CC BY
13
УДК 663.05:661.73:664.8.035.7
Защитно-профилактические добавки с ¿-формами кислот
на основе растительного' сырья
Г.С. Волкова, канд. техн. наук, Е.В. Куксова, канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии
На основании проведенных на базе ВНИИ пищевой биотехнологии теоретических и экспериментальных фундаментальных исследований установлена возможность получения защитно-профилактических пищевых добавок широкого ассортимента с ¿-формами органических кислот, отличающихся высокой физиологич-ностью для организма человека и животных, способствующих стимуляции иммунной системы организма и повышению резистентности к негативным воздействиям окружающей среды и обладающих антимикробным, антиокислительным, протекторным действием. Результатом этой работы стала разработка технологии производства защитно-профилактических пищевых добавок.
Особенности предлагаемой технологии состоят в использовании новых селекционированных высокоактивных штаммов с изученными биохимическими особенностями метаболизма, новых технологий переработки сырья, в том числе нетрадиционного, отходов и вторичных ресурсов пищевых производств. Также особое значение имеет выбор оптимальных параметров ферментации, обеспечивающих направленный синтез и вариабельность технологического процесса в зависимости от необходимых преобразований компонентов сырья и состава желаемых продуктов, в которых сохранены биологически ценные компоненты и присутствуют живые полезные микроорганизмы, в том числе продуцирующие ¿-формы кислот (пропионовокислые, молочнокислые бактерии).
Микробиологический способ производства органических кислот в ¿-форме более предпочтителен, так как обеспечивает возможность создать биологически управляемый процесс биоконверсии различных видов сырья с образованием целевых продуктов с заданными функциональными свойствами. Эти свойства обусловлены накоплением органических кислот в ¿-форме при высокой оптической чистоте и комплекса ферментов и метаболитов,
обеспечивающих антиоксидантные, антимутагенные и антимикробные свойства [1].
Применяемые в настоящее время в больших количествах защитно-профилактические добавки и защитные средства являются синтетическими, чужеродными для организма человека и зачастую служат причиной возникновения заболеваний аллергического, сердечно-сосудистого, онкологического характера. Поэтому замена их защитными пищевыми добавками биотехнологического происхождения с заданными свойствами позволит внести определенный вклад в решение проблемы здорового питания и обеспечения охраны генетического здоровья населения.
Разработанные пищевые добавки, обладающие протекторными свойствами, направленно действуют на определенные группы условно патогенных микроорганизмов и физиологичны на клеточном уровне.
Конечный результат технологического процесса - защитные пищевые добавки-концентраты, содержащие ферментные комплексы и метаболиты молочнокислых и пропионовокислых бактерий, направленно синтезирующих ¿-формы кислот, легкоусвояемые белки и углеводы с целью использования их для получения защитно-профилактических добавок [2].
Проведены исследования по выбору штаммов продуцентов пищевых органических кислот и их солей, установлены требования к исходному сырью, способам подготовки сырья, процессам роста и кислотообра-зования, определены основные параметры биосинтеза и выделения целевых продуктов. На основании полученных результатов составлена технологическая схема, выработана опытная партия пищевых добавок в лабораторных условиях и произведена ее оценка у потребителя.
Основные преимущества ресурсосберегающей технологии производства пищевых добавок - дешевизна, полноценность по питательным веществам, доступность их для конверсии микроорганизмами.
Для получения пищевых добавок на основе пропионовой и молочной кислот в качестве сырья использовали вторичные ресурсы и отходы плодоовощных объединений - нестандартные и некондиционные яблоки (содержание сахаров 10,6 %); картофеле- и кукурузокрахмальных заводов - гид-ролизаты картофельной мезги (содержание сахаров 7,1 %), замочную кукурузную воду (содержание сахаров 0,92 %), сгущенный кукурузный экстракт (содержание сахаров 3,5 %); крахмалопаточных заводов - зеленую патоку (содержание сахаров 46,7 %).
