотехнологии комплексной пищевой добавки

А к 0 в

11а прапах рукописи

Парпаев Эрдэни Дампинович

РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПИ1ЦЕВОЙ ДОБАВКИ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ - 19!)8

Работа выполнена в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор И.С.Хамагаева Официальные оппоненты - доктор биологических наук,

профессор Т.П.Анцупова кандидат технических наук, доцент А.А.Бобрышев

Ведущая организация - Институт общей и экспериментальной

биологии СО РАН

Защита состоится " " декабря 1998 г. в ^ час. на заседаш диссертационного Совета К 064.68.01 в Восточно-Сибирском государственно технологическом университете по адресу: 670013, Республика Буряти г.Улан-Удэ, ул.Ключевская, 40 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГТУ.

Автореферат разослан " ^ " ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических I

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Питание является одним из важнейших факторов, определяющих здоровье населения. Дефицит в питании полноденного белка, витаминов, микро- и макроэлементов, важных регуляторных веществ снижает функциональную активность иммунной системы, существенно повышает вероятность развития различных заболеваний.

В последние годы в связи с изменением структуры питания у большинства населения России наблюдается прогрессирующее снижение потребления основных пищевых веществ и энергии. Установлены пониженные содержания в рационах белков (до 87% от рекомендуемых уровней), в том числе белков животного происхождения (74%), что создает предпосылки для формирования у отдельных категорий населения признаков белковой недостаточности.

Вопросам получения белковых продуктов посвящено большое число опубликованных работ в области фундаментальных и прикладных исследований (Рогов И.А., Храмцов А.Г., Молочников В.В., Крашенинин П.Ф., Остроумов Л.А., Захарова Н.П. и др.).

Уменьшение содержания белка животного происхождения в рационах питания приводит к снижению потребления гемового железа. Анализ литературных данных показал, что дефицит железа является одной из наиболее распространенных болезней пищевой недостаточности.

Накопленный международный и отечественный опыт свидетельствует о том, что практически невозможно в силу экономических, социальных и других факторов достигнуть быстрой коррекции структуры питания за счет наращивания производства обычных видов продовольствия.

Наиболее эффективным и экономически приемлемым путем решения этой проблемы является обогащение пищевых продуктов или использование биологически активных добавок к пище, богатых незаменимыми факторами питания.

Работа проводилась в рамках научно-исследовательских тем, входящих в Федеральную целевую программу социально-экономического развития Республики Бурятия на 1997-2000 г.г., что определяет актуальность выбранной темы.

Цель и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы является разработка технологии комплексной пищевой добавки для диетической коррекции железодефицитных состояний.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследований:

Изучить и теоретически обосновать основные закономерности тепловой денатурации белков творожной сыворотки при использовании в качестве коагулянта сульфата железа.

Исследовать технологические режимы ферментации сывороточных белков закваской бифидобактерий для улучшения функциональных свойств.

Исследовать влияние сублимационной сушки на качество белков.

Разработать технологическую схему производства пищевой добавки.

Изучить и теоретически обосновать использование белковой массы и сульфата железа для обогащения кисломолочных продуктов.

Научная новизна. Доказана возможность получения пищевой добавки, обладающей полифункциональными свойствами, методом химической модификации сывороточных белков и последующим ферментированием белковой массы. Изучены и теоретически обоснованы закономерности тепловой денатурации белков творожной сыворотки при использовании в качестве коагулянта сульфата железа. Установлено, что ионы железа не только сорбируются на поверхности белковой молекулы, но также могут образовывать хелатные комплексы с высвобождающимися в процессе денатурации сульфгидрильными 1руппами и другими лигандами.

Подобраны оптимальные условия биотранформации сывороточных белков закваской бифидобактерий. Установлено, что денатурированные сывороточные белки активно атакуются протеиназами бифидобактерий с образованием более простых соединений. Обнаружено, что ионы железа повышают биохимическую активность бифидобактерий и интенсифицируют технологический процесс производства ферментированных продуктов.

Практическая ценность работы. Основные результаты исследований нашли практическую реализацию в разработке принципиально нового способа коагуляции сывороточных белков и создании технологии комплексной сухой пищевой добавки (ТУ 9224-001-02069473-98 ).

Предлагаемая технология имеет следующие преимущества: для получения пищевой добавки используется дешевое вторичное сырье молочной промышленности; денатурация и ферментация сывороточных белков снижают их аллер-гизирующее действие; высокая биологическая ценность химически модифици-

рованных сывороточных белков хорошо сочетается с лечебно-профилактическими свойствами бифидобактерий.

Опытно-промышленная проверка технологии сухой пищевой добавки проведена в лаборатории лиофильной сушки ВСГТУ. Усовершенствована технология кисломолочного продукта "Бифивит", обогащенного железом.

Практическая значимость работы подтверждена актами опытно-промышленной проверки и внедрения разработанных технологий.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены на научной конференции ВСГТУ (Улан-Удэ, 1998), на научно-практической конференции КемТИПП (Кемерово, 1998), на международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии пищевых производств" (Санкт-Петербург, 1998), на научно-практической конференции (Москва, 1998), на Республиканской выставке в торгово-промышленной палате (Улан-Удэ, 1998).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, методики экспериментальных исследований, обсуждения полученных результатов и выводов. Диссертация изложена на ¿3^страницах машинописного текста, содержит >^^рисунков, .^Ртаблиц, приложения. Список литературы включает ^^^даименований, в том числеиностранных источников.

