автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка технологии белковой добавки, обогащенной цинком

На правах рукописи

Алексеева Ида Александровна

Разработка технологии белковой добавки, обогащенной цинком

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов

АВТОРЕ ФЕPAT диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ - 1998

Работа выполнена в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор И.С.Хамагаева, доктор химических наук, профессор М.М.Балданов

Официальные оппоненты - доктор биологических наук,

профессор С.Д-Жамсаранова, кандидат технических наук, доцент А.А.Бобрышев

Ведущая организация - Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН

Защита состоится « /г, декабря 1998 г. в часов на заседании диссертационного Совета К 064.68.01 в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу: Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40а. ИШ1 6700 ¡2>

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГТУ.

Автореферат разослан

ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

М.Б.Данилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы в пищевом рационе населения всех индустриально развитых стран наблюдаются неблагоприятные тенденции к уменьшению в рационах доли ряда эссенциапьных компонентов пищи. Повышенный интерес вызывает вопрос об обеспеченности организма жизненно необходимыми микроэлементами. К числу микроэлементов, дефицит которых выявляется наиболее часто, относится цинк, играющий исключительно важную биологическую роль в течении многих биохимических процессов в организме.

Вследствие низкого содержания цинка в основных продуктах питания и в силу неадекватности питания, зачастую количество этого микроэлемента, поступающего с пищей, не удовлетворяет потребности в нем организма. Дефицит цинка приводит к нарушениям в протекании многих физиологических процессов, вызывающим характерные заболевания.

Единственным высокоэффективным и быстрым путем решения задачи коррекции недостаточности цинка является применение биологически активных цинксодержащих добавок, предназначенных, для непосредственного приема внутрь или введения в состав пищевых продуктов. Однако введение в организм дополнительных доз цинка в течение длительного времени может вызвать нарушение метаболизма меди, так как эти микроэлементы являются антагонистами. Поэтому цинк необходимо вводить в рекомендуемом оптимальном соотношении с медью, которое составляет 5-7:1.

Достоверно известно, что употребление белков, особенно животного происхождения, значительно повышает усвояемость микроэлементов, которая в обычных условиях не превышает 20-30 % от их вводимого количества.

Разработанные, выпускаемые в промышленных масштабах, биологически активные добавки, включающие и источники белка и микроэлементы, преимущественно зарубежного исполнения и отличаются дороговизной («Гербалайф», «Нутрипауэр», «Энрич» и др.).

Поэтому разработка и создание специализированных белковых добавок, содержащих микроэлементы, являегся актуальным.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка технологии биологически активной добавки на основе белков молока с оптимальным соотношением цинка и меди.

Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи исследований:

изучить основные закономерности высокотемпературной коагуляции белков молока сульфатом цинка и сульфатом меди;

исследовать технологические режимы ферментации белковой массы бифи-добактериями для повышения биологической активности;

разработать технологию производства сухой белковой добавки с оптимальным соотношением Цинка и меди.

Научная новизна. Доказана возможность высокотемпературной коагуляции белков молока сульфатом цинка и сульфатом меди. Выявлено, что коагуляция белков при использовании указанных солей подчиняется одним и тем же закономерностям, причем коагулирующая способность сульфата меди выше, чем сульфата цинка, но гораздо ниже, чем.хлористого кальция. При исследовании ионообменного взаимодействия сульфата цинка с белками молока установлено, что доля сульфата цинка, вступающего в ионный обмен с протонирован-ными группами макромолекул белков, выше, чем хлористого кальция. Изучены технологические режимы ферментации сгустка, полученного термоцинковой коагуляцией, закваской бифидобактерий. Установлено, что ионы цинка стимулируют рост бифидобактерий, а ионы меди подавляют их развитие.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований разработана технология производства комплексной пищевой добавки многофункционального действия, предназначенной для лечения и профилактики недостаточности цинка (ТУ 9224-002-020694730-98). Добавка содержит в своем составе:

• жизненно необходимые микроэлементы - цинк и медь, обеспечивающие нормальное протекание биохимических процессов в организме;

• легкоусвояемые молочные белки, из всех белков животного происхождения обладающие наибольшей биологической ценностью;

• бифидобактерии, нормализующие микрофлору кишечника.

Опытно-промышленная проверка технологии проведена в лаборатории

сублимационной сушки ВСГТУ.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на научных конференциях преподавателей, научных работников, аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 1995-1998 гг.); на Второй всероссийской научно-теоретической

конференции «Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» (Углич, 1996); на международной научной конференции «Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК" (Краснодар, 1997); на Российской научно-практической конференции "Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования" (Кемерово, 1997).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, методики экспериментальных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов и списка использованной литературы.

Диссертация изложена на ННЙ страницах машинописного текста, содержит •Ц таблиц и (б рисунков. Список использованной литературы включает Н67 наименования, в том числе 66 работ зарубежных авторов.

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная часть работы выполнена в лабораториях кафедры «Технология молочных продуктов. Товароведение и экспертиза товаров» и кафедры «Неорганическая и аналитическая химия». Схема проведения исследований представлена на рис.1 (цифрами обозначены исследуемые показатели).

Схема включает следующие основные разделы:

1. Исследование технологических параметров коагуляции белков молока сульфатом цинка и изучение процесса ферментации полученной белковой массы.

2. Изучение основных закономерностей осаждения белков молока при использовании в качестве коагулянта сульфата меди.

