Исследование физико-химических свойств сублимированной метабиотической пищевой системы
Автор: Васильева С.И., Бондарь М.С., Пожидаева Е.А., Попов Е.С., Дымовских Я.А., Дурова Ю.В.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Пищевые системы
Статья в выпуске: 1 (107) т.88, 2026 года.
Бесплатный доступ
Метабиотические пищевые системы представляют собой комплекс из не жизнеспособных пробиотических микроорганизмов и продуктов их прижизненного метаболизма, которые сохраняют стабильность в широком диапазоне значений рН и температуры. При этом сублимированные метабиотические субстанции имеют неоптимальные физико-химические характеристики, связанные с высокой гигроскопичностью, неудовлетворительной сыпучестью, что затрудняет промышленное применение данных систем. С целью обоснования применения сублимированной метабиотической субстанции в технологии твердых форм и для дальнейшего ее использования в области разработки и производства новой обогащенной биологически активными веществами, специализированной, в том числе диетической, пищевой продукции были изучены физико-химические и технологические характеристики. Анализ показателей сыпучести и угла естественного откоса показал неоптимальные значения для исследуемой метабиотической пищевой формы, численные значения исследуемых параметров составили 2,6 г/с и 35 и 57,5 град, влагосодержание соответствовало величине 14,99%. На основе данных ситового анализа установлено, что исследуема лиофилизированная метабиотическая субстанция является неоднородной, степень измельченности варирует от среднемелкого до очень мелкого, что подтверждается показателями низкой сыпучести. Расчетные значения коэффициентов Хауснера и Карра для метабиотической субстанции составили 2,35 и 57,45, что свидетельствует о недостаточной способности притяжения и сцепления под давлением. В результате экспериментальных испытаний установлено, что исследуемая субстанция имеет неоптимальные технологические свойства, что определяет целесообразность применения технологии влажной грануляции для разработки рациональных форм и последующего применения в пищевой промышленности.
Метабиотики, технологические свойства, фракционный состав, насыпная плотность, сыпучесть, угол естественного откоса, влагосодержание, твердые формы
Короткий адрес: https://sciup.org/140314810
IDR: 140314810 | УДК: 637.1 | DOI: 10.20914/2310-1202-2026-1-13-18
Study of physicochemical properties of sublimated metabiotic food system
Metabiotic food systems are a complex of non-viable probiotic microorganisms and products of their lifetime metabolism, which maintain stability in a wide range of рН and temperature values. At the same time, sublimated metabiotic substances have suboptimal physicochemical characteristics associated with high hygroscopicity, unsatisfactory flowability, which complicates the industrial use of these systems. In order to justify the use of sublimated metabiotic substance in the technology of solid forms and for its further use in the development and production of new biologically active substances, specialized, including dietary, food products, physicochemical and technological characteristics were studied. Analysis of the flow and angle of repose parameters showed suboptimal values for the studied metabiotic food form, the numerical values of the studied parameters were 2,6 g/s and 35 and 57,5 degrees, the moisture content corresponded to 14,99%. Based on the sieve analysis data, it was established that the lyophilized metabiotic substance under study is heterogeneous, the degree of grinding varies from medium to very small, which is confirmed by low flowability indicators. The calculated Hausner and Carr coefficients for the metabiotic substance were 2,35 and 57,45, indicating insufficient attraction and adhesion under pressure. As a result of experimental tests, it was established that the substance under study has suboptimal technological properties, which determines the feasibility of using wet granulation technology for the development of rational forms and subsequent use in the food industry.