Организация работы и методы исследований. Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории кафедры "Технология молочных продуктов. Товароведение и экспертиза товаров" Восточно-Сибирского государственного технологического университета. Структурная схема проведения экспериментальных исследований приведена на рис. 1.

Схема включает три основных раздела: I - посвящен разработке способа коагуляции и получению белковой массы; II - ориентирован на изучение процесса ферментации и получение сухой комплексной пищевой добавки; III -включает изучение влияния белковой массы и сульфата железа на качество кисломолочных продуктов с целью их обогащения железом.

Для ферментации белковой массы использован жидкий концентрат бифидобактерий (ТУ 9229-001-02-069-473-98).

В работе применены общепринятые и специальные физико-химические, биохимические, микробиологические методы исследований. Массовую долю

Разработка способа коагуляции белков творожной сыворотки

Исследование процесса ферментации и обезвоживания Получение белковой массы (КСБ)

белковой массы 1,2,3,5,6

1,2,3,5,6,7,8,9,10,13 4

1 Использование КСБ и Ре304

Влияние сублимационной для обогащения кисломолоч-

сушки на качественные ных продуктов

показатели белка 2,3,7,9,12

1,2,3,6,11,12,13 1

4- - Разработка технологии бифи-

Разработка технологии сухой комплексной пищевой добавки содержащих кисломолочных продуктов, обогащенных желе-

4 зом

Исследование биологической 1,2,12,13

ценности пищевой добавки Показатели:

14,15

I

1. Органолептическая оценка

2. Титруемая кислотность

3. Активная кислотность

4. Содержание азота

5. Массовая доля железа

6. Массовая доля влаги

7. Молочная кислота

8. Летучие кислоты

9. Углевод (лактоза, галактоза)

10. Протеолитическая активность

11. Растворимость

12. Количество клеток бифидобактерий

13. Количество бактерий группы кишечной палочки

14. Атакуемость пищеварительными протеиназами

15. Доступный лизин

Рис. 1.Структурная схема проведения исследований

железа определяли по ГОСТ 26928-86. Математическую обработку экспериментальных данных проводили на ШМ РС.

Исследование режимов коагуляции белков творожной сыворотки

Из множества факторов, способствующих развитию железодефицитных состояний, следует выделить недостаточное содержание железа в рационах питания и его низкую усвояемость. Известно, что железо хорошо усваивается из белков животного происхождения. Сывороточные белки, близкие по своей структуре к глобинам и обладающие высокой биологической ценностью, являются хорошим объектом для обогащения железом.

В этой связи, нами была выдвинута гипотеза о возможности химической модификации сывороточных белков и получения пищевой добавки, обогащенной железом.

Для получения белков, обогащенных железом исследовали режимы выделения сывороточных белков комплексным методом, тепловой денатурацией и введением реагента, содержащего двухвалентное железо (табл. 1).

Таблица 1

Влияние режимов коагуляции на степень использования _ сывороточных белков__

Температура коагуляции, °Т Доза FeS04, г/л Выдержка, мин Степень использования белков, % Мутность сыворотки, усл.ед.

90 0,8 7 65,9 0,023

1,0 5 68,2 0,021

1,2 3 70,4 0,018

95 0,8 7 84,3 0,016

1,0 5 • 86,6 0,007

1,2 3 86,9 0,007

98 0,8 7 85,5 0,014

1,0 5 87,1 0,007

1,2 3 87,5 0,006

Как следует из данных табл. 1 процесс коагуляции в зависимости от дозы сульфата железа и продолжительности выдержки идет в узких пределах и скачкообразно.

Анализ полученных данных показал, что степень использования белка коррелирует со значениями дозы коагулянта и температуры. Функциональная зависимость рассматриваемых величин имеет следующее математическое выражение: 1. Степень использования сывороточных белков от дозы коагулянта у = -80,77 х2 + 168,808 4 0,003 ; коэффициент корреляции 0,97

2. Степень использования сывороточных белков от температуры коагуляции у = 0,017 х2 - 0,786 х - 0,038; коэффициент корреляции 0,99

Максимальная степень использования сывороточных белков отмечена при температуре 95°С, дозе сульфата железа 1 г/л и продолжительности выдержки 5 мин. При этом степень использования белка составила 86,6%.

Таким образом, проведенные исследования позволили выбрать оптимальные технологические режимы выделения сывороточных белков из творожной сыворотки при использовании в качестве коагулянта сульфата железа.

Исследование режимов ферментации и обезвоживания белковой массы

Согласно литературным данным, существенное влияние на минеральный обмен оказывают бифидобакгерии, которые составляют основу нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта человека.

Поэтому в дальнейших исследованиях концентрат сывороточных белков ферментировали активной закваской бифидобактерий.

Для выбора оптимальных технологических режимов ферментации изучали влияние дозы вносимой закваски на биохимические и микробиологические процессы. Ферментацию проводили при температуре (37±1)°С - оптимальной для развития бифидобактерий.