3. Разработка технологии сухой комплексной добавки с оптимальным соотношением цинка и меди.

Для ферментации белковой массы использован сухой концентрат бифидо-бактерий (ТУ 10-8-08-22-92).

Исследование технологических режимов коагуляции белков молока сульфатом цинка 1,2,4,5,7

Изучение ионообменного взаимодействия сульфата цинка с белками молока 3 \

Исследование процесса ферментации белковой массы активной закваской бифидобактерий 2,5,7,8,10

Влияние сублимационной сушки на качественные показатели полученной белковой массы 1,2,3,5,7,9,10,11

Показатели:

1. Органолептическая оценка

2. Титруемая кислотность

3. Активная кислотность

4. Содержание азота, белковых веществ

5. Содержание цинка

6. Содержание меди

7. Массовая доля влаги

8. Молочная кислота

9. Растворимость

10. Количество клеток бифидобактерий

11. Количество бактерий группы кишечной палочки___

Исследование технологических режимов коагуляции белков молока

сульфатом меди 4,6,7

Влияние сублимационной сушки на качественные показатели полученной белковой массы 1,2,3,6,7,9,10,11

Рис.1. Схема проведения исследований

При выполнении работы использовались стандартные, общепринятые в исследовательской практике физико-химические, биохимические и микробиологические методы исследований.

Содержание цинка и меди определяли полярографическим методом со стационарным электродом с предварительным озолением проб способом сухой минерализации. В качестве фона использовали хлористый калий. Количественный учет бифидобактерий проводили методом серийных разведений на модифицированной среде В1аигоск.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью методов математического и корреляционного анализа на ШМ РС.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение технологических параметров процесса коагуляции белков молока солью цинка

В молочной промышленности ийпользуется осаждение белков молока термокальциевой коагуляцией, которая являегся методом комплексного выделения всех белков молока и обеспечивает максимальную степень их использования. Поскольку кальций и цинк являются элементами одной группы периодической системы, нами была выдвинута гипотеза о возможности коагуляции белков молока солью цинка. В состав всех биологически активных добавок, содержащих микроэлементы, цинк входит в виде сернокислой соли. В медицинской практике из соединений цинка также чаще всего используется сернокислый цинк. Поэтому в качестве коагулянта был выбран сульфат цинка.

На первом этапе исследований были изучено влияние различных режимов коагуляции на степень использования белковых веществ молока. Результаты представлены на рис. 2.

Из данных рисунка видно, что степень использования белков молока возрастает с увеличением дозы коагулянта и повышением температуры. При этом на степень использования казеина большее влияние оказывает количество вносимого сульфата цинка, а на степень использования сывороточных белков - повышение температуры.

В доза соли 0,1 г/100мл Шдоза соли 0,2 г/100мл □ доза соли 0,4 г/100мл Шдозасоли 0, б г/100мл

а)

90 95 98 I, ОС

Шдоза соли 0,1 г/100 ил О доза соли 0,2 г/100мл □доза соли 0,4 г/100мл Шдоза соли 0,6 г/100мл б)

Рис.2, Влияние различных режимов коагуляции на степень использования белковых веществ молока: а) казеина, б) сывороточных белков

Изучение качественных показателей сгустков, полученных при различных режимах коа:гуляции, показало, что тепловая обработка при 95 °С и доза вносимого коагулянта 0,2 г на 100 мл молока обеспечивают получение сгустка с высокими технологическими характеристиками и максимальное использование белковых веществ молока: казеина и сывороточных белков. Качественная характеристика сгустка представлена в табл. 1.

Таблица 1

Качественные показатели белкового сгустка термоцинковой коагуляции

Показатель Характеристика

Консистенция Цвет Вкус и запах Кислотность, °Т Содержание влаги, % Содержание мг/г Содержание бактерий группы кишечной палочки в 0.1 г Контаминация Творожистая, однородная Белый Пресный, с легким специфическим привкусом, без запаха 80 75 4.9 Отсутствуют Отсутствует

+

Следует отметить довольно высокое содержание цинка в белковой массе. Для удовлетворения суточной потребности в цинке организма взрослого человека достаточно трех граммов продукта.

Кроме качественной и количественной оценки параметров процесса коагуляции было интересно изучить характер связывания ионов цинка с белковыми компонентами молока, поскольку высокотемпературное осаждение белков молока сульфатом цинка ранее не проводилось.

В дальнейших исследованиях изучали долю ионообменного взаимодействия сульфата цинка с атомными группировками белков молока, содержащих ион водорода гю методу Пасынского. \

На основании экспериментальных данных титрования с помощью математической обработки выводили уравнение, связывающее концентрацию [ЬГ] с концентрацией прибавленной серной кислоты. То же самое выполняли и для пробы, титруемой сернокислым цинком (уравнение 1 и 2 соответственно).

[Н*] = 2.04 + 36.6-С2 нйо< (1) [Н4] = 2.43 + 5 С2 (2) Для каждой пары равных концентраций Н^-ионов в молоке для пробы, титруемой серной кислотой, и пробы, титруемой сернокислым цинком, существует определенная концентрация этих соединений, то есть для каждого [Н+] нйо< = [ЬПггёо« имеется соответствующая неравная концентрация [НгБО^] и [2п50<]. В этих точках концентрация серной кислоты соответствует количеству сульфата цинка, вступившего в ионообменную реакцию с составными частями молока.

г/л % По данным титрования вы-----г4Х

числяли количество 2п5С>4, всту-46 пающего в реакцию ионного об--44 мена. Результаты приведены на , рис. 3.