Для определения пригодности всех видов сырья для ферментации проводили предварительные эксперименты с двумя штаммами кислотообразующих бактерий, относящихся к разным родам (¿акОЬасШиБ plantarum и Ргор/'от'Ьа^вп'ит зНвгтапИ). Твердое сырье разбавляли водопроводной водой так, чтобы оно было подвижным (яблочное сырье и кукурузный экстракт). Среды стерилизовали в течение 30 мин при 0,5 атм. Никаких дополнительных добавок минеральных и органических веществ не вносили, кроме микроэлемента кобальта (требование к присутствию данного элемента объясняется эволюцией развития и особенностями метаболических путей превращения веществ у пропио-новокислых бактерий).
В каждый вариант сред вносили посевной материал культур в количестве 10 % от объема. Ежедневно в процессе выращивания определяли кислотность среды и проводили под-титровку 30 %-ным раствором ЫаОН до рН равном 6,2 (для молочнокислых бактерий) и 7,0 (для пропионо-вокислых бактерий). Об окончании процесса кислотообразования судили по прекращению нарастания кислотности среды. В табл. 1 приведены результаты нарастания кислотности после 6 сут культивирования.
Как видно из представленных данных, на всех видах сырья идет процесс накопления кислот. Лучше всего он проходит при ферментации на сгущенном кукурузном экстракте и молочной сыворотке. Несколько хуже идет кислотообразование на гидролизате мезги картофеля и неудовлетворительно - при выращивании бактерий на зеленой патоке.
Необходимо отметить, что использованное сырье не было оптимизировано по питательным солям и ростовым веществам для данных штаммов бактерий. Поэтому можно сделать вывод, что при соответствующей корректировке всех видов изученного сырья их можно рассматривать в качестве потенциальных пита-
RAW MATERIALS AND ADDITIVES FOR HIGH-QUALITY PRODUCTS
тельных сред при ферментациях кислотообразующих бактерий с целью получения пищевых добавок на основе органических кислот.
Так как картофельная и кукурузная мезга и особенно яблочное сырье содержат значительное количество клетчатки и пектина, то все эти компоненты растительных организмов можно рассматривать как дополнительные источники углерода.
Для перевода их в более доступную для бактерий форму углеводов сырье перед сбраживанием необходимо подвергнуть развариванию, а затем обработать комплексом ферментных препаратов - Pectase KDN, пектиназа МА, Sunson (пектолити-ческого действия), или а-амилазой, глюкоамилазой - последовательно [3]. Для каждого фермента были подобраны оптимальные режимы воздействия на данный вид сырья и определены концентрации.
При использовании любого вида сырья наряду с оптимальным составом питательной среды и режимом ферментации эффективность производства определяется применяемым штаммом. Основные требования, предъявляемые к продуценту: возможно больший выход целевого продукта к массе введенного сахара и высокая скорость ферментации.
С целью выбора продуцентов молочной и пропионовой кислот исследовали шесть штаммов молочнокислых и два штамма пропионовокис-лых бактерий. Все культуры различались отношением к температурному режиму. Наиболее эффективно процесс сбраживания сахаров осуществляют культуры L. acidophilus и L. р/antarum, Pr. shermanii шт. К-11. Эти культуры были отобраны как перспективные штаммы для дальнейших исследований.
Последующее изучение культу-рально-морфологических и физио-лого-биохимических свойств данных организмов показало, что они могут усваивать широкий спектр углеводов и накапливать кислоты с высоким выходом от потребленных субстратов (до 96-98 %). Кроме того, определение молочной кислоты с помощью ферментов L-и D-лактат-дегидрогеназ показало, что культура Lact. acidophillus экскретирует в основном кислоту L-формы (оптическая чистота - 98 %).
Сопоставление динамики роста и процесса кислотообразования бактериями разных родов - Lactobacillus и Propionibacterium показало, что Lactobacillus обладают высокой скоростью роста, а кислотообразование проходит более интенсивно и за короткий срок.
Изучение роста пропионовокис-лых бактерий на различных источниках углерода и энергии показало, что рост бактерий и выделение пропио-новой кислоты проходит быстрее, когда культивирование ведется на среде с лактатом натрия или кальция. Продолжительность ферментационного цикла заметно сокращается, а количество накопившейся биомассы бактерий и кислоты в среде значительно выше, чем при культивировании продуцента на других субстратах. Поэтому при получении пищевых добавок широкого спектра целесообразно было изучить возможность совместного культивирования молочнокислых и пропионо-вокислых бактерий. По своим физио-лого-биохимическим данным молочнокислые бактерии имеют более высокие адаптивные свойства, чем пропионовокислые бактерии, более широкий спектр углеводов сбраживается ими до молочной кислоты.