Как видно из приведенных дан- з - доза закваски 10%

ных (рис. 2), с увеличением дозы за-

Время, ч

Рис.2 Влияние дозы закваски на активность

кислотообразования I - доза закваски 3%, 2 - доза закваски 5%,

кваски с 3 до 5% наблюдается повышение титруемой кислотности. При этом процесс ферментации при внесении 5% закваски сокращается на 2 часа. Дальнейшее повышение дозы закваски до 10% не дзет значительного эффекта.

В процессе ферментации было отмечено достаточно интенсивное накопление тирозина, и в конце ферментации содержание тирозииа при внесении 5 и 10% закваски составляло 1,7 и 1,9 мг/100 г соответственно. Это свидетельствует о высокой протеолитической активности бифидобактерий, протеиназы которых расщепляют денатурированные сывороточные белки.

Высокая биологическая ценность сывороточных белков, вероятно, создает благоприятные условия для развития бифидобактерий. Об этом свидетельствует активность роста (рис. 3) и интенсивность бифидоброжения (рис. 4).

2 4 Время, ч

0 массовая доля закваски 3%; □ массовая доля закваски 5%; И массовая доля закваски 10%.

500 400 300 200 100 0

л

—

1 .......1......

0 1 2 3 4 5 6 Время, ч

1- массовая доля закваски 3%;

2 - массовая доля закваски 5%;

3 - массовая доля закваски 10%.

Рис.4 Влияние дозы закваски на динамику молочной кислоты

Таким образом, проведенные исследования позволили выбрать следующие рациональные режимы ферментации белковой массы: доза закваски - 5%, продолжительность ферментации - 4 часа.

Для получения белковой массы со стандартными показателями были проведены исследования по определению продолжительности процесса самопрессования. В результате исследований установлено, что проведение процесса самопрессования при температуре (20±2)°С в течение (1-1,5) часов обеспечивает получение готового продукта с требуемыми показателями.

Рис.3 Влияние дозы закваски на рост клеток бифидобактерий

Готовый продукт по органолепгическим и физико-химическим показате лям должен удовлетворять следующим требованиям (табл. 2).

Таблица 1

_Характеристика белковой массы_

Показатели

Белковая масса

Ферментированная белковая масса

Органолептические:

Вкус и запах

Консистенция Цвет

Массовая доля сухих веществ не менее, %___

Чистый, кисломолочный

Чистый, свежий со специфическим привкусом сывороточных белков

Однородная, мажущаяся Белый с сероватым оттенком 20 20

Титруемая кислотность, °Т не выше

Содержание железа, мг/кг Количество клеток бифидобакге-рий к.о.е. в 1 г

Содержание бактерий группы кишечной палочки в 0,1 г продукта Содержание патогенных микроорганизмов_

82

81,8

не допускается

не допускается

93

91,5 10'°

не допускается

не допускается

Как видно из данных табл. 2, процесс ферментации способствует переходу железа в белковую массу, и она содержит высокое количество жизнеспособных клеток бифидобактерий.

При изучении сроков хранения белковой массы нами обнаружено, что титруемая кислотность ферментированной белковой массы понижалась и через 12 суток хранения составляла 82°Т, и соответствовала значению титруемой кислотности до ферментации. Это явление, вероятно, можно объяснить взаимодействием ионов железа с молочной кислотой с образованием лактата железа. Снижение кислотности оказывает благоприятное действие на жизнеспособность бифидобактерий в процессе хранения.

Таким образом, полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что присутствие ионов железа сохраняет жизнеспособность клеток бифидобактерий, увеличивает сроки хранения ферментированной белковой массы.

Влияние сублимационной сушки на качество белковой массы

Температурный режим сушки выбирали с учетом термоустойчивости би-фидобактерий. Продолжительность сушки контролировали по остаточной влажности (не более 5%).

При определении жизнеспособных клеток бифидобактерий было установлено, что в процессе высушивания их количество снизилось на один порядок и составило 109 к.о.е. в 1 г.

Качественная характеристика комплексной пищевой добавки, полученной методом сублимационной сушки, представлена в табл. 3.

Таблица 3

Качественная характеристика комплексной пищевой добавки_

Показатели Пищевая добавка

сухая сухая ферментированная

Органолептические показатели: Консистенция Вкус и запах Цвет Физико-химические показатели Массовая доля влаги, % Растворимость, % Массовая доля железа, мг/кг Микробиологические показатели: Количество жизнеспособных клеток бифидобактерий, к.о.е. в 1 г БГКП в 0,1 г продукта патогенные Мелкий сухой пс тельное количест щихся при м Чистый, со специфическим привкусом сывороточных белков белый 4 80 376,2 м н рошок. Допускается незначи-во комочков, легко рассыпаю-ехакнческом воздействии кисломолочный с серым оттенком 4 83 420,1 109 допускаются допускаются

Как следует из данных табл. 3, комплексная пищевая добавка содержит железо в легкоусвояемой органической форме. Ферментация белковой массы улучшает органолептические свойства белков и снижает их аллергизирующее действие. Высокое количество жизнеспособных клеток бифидобактерий придает пищевой добавке дополнительные свойства эубиотика, регулирующего состав микрофлоры кишечника.