Как видно из рис. 3, с увеличением концентрации соли количество сульфата цинка, вступающего в ионный обмен возрастает, однако процент его от

Рис.З. Изменение количества соли,

вступившей в ионный обмен общего содержания в молоке па-

дает. Так, при концентрации

§ 5 5 04 ° а §

§ | 8 0.3

| I I 0,2

5 I § § 0,1

о

0,16 0.25 0.3 0,62 0,77 0.9 1,08 1.22 1,3 Общее содержание соли, г/л —ж—г/л -в—%

2п804 0.5 г/л в реакции участвует 44%, а при концентрации 1 г/л - около 40%. -Очевидно, это связано с уменьшением ионообменной емкости белков молока вследствие насыщения функциональных групп, способных к ионному обмену.

По данным Пасынского, при взаимодействии хлористого кальция - традиционно используемого в молочной промышленности коагулянта с белками молока, в ионообменную реакцию при общем содержании 1 г/л вступает 25% соли. Следовательно, доля 2п80.1, вступающего в ионный обмен выше, чем СаСЬ.

Вероятно, это связано с тем, что ионы цинка имеют гораздо меньший ра- ] диус, чем ионы кальция, что облегчает их доступ к потенциальным центрам связывания в мицеллах казеина и макромолекулах сывороточных белков. Третичная структура белков ограничивает свободу изгибания и скручивания их макромолекул, а наличие в полипептидной цепи разноименно заряженных функциональных групп может затруднять подход ионов металлов к потенциальному центру связывания. Поэтому активные центры, доступные для связывания ионов цинка, могут быть экранированы для ионов кальция.

При более высоких концентрациях соли начинается осаждение белков молока, и взаимодействие сульфата цинка характеризуется преимущественно молекулярной абсорбцией. Об этом свидетельствует гораздо большее содержание цинка в белковом сгустке, полученном термоцинковой коагуляцией.. Здесь может иметь место и образование координационных связей, и механический захват частицами коагулянта.

Таким образом, в результате исследований определены оптимальные технологические параметры коагуляции белков молока сульфатом цинка: температура 95 °С и доза соли 0,2 г/100 мл молока. Установлено, что взаимодействие сульфата цинка с белковыми компонентами молока осуществляется за счет ионообменной реакции и молекулярной абсорбции соли.

Выбор и обоснование технологических режимов ферментации белковой массы, обогащенной цинком

Известно, что бифидобактерии, обладающие целым рядом уникальных свойств, способствуют белковому и минеральному обмену..

Поэтому на следующем этапе экспериментов белковый сгусток, полученный при выбранных ранее рациональных режимах термоцинковой коагуляции, ферментировали активной закваской чистых культур бифидобактерий.

Для выбора оптимальных режимов исследовали влияние дозы вносимой закваски на активность биохимических процессов. Ферментацию проводили при оптимальной температуре для развития микроорганизмов - 37 °С.

Из данных рис. 4 видно, что активность кислотообразования увеличивается пропорционально повышению массовой доли закваски. Наиболее интенсивно процесс кислотообразования протекает при использовании 15% закваски. Однако количественный учет клеток бифидобактерий (рис. 5) показал, что достаточно высокое количество клеток обеспечивает использование и 5%, и 10% закваски. При ферментации сгустка 10%-ой дозой закваски практически полностью нивелируется его легкий вяжущий привкус, и сгусток приобретает слабый кисломолочный вкус. Поэтому доза закваски 10% была выбрана в качестве оптимальной.

Сравнение полученных экспериментальных данных с данными аналогичных исследований по ферментации сгустка традиционной термокальциевой коагуляции показывает, что в нашем случае продолжительность процесса ферментации заметно сокращается. Следовательно, ионы цинка не только не подавляют рост

0 3 4 5 6

Время, ч

Рис.4. Влияние дозы закваски бифидобактерий на активность кислотообразования: ■ доза закваски 5% 2 - доза закваски 10% 3 - доза закваски 15%

Рис. 5. Влияние дозы закваски на рост

клеток бифидобактерий; I I - 5% закваски, П - 10% закваски

клеток бифидобактерий, но и интенсифицируют их развитие.

Исследования по изучению перераспределения цинка в системе сгусток-сыворотка (данные представлены на рис.6 и 7) показали, что в процессе ферментации наблюдается накопление цинка в сгустке и уменьшение его содержания в сыворопсе.

к к

я и о о К о я ¡с

К £

о,

и «

о О

800 600 400 200 0

0

л

--

3

4 5

Время.ч

1 — 5% закваски 2 —10% закваски

к к и

Ы с о. £

« о

и

120 100 80 60 40 20 О

0 3

1-5% закваски

4 5

Время, ч 10% закваски

Рис. 6. Изменение содержания цинка в белковом сгустке в процессе ферментации.

Рис.7. Изменение содержания цинка в сыворотке в процессе ферментации.

Характер кривых, представленных на рисунках, показывает, что наибольшее изменение количества цинка происходит после 3 часов ферментации, т.е. в период, когда наблюдается наиболее интенсивный рост клеток бифидобактерий. Следовательно, бифидобактерии способствуют переходу ионов 2л1* из сыворотки в сгусток в процессе ферментации. Развиваясь в белковой среде, бифи-■ добакгерии вызывают протеолиз казеина с высвобождением дополнительных атомных группировок, способных связывать цинк.