Результаты совместного культивирования приведены в табл. 2. Посевной материал двух родов бактерий вносили в ферментационные аппараты в количестве по 10 % от объема среды - молочной сыворотки.
Из экспериментальных данных, представленных в табл. 2, видно, что
Таблица 1
Образование кислот на различных видах сырья
Количество 30%-ной NaOH,
Сырье пошедшей на титрование 1 мл культуральной жидкости, мл
Lact, plantarum Pr. shermanii
Молочная 4,0 3,6
сыворотка
Яблочное сырье 3,0 2,4
Гидролизат мезги картофеля 2,5 2,1
Зеленая патока 1,2 0,8
Сгущенный кукурузный экстракт 5,5 5,0
Замочная 3,0 2,8
кукурузная вода
Таблица 2
Изменение кислотности при совместном культивировании
Культура Количество 30%-ной NaOH, пошедшей на титрование, мл Цикл, сут
Pr. shermanii 6,5 7,0
Pr. Shermanii, Lact. Plantarum (внесены одновременно) 8,2 6,0
Pr. Shermanii, Lact, plantarum (внесена через сутки культивирования) 6,8 6,5
Lact. Plantarum, Pr. shermanii (внесена через сутки культивирования) 10,1 5,0
Таблица 3
Влияние температуры, рН и концентрации углеродного субстрата на образование кислот
Вариант Продолжительность цикла, ч Количество 30%-ной NaOH, пошедшей на титрование 100 мл среды, мл
Lact, plantarum Pr. shermanii Lact, plantarum Pr. shermanii
Температура, °С 25 30 60 5,7 4,0
30 28 50 6,2 5,0
37 24 40 6,5 5,2
45 24 36 6,0 4,2
РН 5,0 30 72 5,0 3,0
6,0 24 68 7,2 3,6
6,5 24 48 7,0 4,0
7,0 29 40 5,8 5,1
7,5 48 52 3,2 4,6
Концентрация глюкозы, % 2,0 24 72 7,0 4,0
5,0 30 86 10,5 8,2
8,0 72 120 36,2 35,7
совместное культивирование двух разных в таксономическом отношении видов бактерий, внесенных в среду в определенной временной последовательности, приводит к сокращению ферментационного цикла (на двое суток) и количественному увеличению выхода кислот (на 55,4 %) по сравнению с контролем
(культивирование одних пропионо-вокислых бактерий).
Исследовали влияние температур от 25 до 45 0С; рН в диапазоне 5,07,5 и концентрации субстрата от 2,0 до 8,0 % (табл. 3).
Результаты исследований показывают, что молочнокислые бактерии, имея в два раза выше скорость рос-
та, быстрее потребляют из среды сахара, превращая их в лактат, который, в свою очередь, быстрее и лучше сбраживается пропионовокислы-ми бактериями до пропионовой кислоты.
Как видно из табл. 3, процесс накопления кислот проходит при всех температурах, но оптимальны температуры от 30 до 37 0С, в этих условиях образуется в 1,3 раза больше кислот, чем при выращивании культур в условиях выше и ниже этих температурных величин. Кроме того, при оптимальных температурах наряду с увеличением выхода кислот сокращается производственный цикл.
Оптимальный рН для накопления кислот: для молочнокислых бактерий - 6,0-6,5, для пропионовокис-лых бактерий - 7,0, а повышение начальной концентрации субстрата приводит к увеличению количества кислот, но вместе с тем удлиняет процесс ферментации.
На основании результатов проделанной экспериментальной работы
разработана блочно-модульная гибкая технологическая схема производства комплексных защитно-профилактических пищевых добавок на основе отходов перерабатывающих производств путем молочнокислого и пропионовокислого брожения [4], а в лабораторных условиях были наработаны образцы защитно-профилактических пищевых добавок.
Исследование качественного состава защитно-профилактических пищевых добавок показало, что помимо индивидуальных органических кислот они содержат и комплексы ферментов и ферментных систем, что в целом обеспечивает их антимикробные, антиокислительные, т.е. защитные свойства. Кроме того, они содержат и витамины, особенно группы В, что увеличивает ценность данных пищевых добавок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Направленное культивирование кислотообразующих бактерий с целью получения пищевых и кормовых до-
бавок с антимикробными свойства-ми/Г.В. Галкина [и др.]//Доклады РАСХН. - 2009. - № 4. - С. 49-51.