Таким образом, в результате проведенных исследований создана комплексная пищевая добавка, использование которой позволит восполнить дефицит белка, крайне важного микронутриента железа,и регулировать микроэкологию желудочно-кишечного тракта.

Разработка технологии комплексной пищевой добавки

-На основации проведенных исследований разработана технология производства комплексной пищевой добавки. Технологический процесс осуществляется по следующей схеме:

Технологическая схема производства комплексной пищевой добавки Приемка и оценка качества творожной сыворотки

I

Подогрев до 1=35-40°С

I

Сепарирование

I

Тепловая обработка ^-(72± 1 )°С с выдержкой 20 сек

4-

Нагревание до 93-95°С

I

Внесение коагулянта --10%-ный водный раствор Ре504

Перемешивание и выдержка для коагуляции и осаждения 5 мин

13 1

Охлаждение

Частичное удаление сыворотки 1=(38±1)°С 4

Внесение закваски 5%

Ферментация при 1=Ъ1аС в течение 4 часов

Самопрессование - 1ч. при 20°С

Замораживание (-18)°С

4

Сублимационная сушка (24 часа) Охлаждение

4

Фасовка, упаковка, хранение

Предлагаемая технология позволяет получить пищевую добавку обладающую полифункциональными свойствами и высокой биологической ценностью. Установлено, что ферментация белковой массы бифидобакгериями повышает содержание доступного лизина и атакуемость белков пищеварительными про-теиназами.

Мягкие режимы сублимационной сушки позволяют сохранить качество белка и не снижают биологической ценности пищевой добавки. Сухая пищевая добавка обладает длительным сроком хранения.

Влияние белковой массы, обогащенной железом на качество кисломолочных продуктов

На следующем этапе исследований изучали возможность использования

Самопрессование 1-1,5 ч.. при 1=(20±1)°С

4

Сублимационная сушка Фасовка, упаковка, хранение готового продукта 1=(б-8)°С

белковой массы при производстве бифидосодержащего кисломолочного продукта.

В результате проведенных исследований выявлено, что оптимальной дозой концентрата сывороточных белков (КСБ) является 2%. Дальнейшее повышение дозы КСБ до 3% не приводит к значительному повышению кислотности.

Полученные экспериментальные данные показывают, что внесение 2% КСБ сокращает продолжительность ферментации молока на 3 часа. Титруемая кислотность сгустка опытного образца через 5 часов культивирования достигает 57°Т (рис. 5), а количество клеток Ю10 к.о.е. в 1 см3 (рис. 6). Также было отмечено более интенсивное накопление молочной кислоты и летучих кислот.

К

60 50 -40 30 20 10 0

1 1 1 ^ ; з А

/с

ч'

X, л

1

1

>-7

а

к

03 1

0 1 2 3 4 5 6 7 Время,ч

Рис. 5.Влияние КСБ на процесс сквашивания молока бифидобакгериями:

0 2

4

5

Время, ч Рис.б.Влияние КСБ на рост бифидобактерий:

1,2 - контроль без КСБ, 3,4 - с КСБ

I с КСБ □ контроль без КСБ

При изучении структурно-механических свойств сгустков было обнаружено, что введение КСБ повышает влагоудерживающую способность белков и вязкость продукта.

На наш взгляд, ускоренный метаболизм лактозы можно обосновать содержанием в КСБ железо-серусодержащих белков. В настоящее время доказано, что железо-серусодержащие белки обладают разнообразными физиологическими функциями и могут ускорять активность фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы, а также других ферментов анаэробного метаболизма. Повыше-

5 4

|3

о

» т

Е >> ]

' о

¿к——

гч

4

—г-

0 2 4 6 8 Время, ч

Рис. 7. Влияние КСБ на изменение углеводов при сквашивании молока:

1,3 - лактоза 2,4 - галактоза

ние ферментативной активности бифидобактерий, вероятно, ускоряет метаболизм лактозы, о чем свидетельствует более быстрое снижение содержания лактозы и накопления галактозы (рис. 7).

Таким образом, полученные результаты позволили сделать вывод, что внесение КСБ не только обогащает продукт, легкоусвояемым железом и белками, но и интенсифицирует технологический процесс производства кисломолочного продукта и улучшает структурно-механические свойства.

Использование сульфата железа для обогащения бифидосодержащего кисломолочного продукта "

Невысокая растворимость белковой массы и ее денатурация при тепловой обработке ограничивают использование при производстве кисломолочных продуктов.

Поэтому в следующей серии опытов изучали возможность обогащения кисломолочного продукта путем внесения сульфата железа.

Полученные экспериментальные данные, представленные в табл. 4, свидетельствуют, что ионы железа стимулируют кислотообразующую способность и рост бифидобактерий.

Максимальная биохимическая активность бифидобактерий обнаружена при содержании РеБ04 1,4 мг/100 г. Дальнейшее повышение дозы Ре304 оказывает угнетающее действие на рост бифидобактерий и их количество снижается до 109 к.о.е в 1 см3.