Качественные показатели ферментированного сгустка представлены в табл.2. Сгусток обладает хорошими органолешическими характеристиками и содержит достаточно высокое количество клеток бифидобактерий.

Для продления сроков хранения бифидосодержащей белковой добавки, обогащенной цинком, была использована сублимационная сушка как наиболее перспективная из всех способов консервирования пищевых продуктов и позволяющая максимально сохранить исходные свойства продукта.

Таблица 2

Качественные показатели белкового сгустка, обогащенного цинком и бифидобакгериями

Показатели Характеристика

Консистенция Однородный, творожистый

Вкус и запах Слабый кисломолочный, без запаха

Цвет Белый, однородный по всей массе

Кислотность, °Т 80

Содержание влаги, % не более 75

Содержание цинка, иг/г 5.1

Количество клеток бифидобактерий, к.о.е. 5-109

Содержание бактерий группы кишечной не допускается

палочки в 0.1 г продукта

Контаминация не допускается

\

. Качественные показатели сухого продукта представлены в табл. 3.

Таблица 3

Качественные показатели сухой белковой добавки, обогащенной _цинком и бифидобакгериями_;_

Показатели Характеристика

Внешний вид Крупинки разного размера, легко

рассыпающиеся при сдавливании

Вкус и запах Слабый кисломолочный,без запаха

Цвет Белый

Содержание цинка, мг/г 22

Количество клеток бифидобактерий, к.о.е. 108

Содержание влаги, % 3

Растворимость, % 65

Содержание бактерий группы кишечной не допускается

палочки в 0.1 г продукта

Контаминация не допускается

Согласно данным таблицы, в процессе сублимационной сушки количество клеток бифидобактерий снижается на порядок, но все же остается на достаточ-

но высоком уровне. Содержание цинка в грамме продукта увеличивается примерно в четыре раза.

Таким образом, в результате проведенных, исследований установлены оптимальные технологические режимы ферментации белковой массы, полученной термоцинковой коагуляцией: доза закваски 10% и продолжительность ферментации - 4 часа. Сублимационная сушка позволила продлить сроки хранения до 12 месяцев.

Изучение технологических параметров процесса коагуляции белков молока сульфатом меди

Результаты предварительной клинической апробации полученной белковой добавки, проведенной на кафедре детских болезней в Иркутском государственном медицинском университете, показали, что при ее использовании для лечения недостаточности цинка на фоне коррекции дефицита цинка у больных наблюдалось развитее признаков недостаточности другого микроэлемента - меди вследствие их антагонистичности. Между содержанием цинка и меди в тканях организма существует тесная связь, и изменение концентрации одного из них ведет к сдвигу содержания другого. Дополнительные дозы цинка препятствуют усвоению меди при всасывании в кишечнике, что в конечном счете приводит к дефициту в организме последнего.

Между тем, медь имеет не меньшее биологическое значение для организма, чем цинк, и его недостаток также ведет к неблагоприятным последствиям. Поэтому необходимо разработать белковую добавку с оптимальным соотношением цинка и меди, которое 5-7:1.

Поэтому в дальнейших экспериментах изучали процесс коагуляции белков молока сульфатом меди. В результате исследования влияния различных режимов коагуляции на степень использования белковых веществ молока установлено, что коагуляция белков молока сульфатом меди подчиняется практически тем же закономерностям, что и коагуляция сульфатом цинка. Оптимальными технологическими параметрами процесса также являются температура 95 °С и доза вносимой соли 0,2 г/100 мл молока.

Следует отметать, что коагулирующая способность ионов Си2+ несколько выше, чем ионов Zn1+, так как при равных концентрациях этих ионов степень

использования белковых веществ молока при коагуляции меди в среднем приблизительно на 1 % выше, чем при коагуляции сульфатом цинка. Очевидно, это связано с тем, что медь образует связи примерно в 10 раз сильнее, чем цинк.

Изучение процесса ферментации сгустка, полученного осаждением белков молока сульфатом меди, закваской бифидобакгерий показало, что ионы Си2+ в отличие от ионов Ъ^ подавляют рост этих микроорганизмов.

Качественные показатели белкового сгустка, полученные коагуляцией сульфатом меди, до сублимационной сушки и после нее представлены в табл. 4 и 5 соответственно.

Таблица 4

. Качественные показатели белкового сгустка, обогащенного медью

Показатель Характеристика

Консистенция Вкус и запах Цвет Содержание влаги, % Содержание меди, мг/г Содержание бактерий группы кишечной палочки Контаминация Творожистая, слегка зернистая Пресный, с выраженным металлическим привкусом Голубой, неоднородный, с более темными вкраплениями 75 4.4 не допускается не допускается

Таблица 5 Качественные показатели сухой белковой добавки, обогащенной медью

Показатели Характеристика

Внешний вид Вкус и запах Цвет Содержание меди, мг/г Содержание влаги, % Растворимость, % Содержание бактерий группы кишечной палочки в 0.1 г продукта Контаминация Комочки разного размера, легко рассыпающиеся при сдавливании Пресный, с выраженным металлическим привкусом, без запаха Голубой, равномерный по всей массе 19.6 3 70 не допускается не допускается

Таким образом, в результате исследований выявлено, что высокотемпературная коагуляция белков молока сульфатом меди подчиняется тем же закономерностям, что и сульфатом цинка.