2. Поляков, В.А. Культивирование консорциума кислотообразующих бактерий для получения БАД с защитно-профилактическими свой-ствами/В.А. Поляков, Г.С. Волкова, Е.В. Куксова//Сб. науч. тр. «Перспективные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК» по материалам V Международного научно-практического симпозиума. -М., 2010. - С. 182-188.
3. Эффективные биокатализаторы в технологии переработки мандари-нов/Л.В. Римарева [и др.]//Сб. науч. тр. к 80-летию ГНУ ВНИИПБТ. - М., 2011.
4. Современные биотехнологии производства органических кислот и функциональных пищевых добавок на их основе/В.А. Поляков [и др.]// Сб. тезисов докладов на Юбилейном Пятом Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития. - М., 2009. - 303 с.
Защитно-профилактические добавки с ¿-формами кислот на основе растительного сырья
Ключевые слова
защитно-профилактические пищевые добавки; органические кислоты; селекция; штаммы-продуценты; параметры биосинтеза.
Реферат
На основании проведенных теоретических и экспериментальных фундаментальных исследований установлена возможность получения защитно-профилактических пищевых добавок с ¿-формами органических кислот, отличающихся высокой физиологичностью для организма человека и животных, способствующих стимуляции иммунной системы организма и повышению резистентности к негативным воздействиям окружающей среды и обладающих антимикробным, антиокислительным, протекторным действием. Используются новые селекционированные высокоактивные штаммы с изученными биохимическими особенностями метаболизма, установлены требования к исходному сырью, способам подготовки сырья, процессам роста и кислотообразования, определены основные параметры биосинтеза и выделения целевых продуктов.
Авторы
Волкова Галина Сергеевна, канд. техн. наук, Куксова Елена Владимировна, канд. техн. наук,
ВНИИ пищевой биотехнологии, 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4б, [email protected]
Protective and Preventive Supplementation with L-forms Acids Based on Vegetable Raw Materials
Key words
protective and preventive nutritional supplements, organic acids; selection; producer strains; biosynthesis parameters.
Abstracts
On the basis of the conducted theoretical and pilot basic researches possibility of receiving protective and preventive food additives with L-forms of the organic acids, differing high physiology for a human body and the animals promoting stimulation of immune system of an organism and increase of resistance to negative impacts of environment and possessing antimicrobic, anti-oxidizing, tire-tread action is established. Are used new the selected highly active strains with the studied biochemical features of a metabolism, requirements to initial raw materials, ways of preparation of raw materials, growth processes are established, key parameters of biosynthesis and allocation of target products are determined.
Authors
Volkova Galina Sergeevna, Candidate of Technical Science, Kuksova Elena Vladimirovna, Candidate of Technical Science, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology, 4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033, [email protected]
Продукцию «Курского комбината хлебопродуктов» оценили на «Зе
хлебопродуктов» оценили на «Зеленой неделе»
С 17 по 26 января 2014 г. в Берлине прошла крупнейшая Международная агропродоволь-ственная выставка-ярмарка «Зеленая неделя». В этом году она проходила в 79 раз. На ней было представлено более 100 тыс. видов продуктов питания и сельскохозяйственных товаров от производителей из 67 стран мира.
Среди российских экспонентов в «Зеленой неделе» участвовало 24 агропродовольственных предприятия Курской области, представивших широкий ассортимент выпускаемых продуктов. ЗАО «Курский комбинат хлебопродуктов» презентовал девять наименований муки
и манную крупу. Вся продукция зерноперерабатывающе-го предприятия «Стойленская Нива» получила высокую оценку зарубежных коллег.
ЗАО «Курский комбинат хлебопродуктов» - один из лидеров среди мукомольных предприятий Центральной России, член Российского зернового союза, многократный обладатель звания «Лучшая мельница России». В международной выставке-ярмарке «Зеленая неделя» предприятие участвовало уже второй раз. В 2013 г. мука ТМ «Секрет Хозяюшки» получила высшую награду отраслевого конкурса, прошедшего в рамках выставки.
i
♦ *