I

Необходимо отметить, что внесение оптимального количества РеЗО* сокращает лаг-фазу роста бифидобактерий и через 6 часов культивирования в мо-

Таблица 4

Влияние ионов железа па кислотообразующую способность __и рост бифидобактерий___

Доза сульфата железа, мг / 100 г Кислотность, °Т Количество клеток бифидобактерий в 1 см1

Время, час

2 4 6 8

Контроль без Ре5С>4 32 40 46 53 5-109

0,7 39 45 50 56 3-Ю10

1,4 42 49 55 58 6-1010

1,7 36 48 50 51 8-Ю9

мент образования сгустка количество жизнеспособных клеток составляет 1010 к.о.е. в см3.

-------Полученные нами экспериментальные данные показывают, что для развития бифидобактерий необходимы ионы железа.

При выбранной концентрации 1,4 мг наблюдается ускорение биохимических реакций, происходящих в клетках бифидобактерий. Стимулирующее действие железа в таких высоких концентрациях связано, вероятно, с созданием в среде низкого окислительно-восстановительного потенциала, что важно для развития анаэробных микроорганизмов, к которым относятся бифидобакте-рии.

Известно, что железо-серусодержащие белки, в состав которых входят сульфгидрильные группы цистеина, имеют низкий окислительно-восстановительный потенциал и обеспечивают передачу электронов между окислительной и восстановительной цепочками метаболизма у ряда анаэробных бактерий. Имеются также сведения, что хелатированные ионы железа обладают пе-роксидазной и каталазной активностью. При высоких концентрациях в среде, вероятно, ионы Ре++ разрушают токсичные для микробной клетки перекиси и гидроксильные радикалы, образующиеся при метаболизме кислорода.

При исследовании взаимодействия ионов Ре"1"1" с белками в процессе ферментации нами установлено, что с повышением дозы сульфата железа увеличивается степень перехода железа в белок (табл. 5).

Полученные экспериментальные данные подтверждают наше предположение о связывании белками ионов Ре"14" и переходе последних в более ус-

вояемую органическую форму.

Таблица 5

Влияние дозы Ре804 на степень перехода железа в белок

Доза Ре50<, мг/кг Массовая доля железа в Степень перехода железа в

белке, мг/ 100 г белок, %

7 0,95 13,62

14 3,21 22,86

17 3,65 25,99

Таким образом, анализ литературных данных и материалы собственных исследований позволяют сделать вывод, что в процессе ферментации молока бифидобактериями ионы Ре"" связываются с белками с образованием соединений, повышающих усвояемость железа и стимулирующих рост бифидобакте-рий.

ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных исследований создана технология комплексной пищевой добавки обладающей полифункциональными свойствами.

2. Разработан способ коагуляции сывороточных белков методом тепловой денатурации с использованием в качестве коагулянта сульфата железа.

3. Выбраны рациональные режимы ферментации белковой массы закваской бифидобактерий.

4. Установлено, что бифидобактерии обладают достаточно высокой про-теолитической активностью и расщепляют денатурированные сывороточные белки.

5. Установлено, что сублимационная сушка позволяет получить сухую пищевую добавку с высоким количеством жизнеспособных клеток бифидобактерий 109 см3 и длительным сроком хранения.

6. Использование белковой массы при производстве бифидосодержащего кисломолочного продукта не только обогащает его легкоусвояемым железом, но интенсифицирует процесс ферметации и улучшает структурно-механические свойства.

7. Показана возможность обогащения бифидосодержащего кисломолочного продукта сульфатом железа. Установлено, что ионы железа повышают биохимическую активность бифидобактерий и в процессе ферментации связываются с белками с образованием соединений повышающих усвояемость железа.

8. Клиническая апробация пищевой добавки показала их высокую эффективность при лечении железодефицитных состояний.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Влияние концентрации сульфата железа на коагуляцию сывороточных белков / Э.Д.Парпаев, Л.И.Заиграева, И.С.Хамагаева, Д.М.Батуева // Пищевые продукты и экология. - Кемерово, 1998. -С.34.

2. Исследование режимов осаждения сывороточных белков сахаратом железа /Л.И.Заиграева, Э.Д.Парпаев, И.С.Хамагаева, Д.М.Батуева // Там же, С.32.

3. Парпаев Э.Д. Взаимодействие железа с сывороточными белками // Проблемы создания нового поколения отечественных продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности - продуктов XXI века: Тез. науч.-тех. конф. -М., 1998. -С. 250.

4. Хамагаева И.С., Тумунова С.Б., Парпаев Э.Д. Жидкий бактериальный концентрат, содержащий олигосахариды // Ресурсосберегающие технологии пищевых производств : Тез. докл. Междунар. науч.-тех. конф. - СПб., 1998. -С. 40.

5. Хамагаева И.С., Парпаев Э.Д., Бартанова А.й. Ферментация концентрата сывороточных белков, обогащенных железом, бифидобактериями. // Пищевые продукты и экология. - Кемерово, 1998. - С. 33.

6. Заиграева Л.И., Парпаев Э.Д., Столярова A.C. Белковая добавка, обогащенная железом//Там же, -С. 37.

7. Парпаев Э.Д., Хамагаева И.С., Заиграева Л.И., Дугаров Ц.Б. Сухая пищевая добавка, обогащенная железом. // Там же, -С.40.

8. Хамагаева И.С., Парпаев Э.Д., Батуева Д.М. Влияние ионов железа на рост бифидобактерий при культивировании в молоке. // Там же, -С. 38.