Разработка технологии белковой добавки с оптимальным соотношением цинка и меди

Данные предыдущих исследований позволили разработать технологию производства биологически активной бифидосодержащей добавки, обогащенной цинком в оптимальном соотношении с медью. Технологический процесс осуществляется в последовательности, приведенной на рис 7.

Приемка и оценка качества сырья

Пастеризация, 1=72 °С, т=15 с 4,

Хранение, 1=4-6 "С

Подогрев ^о 95 °С > г/1

I

Коагуляция белков молока.

Внесение гпБО^, 200 г/100 кг, СиБОд, 200 г/100 кг

* I-

Охлаждение сгустка и частичное Охлаждение удаление сыворотки, 1=40°С, 50%

4'

Внесение закваски, ферментация Розлив сгустка в мешочки и

время 4 часа, г=37 "С самопрессование

•Ь

Розлив сгустка в мешочки и 1 самопрессование

т

Измельчение сгустка Измельчение сгустка

4. 4

Замораживание, 1=-18 "С Замораживание, 1=-18 "С

4- I

Сублимационная сушка, Сублимационная сушка,

1=50°С,т=10ч 1=50 "С, 1=10 ч

-;--1--

Смешивание, 50 кг: 10 кг

Фасовка, упаковка

Хранение

Рис. 7. Технологическая схема производства бифидосодержащей белковой добавки, обогащенной цинком в оптимальном соотношении с медью.

Готовый продукт должен удовлетворять требованиям, представленным в табл. 9.

Таблица 9

Качественные характеристики белковой добавки с оптимальным соотношением цинка к меди

Показатели Характеристика

Внешний вид Крупинки разного размера, легко рассыпающиеся при сдавливании

Вкус и запах Слабый кисломолочный, без запаха

Цвет Бледно-голубой

Содержание меди, мг/г 3.2

Содержание цинка, мг/г 18.3

Количество клеток бифидобактерий, к.о.е. 108

Содержание влаги, % 3

Растворимость, % 65

Содержание бактерий группы кишечной не допускается

палочки в 0.1 г продукта

Контаминация не допускается

Таким образом, нами получена комплексная пищевая добавка, которая является препаратом многофункционального действия и может быть использована для профилактики и терапии недостаточности цинка как непосредственным употреблением внутрь, так и добавлением к продуктам питания.

ВЫВОДЫ:

1. На основании проведенных исследований разработана технология сухой белковой добавки с оптимальным соотношением цинка и меди.

2. Изучены технологические режимы высокотемпературной коагуляции белков молока сульфатом цинка и сульфатом меди.

3. Установлено, что взаимодействие сульфата цинка с белковыми компонентами молока происходит в результате молекулярной абсорбции и ионообменной реакции.

4. Выбраны к обоснованы технологические параметры процесса ферментации белкового сгустка термоцинковой коагуляции бифидобактериями.

5. Выявлено, что бифидобактерии способствуют переходу цинка в сгусток в процессе ферментации.

6. Установлено, что сублимационная сушка позволяет получить продукт высокого качества, пригодный для длительного хранения.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Хамагаева И.С., Балданов М.М., Данилов М.Б., Алексеева И.А. Медико-биологические аспекты создания продукта, обогащенного цинком // Сб. науч. тр. /ВСГТУ,- Улан-Удэ, 1996.

2. Хамагаева И.С., Балданов М.М., Данилов М.Б., Алексеева И.А. Способ коагуляции белков мблока сульфатом цинка //Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности: Тез. докл. науч-теор. конф.- Углич, 1996.

3. Хамагаева И.С., Балданов М.М., Данилов М.Б., Алексеева И.А. Исследование взаимодействия сульфата цинка с компонентами молока //Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования: Тез докл. Росс, на-уч.-прахт. конф.-Ч. 2,- Кемерово, 1997.

4. Хамагаева И.С., Балданов М.М., Данилов М.Б., Алексеева И.А. Пищевая добавка, обогащенная цинком //Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК: Тез. докл. междунар. науч. конф.-Краснодар, 1997.

5. Хамагаева И.С., Балданов М.М., Данилов М.Б., Алексеева И.А. Влияние ионов цинка на рост и развитие бифидобактерий // Сб. науч. тр. /ВСГТУ.- Улан-Удэ, 1997,

6. Хамагаева И.С., Балданов М.М., Данилов М.Б., Алексеева И.А. Сухая белковая добавка, обогащенная цинком //Пища. Экология. Человек: Тез. докл. 2- й междунар. науч.-тех. конф.-М., 1997.

7. Хамагаева И.С., Данилов М.Б., Алексеева И.А. К коагуляции казеина ионами цинка //Пища. Экология. Человек: Тез. докл. 2- й междунар. науч.-тех. конф.-М., 1997.

