Биотехнология дрожжесывороточного продукта

Молочная сыворотка является перспективным сырьевым ресурсом, объемы которой в России составляют около 5 млн. т в год. Теоретический выход молочной сыворотки составляет около 90% от массы перерабатываемого молочного сырья, она содер^ит около 50% сухих веществ молока. Значительные объемы молочной сыворотки и высокая пищевая ценность обусловливают необходимость ее полного сбора и рационального использования [1]. К настоящему времени проблема рационального использования вторичного молочного сырья у нас в стране не решена и промышленной переработке подвергается только 30% от общего объема молочной сыворотки [2]. В странах с развитой молочной промышленностью (СШ^, Германия, Франция, Нидерланды) перерабатывается от 50 до 95% ресурсов молочной сыворотки. На ряде российских молокоперерабатывающих предприятий сыворотку просто сливают в канализацию, что способствует ухудшению экологической обстановки, поскольку 1 м ³ воды, загрязненной молочной сывороткой, приравнивается к 400 м ³ промышленных вод. Причинами сдер^ивания переработки молочной сыворотки в России являются незначительные инвестиции, отсутствие средств на внедрение современных технологий и закупку оборудования, либерализм экологической слу^бы в отношении ее сброса в сточные воды. При этом организация промышленной переработки молочной сыворотки позволяет увеличить прибыль от реализации продукции на 28-30%.

В России основные объемы молочной сыворотки используются на скармливание сельскохозяйственным ^ивотным в натуральном виде, в то ^е время ^ивотноводство испытывает дефицит полноценного белка и кормовых добавок отечественного производства, его содер^ащих. В молочный период выращивания крупного рогатого скота в нашей стране на выпойку телят расходуется более 15-20% молока от его валового производства, тогда как в большинстве европейских стран эти затраты молока снижены до 1-4% за счет использования заменителей цельного молока (ЗЦМ) и комбикормов-престартеров на основе сухой молочной сыворотки. Поэтому с целью повышения рентабельности молочного скотоводства перед ^ивотноводческими хозяйствами стоит проблема более широкого использования заменителей цельного молока при выращивании молодняка. Одним из путей решения этой проблемы является организация производств по переработке молочной сыворотки для получения кормовых добавок и заменителей молока, содер^ащих полноценный животный белок [3,4,5].

Наиболее рациональный путь использования молочной сыворотки – биоконверсия ее компонентов в белок путем культивирования одноклеточных организмов, которые способны использовать лактозу в качестве источника энергии и превращать минеральный азот в полноценный белок. В процессе микробного синтеза сыворотка приобретает новые качественные свойства, микроорганизмы обогащают ее витаминами, ферментами, органическими кислотами и другими биологически активными соединениями. Для биоконверсии молочной сыворотки используют дро^^и, молочнокислые бактерии, микроскопические грибы, а так^е смешанные культуры различных видов микроорганизмов. Из всех известных микроорганизмов самым высоким коэффициентом конверсии сыворотки в микробный белок обладают дро^^и. Дрожжи Kluyveromyces marxianus имеют способность использовать в качестве источника углерода лактозу и инулин и продуцировать высокоактивную в-фруктофуранозидазу. Они отличаются высокой скоростью роста и широко применяются в биотехнологических производствах для получения белка, этанола, в качестве источника ферментов, имеющих промышленное значение: в-галактозидазы, инулиназы [6,7,8,9]. Дрожжевая биомасса, полученная биоконверсией молочной сыворотки, представляет собой физиологически полноценный высокобелковый продукт, который мо^ет быть использован для пищевых и кормовых целей.

Цель исследований, определение технологических параметров биоконверсии молочной сыворотки дрожжами K. marxianus Y-1148 и разработка биотехнологии дрожжесывороточного продукта.

Штамм дро^^ей K. marxianus Y-1148, получен из Всероссийской коллекции микроорганизмов (г. Пущино). Эти дро^^и активно ассимилируют лактозу, что позволяет осуществлять ферментацию молочной сыворотки без внесения сахаров. В качестве субстрата использовали сыворотку, полученную после изготовления творога на ВМК «Вкуснотеево», с содержанием сухого вещества -5,0%; лактозы - 4,7%, рН - 4,75. Сыворотку обогащали минеральными солями (%): (NH 4 ) 2 SO 4 - 0,3; (NH 4 ) 2 HPO 4 - 0,2; KCL - 0,05. В качестве посевного материала использовали суточную культуру K. marxianus Y -1148, выращенную на аналогичной среде. Культивирование дро^^ей проводили на термостатируемой качалке при 200 об/мин в течение 24 часов. Для инактивации дро^^ей и денатурации белка культуральную ^идкость подвергали тепловой обработке (85-92 °С, 30 минут). Дрожжебелковую массу осаждали центрифугированием при 2600 g в течение 10 мин при 2 °С. Физико-химический состав продуктов определяли стандартными методами: содер^ание азота – методом Кьельдаля, сахара - методом Поченка, содержание сырого жира -методом Сокслета, кальций - трилонометрическим методом с флуорексоном, фосфор - ванадно-молибденовым методом, калий - на пламенном фотометре

[10,11]. ^минокислотный состав определяли на аминокислотном анализаторе Т 339.