й//УУ - з/у/-^- г

Восточно-Сибирский государственный технологический

университет

На правах рукописи

Парпаев Эрдэни Дамнинович

РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ

05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных

продуктов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель чл.-корр. СО АН ВШ, доктор технических наук, профессор Хамагаева И.С.

Улан-Удэ 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 7

1.1. Физиологическая роль железа 7

1.1.1. Распространенность и причина железодефицитных состояний 7

1.1.2. Структура и функции гемопротеидов 13

1.2. Состав и свойства сывороточных белков 19

1.2.1. Денатурация сывороточных белков 19

1.2.2. Факторы, влияющие на функциональные свойства сывороточных 26 белков

1.3. Особенности технологии молочных продуктов, обогащенных 32 бифидобактериями

1.4. Заключение по обзору литературы 42 ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 45

2.1. Постановка эксперимента 45

2.2. Методы исследований 45

2.3. Статистическая обработка результатов 5 5 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 56 РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА БЕЖОВОЙ МАССЫ

3.1. Исследование режимов коагуляции белков творожной сыворотки 56

3.2. Исследование режимов ферментации и обезвоживания белковой 59 массы

3.2.1. Влияние дозы закваски на биохимические и микробиологические 60 процессы при ферментации

3.2.2. Исследование процесса обезвоживания белковой массы 67

3.2.3. Исследование сроков хранения продукта 69

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 72

РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА СУХОЙ ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ

4.1. Влияние сублимационной сушки на качество белковой массы (КСБ) 72

4.2. Исследование сроков хранения сухой ферментированной 75 белковой массы

4.3. Разработка технологии комплексной пищевой добавки 77

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ 82

ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ

5.1. Влияние технологических факторов на изменение доступного лизина 82

5.2. Атакуемость концентрата сывороточных белков пищеварительными 84 протеиназами

ГЛАВА 6. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ 87

ПРОИЗОДСТВА КИСЛОМОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ,

ОБОГАЩЕННЫХ ЖЕЛЕЗОМ

6.1. Влияние концентрата сывороточных белков, обогащенных 87 железом на качество кисломолочных продуктов

6.2. Исследование влияния КСБ на динамику продуктов 92 брожения

6.3. Использование сульфата железа для обогащения 95 бифидосодержащего кисломолочного продукта

6.4. Исследование взаимодействия ионов Бе44" с белками молока 103

6.5. Исследование сроков хранения бифидосодержащих кисломолочных 107 продуктов, обогащенных железом

6.6. Технология производства бифидосодержащих кисломолочных 109

продуктов, обогащенных железом

ВЫВОДЫ 112

БИБЛИОГРАФИЯ ИЗ

ПРИЛОЖЕНИЯ 129

ВВЕДЕНИЕ

Питание является одним из важнейших факторов, определяющих здоровье населения. Дефицит в питании полноценного белка, витаминов, микро- и макроэлементов, важных регуляторных веществ снижает функциональную активность иммунной системы, существенно повышает вероятность развития различных заболеваний.

В последние годы в связи с изменением структуры питания у большинства населения России наблюдается прогрессирующее снижение потребления основных пищевых веществ и энергии. Установлены пониженные содержания в рационах белков (до 87% от рекомендуемых уровней), в том числе белков животного происхождения (74%), что создает предпосылки для формирования у отдельных категорий населения признаков белковой недостаточности.

Вопросам получения белковых продуктов посвящено большое число опубликованных работ в области фундаментальных и прикладных исследований (Рогов И.А., Храмцов А.Г., Молочников В.В., Крашенинин П.Ф., Остроумов JI.A., Захарова Н.П. и др.).

Уменьшение содержания белка животного происхождения в рационах питания приводит к снижению потребления гемового железа. Анализ литературных данных показал, что дефицит железа является одной из наиболее распространенных болезней пищевой недостаточности.

Накопленный международный и отечественный опыт свидетельствует о том, что практически невозможно в силу экономических, социальных и других факторов достигнуть быстрой коррекции структуры питания за счет наращивания производства обычных видов продовольствия.

Наиболее эффективным и экономически приемлемым путем решения этой проблемы является обогащение пищевых продуктов или использование биологически активных добавок к пище, богатых незаменимыми факторами питания.

Работа проводилась в рамках научно-исследовательских тем, входящих в Федеральную целевую программу социально-экономического развития Республики Бурятия на 1997-2000 г.г., что определяет актуальность выбранной темы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Физиологическая роль железа

1.1.1. Распространенность и причины железодефицитных состояний

Микроэлементы играют важную роль в рациональном питании человека. Микроэлементами принято считать минеральные вещества, концентрация которых невелика. Они обуславливают построение и активность жизненно важных ферментов, витаминов и гормонов, без которых немыслимо превращение поступающих в организм человека пищевых веществ. Также как при недостатке основных пищевых веществ, витаминов, при дефиците минеральных веществ в организме человека возникают существенные нарушения [7,35,36, 45,56,78,104].

В настоящее время известно примерно 50 микроэлементов постоянно присутствующих в организме человека. Из них 26 являются жизненно необходимыми. В число необходимых включены - Ре, Си, Мп, Со, Бе, Бп, Мо, №, 81, V, Сг, I, В. В последнее время, в связи с изменением структуры питания, отмечается недостаток микроэлементов в рационе питания человека [9,12,30,44,72,78,81].