Текст научной статьи Исследование физико-химических свойств сублимированной метабиотической пищевой системы
DOI: Оригинальная статья/Research article УДК 637.1 Open Access Available online at Исследование физико-химических свойств сублимированной метабиотической пищевой системы Светлана И. Васильева 1 Маргарита С. Бондарь 1 Екатерина А. Пожидаева 1 Евгений С. Попов 1 Яна А. Дымовских 1 Юлия В. Дурова 1 katerina ® 0009-0006-4734-7361 © 0000-0001-6763-8875 © 0000-0003-3303-3434 © 0000-0002-0498-7522 © 0009-0002-1484-3351
Пробиотические пищевые системы, несмотря на высокую терапевтическую эффективность, характеризуются рядом ограничений к применению. Введение живых микроорганизмов сопряжено с определенными рисками, особенно для лиц, имеющих нарушенный состав микрофлоры, слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта. Введение живых бактерий также не рекомендовано для проходящих хирургические вмешательства, а также для детей с дисбактериозом кишечника и дефицитом полезных пробиотических микроорганизмов. В связи с этим актуальным направлением развития пищевых технологий является получение метабиотических комплексов с прогнозируемым физиологическим эффектом на организм человека. Метабиотики представляют собой комплекс из не жизнеспособных пробиотических микроорганизмов и продуктов их прижизненного метаболизма, биологически активных соединений, к которым относятся короткоцепочечные жирные кислоты, экзополисахариды и другие метаболиты. Помимо вышеуказанного, метабиотики могут включать метаболические и секреторные продукты, которые образуются в процессе культивирования и непосредственно перед фазой инактивации. Эти биологически активные продукты включают в себя различные соединения, такие как: витамины, необходимые для ряда метаболических функций, тейхоевую кислоту, которая способствует сохранению целостности клеточных стенок бактерий, бактериоцины, обладающие антимикробными свойствами, ферменты и пептиды, которые жизненно важны для многочисленных биохимических процессов в организме [1–3].
Биологически активные соединения, вырабатываемые пробиотическими микроорганизмами, играют решающую роль в модуляции B-клеточных иммунных ответов. В частности, по результатам ряда исследований подтверждены иммуномодулирующие функции короткоцепочечных жирных кислот. Помимо вышеуказанного, данные кислоты способны стимулировать дифференцирование плазмы В-клеток, модулируя экспрессию генов для выработки антител, таких как IgG и IgА. Дополнительный механизм проявления иммуномодулирующих функций, связан с регулированием активности B-клеток и соотносится с метаболитами триптофана – группой значимых постбиотиков [4, 5].
По ряду исследований подтверждается эффективность метабиотиков в профилактике и лечении различных заболеваний полости рта, таких как кариес зубов, вызванный, в частности, патогеном Streptococcus mutans .
Помимо вышеуказанного, метабиотики обладают преимуществами перед пробиотиками с точки зрения производства и применения, поскольку метабиотики практически не взаимодействуют с компонентами пищевого матрикса при хранении, что гарантированно пролонгирует срок годности пищевой системы. Метабиотиче-ские субстанции сохраняют стабильность в широком диапазоне значений рН и температуры, что позволяет добавлять их в пищевые системы перед тепловой обработкой, а также в продукты с высокой кислотностью. Применение метабиотиков устраняет необходимость в хранении и транспортировке в регулируемых температурных условиях, что снижает себестоимость конечного продукта [6–8].
Метабиотическая терапия основана на введении в пищевые системы одного или нескольких микробиологических метаболитов (короткоцепочечных жирных кислот, метаболитов фенольного происхождения, ферментов, экзополисахаридов, витаминов, ароматических аминокислот, бактериальных лизатов, а также бесклеточных супернатантов, которые содержат секретируемые микробные метаболиты). В частности, противовоспалительное и антиоксидантное действие на эпителиальные клетки кишечника оказывали супернатанты Lactobacillus casei (снижение секреции TNF-α и увеличения секреции IL-10). Научно подтверждена эффективность бутирата – короткоцепочечной жирной кислоты, увеличивающей экспрессию иммуносупрессивных цитокинов и подавляющей некоторые цитокины и провоспалительные рецепторы [9–11].
Безопасность использования, высокая биологическая (в т. ч. антимикробная) активность, уникальная и сложная химическая структура экзополисахаридов наделяют их ценным и значимым потенциалом. В настоящее время экзополисахариды применяют в качестве противоопухолевых, иммуностимулирующих, иммуномодулирующих и антиоксиданстных агентов в фармацевтической промышленности, а также в качестве функциональных компонентов в пищевой промышленности, способствующихулучше-нию реологических и структурно-механических свойств пищевых систем.
Гидрофильная природа экзополисахаридов позволяет снизить поглощение масла в продукте, что приобретает особенную актуальность для потребителей с повышенным весом, избыточным холестерином, страдающих жировой дистрофией печени и т. д. Экзополисахариды, синтезируемые молочно-кислыми бактериями, оказывают противомикробное и антиоксидантное действие, что увеличивает потенциал
Васильева С.И. и др. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 1, С. 13-18 их применения в пищевой промышленности (консервирование, упаковка). В частности, отмечена антибактериальная активность экзопо-лисахаридов, экстрагированных от пробиотических штаммов Bifidobacterium bifidum и Lactiplantibacillus plantarum в отношении широкого ряда патогенов, включающих C. sakazakii , E. coli , L. monocytogenes , S. aureus , C. albicans , B. cereus , S. typhimurium , S. sonnei .