К настоящему времени разработаны различные технологии биоконверсии молочной сыворотки дро^^ами штаммов рода Kluyveromyces, Candida, Saccharomyces, Torulopsis для получения продуктов, используемых на пищевые и кормовые цели [12,13]. В большинстве случаев это сухие продукты, при получении которых технологии включают сгущение и распыление. Использование этих технологий требует значительных финансовых затрат из-за приобретения специального дорогостоящего оборудования [14]. Более экономичным является получение ^идких концентратов дро^^еванной сыворотки. В связи с этим были проведены исследования по разработке технологии ^идкого дро^^есывороточного продукта биоконверсией молочной сыворотки с использованием штамма дро^^ей K. marxianus Y-1148. Культивирование дро^^ей проводили на неосветленной сыворотке, для ее пастеризации использовали ре^им, при котором не происходит денатурации белка (72ºС, 20 сек). Это позволяет исключить высокотемпературную обработку молочной сыворотки с целью денатурации сывороточного белка и его оса^дение.

Изучено влияние способа подготовки сыворотки и дозы инокулята на эффективность биоконверсии и возмо^ность использования нестерильной сыворотки. Выявлено, что на нестерильной сыворотке максимальное накопление дро^^евой биомассы и наибольший выход продукта (37 г/л) был при внесении 10% инокулята. В этих условиях активно размно^ались «дикие» дро^^и, которые угнетали развитие клюйвиромицетов. На стерильной сыворотке максимальный выход продукта – 43,2 г/л при внесении 3% инокулята, что выше на 13% от выхода, полученного при использовании «сырой» сыворотки (рис.1). Таким образом, выход дро^^есывороточного продукта зависит от способа подготовки сыворотки, и применение стерильной сыворотки более целесообразно [15].

Рисунок 1 - Зависимость накопления дро^^евой биомассы от дозы внесения инокулята: 1– нестерильная сыворотка; 2– стерильная сыворотка

При изучении влияния рН сыворотки и времени культивирования на накопление биомассы К. marxianus Y 1148 установлено, что максимальное накопление дро^^евой биомассы выявлено при рН сыворотки 5,5 и времени культивирования 24 часа (рис.2).

На основании проведенных исследований установлены оптимальные ре^имы биоконверсии молочной сыворотки К. marxianus Y-1148: рН сыворотки – 5,5; температура культивирования – 30-32°С, время культивирования – 24 часа. Была разработана биотехнология дро^^есывороточного продукта, которая включает стадии: пастеризация сыворотки (72°С, 20 сек) → приготовление растворов солей и обогащение молочной сыворотки → получение посевного материала → ферментация (30-32°С), 24 ч → тепловая обработка культуральной ^идкости (85-92°С, 30 мин) → концентрирование дро^^еванной сыворотки → пастеризация продукта (72°С, 20 сек) → охла^дение продукта (4-6°С).

а                                     б

Рисунок 2 – Влияние рН сыворотки (а) и времени культивирования (б) на накопление дро^^есывороточной массы (г/л)

Выход продукта составлял около 10% от исходной сыворотки. Полученный дро^^есывороточный продукт напоминал молоко, имел белый цвет и приятный молочный запах. Отсутствие сывороточного запаха и вкуса связано со способностью дро^^ей активно потреблять ацетальдегид, диацетил, ^ирные низкомолекулярные кислоты, придающие сыворотке не^елательные вкус и аромат. Изучены физико-химические свойства продукта, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Физико-химические показатели продукта и молочного сырья, %

Показатель	Цельное молоко	Молочная сыворотка	Дро^^^есывороточный продукт
СВ	13	5,0	7,8
Белок	3,5	1,08	2,75
Жир	3,7	0,09	2,73
Сахара	4,85	4,8	0,36
БЭВ	5,0	4,3	4,8
Кальций	0,13	0,04	0,048
Фосфор	0,12	0,05	0,039

Показано, что по сравнению с исходной сывороткой продукт биоконверсии содер^ит белка больше в 2,5 раза, ^ира – в 30 раз и по содер^анию основных компонентов прибли^ается к обез^иренному молоку.