Железу как незаменимому пищевому компоненту принадлежит важная роль в активности и синтезе многих металлоферментов, чем объясняется его влияние на рост, развитие, тканевое дыхание, иммуногенез и другие физиологические процессы [2,3,116,136,150].

Железо - универсальный элемент по своей значимости и роли в жизнедеятельности каждой живой клетки организма. Являясь составной частью гемоглобина, миоглобина и различных ферментов, железо участвует в транспорте Ог, окислительном фосфорилировании, разложении перекисных соединений и

других процессов, для которых необходимо железо [16,35,62].

Железо содержащееся в организме человека, принято делить на функциональное или обменное, транспортное и резервное. Функциональное железо (около 3 мг) используется в организме для переноса 02 и обеспечения некоторых ферментативных реакций. Наибольшая часть обменного железа находится в циркулирующих эритроцитах в форме гемоглобина. Транспортное железо плазмы крови связано с трансферрином, каждая молекула которого содержит два атома железа. Несмотря на малое количество циркулирующего в плазме железа (около 3 мг), его функциональная роль весьма велика. Уровень сывороточного железа является одним из основных показателей интенсивности его обмена и запасов в организме. Тканевые резервы железа в пределах 300-1000 мкг у женщин и 500-1000 мкг у мужчин находятся в печени, селезенке, костном мозге. Они быстро истощаются при усилении эритропоэза, нарушениях всасывания и недостаточном поступлении с пищей. Резервное железо в здоровом организме большей частью представлено в форме гемосиде-рина [57].

Дефицит железа признается одной из наиболее распространенных болезней пищевой недостаточности во всем мире [5,16,33,46,58]. Дефицит железа встречается повсеместно и наиболее часто у детей, беременных и кормящих женщин. При этом латентный дефицит железа определяется в 2,5-3 раза чаще, чем железодефицитная анемия. В целом дефицит железа выявляется у 50 % женщин, у 17 % мужчин, а в ряде регионов у 100 % беременных женщин [5,60,66,119,127].

Почти во всех странах мира наблюдается алиментарный дефицит железа.

Рядом авторов/47,53,80,148/ отмечается широкая распространенность железо-

дефицитных состояний у детей раннего возраста, что оказывает отрицательное влияние на здоровье и развитие ребенка.

Из множества факторов, способствующих развитию железодефицитных состояний следует выделить также недостаточное содержание железа в рационах питания и низкую усвояемость железа. Пищевые суточные рационы, даже в условиях организованного питания детей и взрослых, составляются, как правило, без учета содержания в них железа, в связи с чем поступление его с пищей не всегда соответствует нормам. Особенно дефицит железа часто проявляется в весенне-летнее время. У женщин недостаточность железа бывает значительно чаще, чем у мужчин, поскольку среднесуточные потери железа у них составляют 1,4 мг, а у мужчин 0,9 мг [55,116,125,136].

Физиологическая норма потребления железа с рационом для поддержания его равновесия в организме, в среднем составляет от 5 до 40 мг/сутки на кг массы человека, в зависимости от возраста, пола и физической нагрузки.

Недостаточность железа, сопровождающаяся железодефицитной анемией, является наиболее распространенным нарушением обмена железа и представляет собой медицинскую проблему. Железодефицитные анемии, вследствие широкого распространения в мире, относятся к числу заболеваний требующих первоочередного внимания и решения, на что указывается в программе ВОЗ в области питания [16,96]. Необходима точная информация о содержании железа в продуктах питания, суточном рационе, его усвояемости и потребностях.

Это состояние редко приводит к смертельному исходу, но вызывает мышечную слабость, утомляемость, снижает общую работоспособность и обуславливает отклонение от нормы в самочувствии у миллионов людей.

Развитие железодефицитных состояний протекает в три стадии: I стадия заключается в истощении запасов железа в депонирующих его органах; II стадия - в снижении транспорта железа или насыщении трансферрина железом; при III стадии ограничивается поступление железа из кровотока для синтеза гемоглобина и других важных железосодержащих соединений. Наиболее важна III стадия железодефицитных состояний, поскольку до ее наступления весьма редко встречаются какие-либо четко выраженные нарушения функций [10,19].

Дефицит железа в организме усиливает токсичное действие нитритов, выражающееся в увеличении метгемоглобинообразования и в снижении концентрации гемоглобина. Совместное введение нитритов и диэтиламина как предшественников эндогенного синтеза нитрозоамина (НА) приводит к несколько меньшему образованию МШЬ (метгемоглобина) в крови, возможно за счет того, что нитриты достаточно быстро вступают в реакцию нитрозирования и тем самым поступление свободных нитритов в крови уменьшается. При этом эндогенно синтезируемые НА также снижают концентрацию гемоглобина в крови, что является одним из проявлений их токсичных свойств. При дефиците железа резко увеличивается образование НА, что сопровождается уменьшением содержания цитохрома Р-450 в печени, причем это снижение находится в обратной зависимости от количества образовавшегося НА, что также является проявлением токсического действия эндогенно синтезированного НДЭА (нитрозо-диэтиламина).