Подписано в печать 10.11.98 г. Формат 60/84 1/16. Усл.п.л. 1,16, уч.-изд.л. 0,8. Тираж 50 экз. С. IЧЪ-Отпечатано в типографии ВСГТУ. Г. Улан-Удэ, ул.Ключевская, 42

- 97 у

Восточно-Сибирский государственный технологический

университет

На правах рукописи

Алексеева Ида Александровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БЕЛКОВОЙ ДОБАВКИ, ОБОГАЩЕННОЙ ЦИНКОМ

05.18.04. Технология мясных, молочных и рыбных

продуктов ^

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор И.С.Хамагаева, доктор химических наук,

Улан-Удэ 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 7

1.1. Биологическая роль цинка и проявления его недостаточности в 7 организме человека

1.2. Молекулярные и коллоидные свойства белков молока 14

1.2.1. Способы коагуляции белков молока 17

1.2.2. Взаимодействие белков с ионами металлов 20

1.3. Особенности технологии продуктов питания, обогащенных 25 бифидобактериями

1.4. Сублимационная сушка пищевых продуктов. Особенности 31 сублимационной сушки молочных продуктов

1.5. Заключение по обзору литературы и задачи исследований 36 Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. 39

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Постановка эксперимента и материалы исследований 39

2.2. Методы исследований 41

2.2.1. Биохимические методы 41

2.2.2. Микробиологические методы 46

2.3. Статистическая обработка результатов 47 Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 49 ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ БЕЛКОВ МОЛОКА СУЛЬФАТОМ ЦИНКА

3.1. Влияние различных режимов коагуляции на степень 49

использования белковых веществ молока

3.2. Исследование взаимодействия ионов цинка с белковыми 57 компонентами молока.

3.3. Изучение качественных характеристик белковой добавки, 67 обогащенной цинком.

3.4. Изучение сроков хранения белковой добавки, обогащенной 68 цинком.

3.5. Влияние сублимационной сушки на качественные характеристики 70 белковой добавки, обогащенной цинком.

3.6. Технологическая схема производства сухой белковой добавки, 72 обогащенной цинком

Глава 4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 76

РЕЖИМОВ ФЕРМЕНТАЦИИ БЕЖОВОГО СГУСТКА

ТЕРМОЦИНКОВОЙ КОАГУЛЯЦИИ БИФИДОБАКТЕРИЯМИ

4.1. Исследование и выбор дозы вносимой закваски при 77 ферментации сгустка термоцинковой коагуляции

4.2. Изучение содержания цинка в белковом сгустке и сыворотке в 83 процессе ферментации

4.3. Разработка технологии производства бифидосодержащей 87 белковой добавки, обогащенной цинком.

Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУХОЙ 90

БЕЛКОВОЙ ДОБАВКИ, ОБОГАЩЕННОГО МЕДЬЮ

5.1. Исследование технологических параметров процесса коагуляции 91 белков молока сульфатом меди

5.2. Технологическая схема производства сухой белковой добавки, 95

обогащенной медью

Глава 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БЕЛКОВОЙ ДОБАВКИ С 98

ОПТИМАЛЬНЫМ СООТНОШЕНИЕМ ЦИНКА И МЕДИ

ВЫВОДЫ 101

БИБЛИОГРАФИЯ 102

ПРИЛОЖЕНИЯ 117

ВВЕДЕНИЕ

Современная наука о питании рассматривает пищу главным образом как интегральный источник основных пищевых веществ и энергии, а также важнейших минеральных веществ, микроэлементов, витаминов как подлинных источников жизни и основ метаболических процессов [67, 74].

При адекватном потреблении пищи, сбалансированной с учетом физиологических потребностей в пищевых веществах и энергии, человеку удается до глубокой старости сохранить здоровье.

Однако в последние годы в пищевом рационе населения всех индустриально развитых стран, в том числе и России, наблюдаются неблагоприятные тенденции к уменьшению в рационах доли ряда эссенциальных компонентов пищи.

Результаты широкомасштабных эпидемиологических исследований, охватывающих более 90% страны, проведенных под руководством института питания Российской академии медицинских наук (РАМН), позволили выявить наиболее важные нарушения в пищевом статусе населения России [13, 21, 86].

Среди них наиболее остро стоит вопрос об обеспеченности организма жизненно необходимыми микроэлементами. К числу микроэлементов, дефицит которых выявляется наиболее часто, относится цинк, играющий исключительно важную биологическую роль в течении многих биохимических процессов в организме. В настоящее время известно более 100 цинк-протеинов, большинство из которых являются металлоферментами [151, 152, 162].

Вследствие низкого содержания цинка в основных продуктах питания и в силу неадекватности питания, зачастую количество этого микроэлемента, поступающего с пищей, не удовлетворяет потребности в нем организма. Дефицит цинка

приводит к нарушениям в протекании многих физиологических процессов, вызывающим характерные заболевания.

Единственным высокоэффективным и быстрым путем решения задачи коррекции недостаточности цинка является применение биологически активных цин-ксодержащих добавок, предназначенных для непосредственного приема внутрь или введения в состав пищевых продуктов.

Достоверно известно, что употребление белков, особенно животного происхождения, значительно повышает усвояемость цинка, которая в обычных условиях не превышает 20-30 % от его вводимого количества [72].

Разработанные, выпускаемые в промышленных масштабах, биологически активные добавки, включающие и источники белка и микроэлементы, преимущественно зарубежного исполнения и отличаются дороговизной («Гербалайф», «Нутрипауэр», «Энрич» и др.).

Поэтому разработка и создание специализированных белковых добавок, обогащенных цинком, является актуальным.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Биологическая роль цинка и проявления его недостаточности

в организме человека

В последние годы исследователями все большее внимание уделяется микроэлементному составу рационов. Это объясняется высокой биологической активностью микроэлементов, которые, подобно витаминам и гормонам, участвуют в различных видах обмена, тканевом дыхании, процессах роста, размножения, иммуногенеза.

По мере накопления научных фактов о биологической роли отдельных микроэлементов и уровнях обеспеченности ими населения число микроэлементов, включаемых в сочетании с другими биологически активными веществами в арсенал терапевтических средств для лечения различных заболеваний, постоянно возрастает. Цинк (Zn) включен в такие препараты сравнительно недавно.