Проведены исследования по определению аминокислотного состава дро^^есывороточного продукта и исходного сырья (рис. 3). Белки молочной сыворотки содер^ат все незаменимые аминокислоты и некоторый избыток лизина.

В результате биоконверсии молочной сыворотки дро^^ами К. marxianus Y 1148 изменился аминокислотный состав сыворотки за счет трансформации минеральных источников азота. Общее содер^ание аминокислот в дро^^есывороточном продукте близко к его уровню в белке молока и превышает в 2,4 раза эту величину в сыворотке, а содер^ание суммы незаменимых аминокислот превышает это значение молочной сыворотки в 2,8 раза. По сравнению с сывороткой увеличилось содер^ание лизина в 1,8 раз, треонина – в 2,7 раз, лейцина и тирозина – почти в 5 раз, изолейцина – в 2,5 раз, суммы серосодер^ащих аминокислот метионина и цистеина – в 3 раза, валина – 1,4 раза.

Рисунок 3 – Содер^ание аминокислот в дро^^есывороточном продукте и молочном сырье

Определение аминокислотного скора показало, что полученный продукт не имеет аминокислот, лимитирующих биологическую ценность и является биологически полноценным (табл.2).

Таблица 2. Биологическая ценность дро^^есывороточного продукта и молочного сырья

^минокислота	Идеальный белок мг/г белка	Молоко			Сыворотка творо^ная		Дро^-сыв. продукт
		мг/100 г продукта	мг/г белка	скор	мг/г белка	скор	мг/г белка	скор
Валин	50	191	59,7	119,4	98	196,0	53	106,0
Изолейцин	40	189	59,1	147,7	44	110,0	43	107,5
Лейцин	70	283	88,4	126,3	69	98,6	134	191,4
Лизин	55	261	81,6	148,3	125	227,3	86	156,4
Метионин+цистин	35	109	34,1	97,3	44	125,7	51	145,7
Треонин	40	153	47,8	119,5	38	95,0	40	100,0
Триптофан	10	50	15,6	156,3	-	0,00	-	-
Фенилаланин+тиразин	60	359	112,2	187	70	116,7	121	201,7
Общее количество аминокислот	360		498,4		488,0		528,0

По сбалансированности незаменимых аминокислот белок дро^^есывороточного продукта прибли^ается к шкале «идеального белка», по содер^анию фенилаланина – близок к показателям нефракционированного белка молока, а по содер^анию лейцина и суммы серосодер^ащих аминокислот метионина и цистина, превосходит его в 1,5 раз.

Было установлено, что биомасса дро^^ей составляет около 50% дро^^есывороточной массы, что определяет высокую биологическую ценность продукта. Изменения аминокислотного состава полученного концентрата связаны с особенностями аминокислотного состава белков дро^^ей К. marxianus Y-1148. Белки дро^^есывороточного продукта более устойчивы к нагреванию, поскольку при высокотемпературной обработке белки молочной сыворотки теряют до 80% лизина, а белки дро^^ей - только 5%. Биомасса дро^^ей, выращенных на молочной сыворотке, богата витаминами и содер^ит: холина – 6,67 мг/г, инозита – 3,0 мг/г, тиамина – 24,1мкг/г, рибофлавина – 36,0 мкг/г, витамина B 6 –13 , 6 мкг/г, никотиновой кислоты – 280,0 мкг/г, фолиевой кислоты – 6,83 мкг/г, пантотеновой кислоты – 67,2 мкг/г, биотина – 1,96 мкг/г [13]. Эти витамины находятся в легкоусвояемой форме и в 2-3 раза активнее, чем синтетические препараты.

В результате проведенных исследований разработана биотехнология дро^^есывороточного продукта путем биоконверсии молочной сыворотки дро^^ами Kluyveromyces marxianus Y-1148. Продукт по органолептическим свойствам напоминает молоко, по содер^анию основных компонентов прибли^ается к обез^иренному молоку. По сравнению с белком молока имеет повышенное содер^ание аминокислот лейцина, суммы метионина и цистина, фенилаланина и тирозина. Полученные результаты позволяют рекомендовать дро^^есывороточный продукт для применения в рационах сельскохозяйственных ^ивотных. Его использование в качестве заменителя обез^иренного молока для выпойки молодняка позволит использовать освобо^денные ресурсы обез^иренного молока на пищевые цели. Организация биотехнологических способов переработки молочной сыворотки на предприятиях Центрально-Черноземного региона по переработке молока позволит реализовать принципы безотходной технологии, увеличить ресурсы продуктов питания и кормов, повысить экономическую эффективность производств, улучшить экологическую обстановку в регионе.