Таким образом, дефицит железа увеличивает проявление токсического действия нитритов и тонизирует процессы эндогенного образования НА. Вместе с тем поступление нитритов и эндогенный синтез НА из их предшественников могут усугублять тяжесть течения железодефицитной анемии [21,22].

Дефицит железа можно предупредить только достаточным поступлением микроэлемента с продуктами питания или с содержащими железо препаратами.

Хорошо известно, что всасывание железа из пищи животного происхождения в 2-4 раза выше, чем из растительной [108,139].

Наиболее богаты железом: говядина, баранина, свинина, различные виды печени, в меньшей степени рыба, куриное мясо, яйцо. Из растительных продуктов больше всего содержится железа в бобовых (соя, горох, фасоль), укропе, салате и петрушке. Фрукты, особенно цитрусовые, содержат железа не больше, чем некоторые овощи, но благодаря большому содержанию лимонной и аскорбиновой кислот способствуют его усвоению. Минимальное количество железа содержится в редьке, кабачках, свежей капусте, чернике, винограде и грушах [2,18].

Другим способом увеличить поступление железа в организм, не повышая калорийности рациона и не нарушая соотношения других пищевых инградиен-тов, является обогащение пищи легко усвояемыми солями железа.

Способы введения железа в продукты самые разнообразные: источники железа растворяются в жидком пищевом продукте; напыляются на поверхность пищевого продукта; вносятся в виде микрокапсул.

Очень важное значение при обогащении пищевых продуктов железом имеет правильный и обоснованный выбор источника обогащения, так как ряд соединений железа плохо усваиваются организмом, например, ортофосфат, окись железа и др. К добавкам, содержащим железо, предъявляются при обогащении ими пищевых продуктов достаточно жесткие требования:

1) они не должны сообщать пищевым продуктам постороннего вкуса, запаха, цвета;

2) не должны вызывать порчу продукта при хранении;

3) должны хорошо растворяться в кислой среде;

4) образовывать соли, которые переходят в ионную форму.

Для того, чтобы оценить эффективность попадающего через систему пищеварения железа в восстановлении или увеличении железосодержащих соединений, необходимо знать биохимическую природу потребляемого железа, попадающего в организм с пищей и наконец, физиологические, патологические факторы, ограничивающие всасывание железа [56].

В пищевых продуктах существует две различные формы железа: гемовое и негемовое. На всасывание гемового железа не влияют связывающие и тормозящие усвоение железа вещества в пищевых продуктах и желудочном соке. Негемовое железо подвержено действию как уменьшающих, так и усиливающих усвоение железа веществ путем образования, соответственно, нерастворимых и растворимых компонентов [134,135].

Положительное влияние на всасывание железа оказывают медь, аминокислоты, фруктоза, соляная кислота желудочного сока, белки животного происхождения, некоторые витамины и особенно, аскорбиновая кислота, которая образует комплекс железа, растворимый в кислой среде желудка и поддерживает растворимость металла в щелочной среде тонкой кишки [26,32,109,140,154].

Многочисленные данные, приведенные в литературе свидетельствуют о том, что бифидобактерии повышают усвояемость микроэлементов в желудочно-кишечном тракте человека [17,110Д 11,113].

К ингибиторам всасывания железа относятся фосфаты, фитатты, таннаты, оксалаты, усиливается оно при преобладании в рационе пищевых волокон, углеводов и кальция [109].

При расчете поступления железа с пищей и составлении пищевых рационов для различных групп населения учитывается содержание в продукте алиментарного железа, его валентность, эффективность всасывания железа из данного соединения. Лучше всего усваиваются хорошо растворимые препараты железа, в которых элемент находится в 2-х валентной форме. Железо лучше усваивается при приеме натощак и между приемами пищи [13,29,44].

В последние годы широкое применение получили комплексные препараты железа с макро- и микроэлементами, витаминами и другими биологически активными веществами, которые увеличивают усвоение негемового железа: био-лакт, гемостимулин, амневит и др. При этом наблюдается большое увеличение концентрации железа в плазме крови, насыщение трансферрина железом, повышение активности металлоферментов, возрастание физической работоспособности и ежедневного прироста гемоглобина, нежели при приеме одного железа [1,3,14,118,122].

Таким образом, содержание железа и пище и факторы, влияющие на его усвояемость, являются основными детерминантами обеспеченности населения железом и распространенности железо дефицитных состояний.

По мнению большинства исследователей, основными этиологическими факторами дефицита железа у детей и взрослых является алиментарный, поэтому представляется целесообразной разработка методов диетической коррекции железо дефицитных состояний.

1.1.2. Структура и функции гемопротеидов

Железопорфирины функционируют как простетические группы важного

класса белков и ферментов - теми- и гемопротеидов [74]. Эти белки обладают различным действием. Они способны обратимо связывать кислород для транспорта (гемоглобин) или запасать его в связанном виде (миоглобин), они участвуют в восстановлении кислорода до воды (цитохром-с-оксидаза). Они также способны катализировать окисление различных функциональных групп кислородом, участвуют в процессах переноса электронов, а также катализируют разложение перекисей (каталаза, пероксидаза). Приставки гемо- и геми-происходят от названий железопорфириновых группировок, при этом железо (II) порфириновый комплекс называют гемом, а железо (III) порфирин - геми-ном [105].