Между тем роль цинка как биоэлемента установлена более 100 лет назад, когда в 1869 году J. Raulin доказал, что он необходим для роста Aspergillus niger.

На биологическое значение цинка указывали Food и соавторы [121], получившие в опытах на крысах доказательство необходимости цинка для роста и развития этих животных.

Цинк выявляется во всех органах и тканях человека от 10 до 220 микрограмм (мкг) на 1 грамм (г) сырой ткани. Общее содержание цинка в организме человека массой 70 килограмм (кг) составляет от 1.4 до 2.5 г, 12-22% этого количества приходится на плазму, 75-85% на эритроциты и 3% - на лейкоциты [55]. Относительно высокий уровень цинка в эритроцитах объясняется значительной концентраци-

ей в них металлофермента - угольной ангидразы (карбоангидразы), содержащей Zn в качестве специфического металла-активатора. Между активностью фермента и содержанием цинка в эритроцитах существует прямая зависимость. При различных формах пневмонии и кислородной недостаточности, а также при анемиях наблюдается переход Zn из плазмы в эритроциты, в них увеличивается содержание карбоангидразы и повышается ее активность, что способствует более быстрому связыванию С02, а следовательно, и более интенсивному поглощению Ог.

А.О.Войнар [19] отводит ферменту карбоангидразе не меньшую роль, чем гемоглобину, а цинку по участию в процессах тканевого дыхания придает такое же значение, как железу.

Со времени первого указания на присутствие цинка в карбоангидразе [139] идентифицировано более 100 цинк-протеинов, большинство из которых являются металлоферментами [150, 162]. Цинк входит в структуру нескольких дегидроге-наз, альдолаз, ДНК- и РНК-полимераз, пептидаз, фосфатаз, циклической фосфо-диэкстразы, что свидетельствует об его участии в обмене белков, жиров, нуклеиновых кислот, углеводов, витаминов, гормонов [89]. Цинк необходим для всех фаз клеточного цикла [156]. Он стабилизирует проницаемость клеточных и внутриклеточных мембран, действует как протектор на свободно-радикальные реакции, участвует в процессе мембранного транспорта [106, 114, 152]. Цинк играет важную роль в иммунных процессах. Он повышает синтетическую способность печени, чувствительность клеток к вирусам и участвует в обезвреживании токсинов, улучшая защитные свойства организма. Цинк необходим более чем для 80 процессов обмена веществ [9].

Ряд авторов [55, 128] указывает на роль цинка в поддержании остроты вкуса и нормального аппетита, особенно у детей.

Важнейшая роль цинка в обмене нуклеиновых кислот, белка, росте и развитии костей, обмене половых гормонов определяет ведущее значение цинка для процессов роста и полового созревания детей и подростков.

По сообщениям ряда авторов, цинк благоприятно влияет на течение кадмиевой интоксикации [22, 119, 124, 147]. Попадая в организм совместно с кадмием, он проявляет по отношению к кадмию антагонистический эффект и способствует элиминации последнего [4, 163]. Есть сведения, что цинк проявляет такой же эффект и по отношению к свинцу [57].

Механизмы регуляции баланса цинка в организме еще мало изучены. В обычных условиях коэффициент абсорбции цинка составляет в среднем около 30% [55]. Между дозой потребления и величиной усвоения существует четкая связь. На процессы всасывания 7ж в кишечнике существенную роль играет концентрация самого 7л\ в клетках тканей организма, количество поступившего с пищей микроэлемента, соотношение других пищевых веществ, угнетающих или ускоряющих абсорбцию цинка в желудочно-кишечном тракте, а также возраст, объем и интенсивность выполняемой мышечной работы [51].

Установлено, что абсорбция и удержание цинка в организме человека возрастает с увеличением потребления белка и что между концентрацией Ъъ. и белка в сыворотке крови существует достоверная прямая корреляция [56]. Следовательно, белок может быть главной детерминантой в поддержании гомеостаза цинка в организме.

Наличие в пищевом тракте растительных кислот, пищевых волокон, вообще растительных продуктов, сводит всасывание Ъ\\ к минимуму. Исследования на животных показали, что абсорбция цинка в кишечнике подавлялась высоким содержанием в пище кальция и фосфора [55]. Снижение уровня цинка наблюдалось

и при питании преимущественно углеводной пищей и при почти полном отсутствии продуктов животного происхождения, содержащих цинк.

Незаменимость цинка для течения кардинальных процессов жизнедеятельности ярко проявляется при его недостаточности. Этимологические факторы при синдроме недостаточности цинка могут быть как врожденные - энтеропатический акродерматит, серповидноклеточная анемия; так и приобретенные - алиментарный дефицит цинка, увеличенная потребность организма в цинке, сниженная усвояемость, избыточные потери и др.

В 1978 году Prasad [150] впервые описал симптомокомплекс болезни, позднее получившей название болезни Прасада, и связал это заболевание с дефицитом цинка. Болезнь Прасада характеризуется низким ростом, даже карликовостью, недостатком полового развития, срастанием эпифизов, дерматитом, увеличением печени и селезенки. Дефицит цинка в организме сопровождается также снижением иммунитета, диареей, потерей аппетита.

В наблюдениях на людях и в экспериментах на многих видах животных было установлено, что недостаток цинка во время беременности может приводить к широкому спектру врожденных уродств у потомства [134, 135, 141], способствовать уменьшению массы мозга у плодов и нарушению поведения у потомков [157]. Глубокий дефицит цинка может привести к самопроизвольным абортам на ранних сроках беременности, преждевременным родам и рождению недоношенных детей [103].

Так, в Иркутской области, где наблюдается низкое содержание цинка в почвах, из общего числа родившихся в 1993 году детей 7.6% составили недоношенные дети, 2.7% детей родились с признаками замедленного роста и недостаточности питания при доношенной по срокам беременности [75].

Тяжелые уродства центральной нервной системы и скелета наблюдали у потомства матерей, страдавших энтеропатическим акродерматитом, дефицит цинка у которых не контролировался во время беременности, тогда как адекватная терапия недостаточности Zn у таких женщин обуславливала нормальное развитие плода.

К несомненным успехам последних десятилетий относится открытие патогенетической роли цинка при ряде генетических заболеваний. К числу таких заболеваний относится энтеропатический акродерматит (ЭА) - редкое наследственное заболевание, приводящее к смерти без лечения. В 1973 году E.Moyanahan и P.Barnes [146] впервые показали, что ЭА является следствием и проявлением тяжелого дефицита цинка. Полагают, что в результате генетического дефекта нарушается всасывание в кишечнике, что приводит к патологии. ЭА клинически проявляется типичными признаками дефицита Zn. Для него характерны поражения кожи на конечностях и вокруг естественных отверстий тела, тяжелые желудочно-кишечные расстройства, глазные симптомы, нервно-психические нарушения, замедление роста, плохой аппетит. Многочисленные наблюдения показали, что лечение препаратами цинка приводит к быстрому улучшению и полной клинической ремиссии [151,152]. Проявления акродерматита быстро исчезают после внутривенного введения Zn. Это может служить доказательством, равным экспериментальному, роли цинка при данном заболевании.

Другим наследственным заболеванием является серповидноклеточная анемия [151]. Она характеризуется задержкой у лиц мужского пола полового развития и гипогонадизмом, т.е. отсутствием вторичных половых признаков, и другими симптомами хронической недостаточности цинка [51]. У многих больных наблюдается возникновение незаживающих язв на ногах. Дополнительное введение Zn

способствовало заживлению язв, рефрактерным к другим методам лечения [118].

Есть сообщения о низком уровне цинка в плазме крови у детей с болезнью Дауна [127].

Из вышеизложенного следует, что проблема коррекции дефицита Zn в настоящее время весьма актуальна. Современные представления о метаболизме цинка выдвигают три основных пути такой коррекции:

• создание адекватных пищевых режимов

• введение в организм белков, связывающих и транспортирующих цинк

• применение солей цинка

Содержание цинка в основных продуктах питания в среднем составляет (мг на 100 г): мясо - 2-6; рыба и морские продукты - 1.5; рожь, пшеница, кукуруза -1.5-5; белый хлеб - 0.6; картофель - 0.8; рис - 0.4-0.7; масло - 0.1; молоко и молочные продукты - 0.3; яйца - 1-1.5; апельсиновый сок - 0.04 [55, 126].

Среднесуточная потребность в цинке здорового взрослого человека составляет 15 мг (0.2 мг на 1 кг массы тела), детей 5-10 мг (0.3-0.6 мг/кг) [121]. Более высоки потребности в Zn у беременных женщин, спортсменов, пожилых людей, лиц, перенесших хирургические вмешательства.

Понятно, что подбором основных продуктов питания невозможно создать диету, удовлетворяющую среднесуточную потребность организма в этом микроэлементе, что доказано и экспериментально [127, 151].

В медицине при коррекции дефицита цинка используют ряд его солей: сульфат (ZnS04), ацетат ((СН3СОО^п), D - аспартат, а также окись Zn (ZnO). Большинство авторов отдают предпочтение сульфату Zn.

Так, Moynahan [145] применял для лечения акродерматита ежедневную дозу ZnS04 в 150 мг, что соответствует 60 мг цинка.

Kay и соавторы [138] для обеспечения обратного развития хронической и острой недостаточности Zn использовали 40-80 мг внутривенно или до 220 мг ZnS04 внутрь.

W.Pories, E.Mansour [149] использовали для лечения акродерматита окись цинка в дозе 150 мг в сутки (120 мг Zn).

Вполне достаточной и безопасной считают дозу Zn в 1 мг/кг массы тела в день в пересчете на элемент. Она не приводит к возникновению побочных явлений [40,41, 129].

Однако, при коррекции дефицита цинка введением дополнительных его доз, следует учитывать, что содержание микроэлементов в тканях организма строго сбалансировано и изменение концентрации одного из них ведет к сдвигу содержания других [8, 57, 88], Обнаружена тесная связь между содержанием цинка и меди [14]. При длительном лечении введением больших доз цинка может развиться недостаточность меди вследствие антагонистичности этих элементов при всасывании в кишечнике.

Между тем медь, также как и Zn, играет важную роль в течении многих физиологических процессов, так как входит в состав многих ферментов: цитохро-моксидазы, оксидазы аскорбиновой кислоты, тирозиназы. Среди медьпротеинов наиболее изучен церулоплазмин, с которым связана, по мнению ряда авторов, связана вся оксидазная активность крови [56]. Церулоплазмин, содержащий около 90% всей плазменной меди представляет собой фермент, активность которого повышается в ответ на стрессорные воздействия и при эндокринных нарушениях. Церулоплазмин функционирует как оксидаза, катализируя окисление ар