Потенциал промышленного применения экзоплисахаридов основан на использовании последних в качестве загустителей, разрыхлителей, эмульгаторов, стабилизаторов, водосвязывающих, влагоудерживающих, желирующих и придающих вязкость агентов. Применение лабораторно полученных экзополисахаридов в пищевых продуктах может способствовать сокращению использования технологических добавок с сопутствующей оптимизацией производства и удовлетворением запросов потребителей, заинтересованных в здоровом питании [12–15].
Улучшение с помощью экзополисахаридов текстурных и сенсорных характеристик приобретает особенное значение при производстве молочных продуктов с пониженным содержанием жира, а также продуктов с заместительными ингредиентами (молоко растительного происхождения и т. п.) вследствие возможности негативного восприятия данных продуктов потребителем с позиции качества.
Установлено, что синтез влагосвязывающих метаболитов пробиотиками изменяется (активируется) при неблагоприятных условиях окружающей среды, в частности при использовании термической инактивации.
Таким образом, целью работы является изучение физико-химических и технологических свойств сублимированных метабиотических субстанций, для оценки возможности оптимизации свойств и прогнозирования последующего включения в состав различных пищевых форм.
Методы и материалы
В качестве объекта исследования принят консорциум лакто – и бифидобактерий Str. thermophiles (B-8328), B. bifidum (АС-15 79), B. longum (АС-1257), B. adolescentis (АС-1245), L. acidophilus (В-5097), L. plantarum (В-3962), L. fermen-tum (В-2875) , предоставленных биоресурсным центром – «Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов» (БРЦ ВКПМ), НИЦ «Курчатовский институт». Культивирование биомассы проводили на обезжиренном молоке
в диапазоне температур 38–40 ℃ до достижения значений титруемой и активной кислотности в диапазоне 86–88°Т и 4,60–4,64 ед. соответственно, нормативное время ферментации составляло 6–8 часов. Концентрация активных клеток в биомассе составляла не менее 109 КОЕ/мл. Инактивирование полученной биомассы проводили при температуре 75 ± 2о С с последующей выдержкой в течении 50 мин и охлаждением до 4 ± 2 ℃. Вакуум-сублимационную сушку полученной метабиотической субстанции проводили с помощью лиофильной сушилки BK-FD10S.
С целью теоретического обоснования оптимизации свойств метабиотической субстанции для дальнейшего ее использования в разработке рациональной формы ее применения были изучены физико-химические и технологические свойства (содержание влаги, сыпучесть, насыпная масса, плотность, форма и размер частиц, угол естественного откоса, гранулометрический состав) и рассчитаны величины индексов Карра и Хауснера.
Содержание влаги в метабиотической субстанции проводилось в соответствии с требованиями ОФС.1.2.1.0010.15 «Потеря в массе при высушивании» и фармакопеи ЕАЭС 2010220031– 2019 «Потеря в массе при высушивании»; определение гранулометрического состава проводилось в соответствии с ОФС.1.4.2.0032 «Ситовой анализ» и фармакопеи ЕАЭС 201100008–2022 «Оценка распределения частиц по размеру методом аналитического просеивания», 201100009–2022 «Измельченность порошков» с помощью стандартных набор сит, соответствующих требования ISO 3310–1, методом механического просеивания; согласно ОФС.1.4.2.0024 «Насыпная плотность и плотность после уплотнения» и фармакопеи ЕАЭС 201100003–2022 «Насыпная плотность и плотность после уплотнения» определяли насыпную плотность методом измерения в градуированном цилиндре; по ОФС.1.4.2.0016 «Сыпучесть порошков» и фармакопеи ЕАЭС 201100001–2022 «Сыпучесть» определяли сыпучесть и угол естественного откоса; форму и размер частиц определяли в соответствие с ОФС.1.2.1.0009 «Оптическая микроскопия» с помощью микроскопа «Биомед».
Результаты и обсуждение
Результаты определения технологических характеристик лиофилизированной метабиотиче-ской субстанции, полученные в результате измерений 6 образцов, приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Технологические и физико-химические свойства лиофилизированной метабиотической субстанции
Table 1.
Technological and physicochemical properties of lyophilized metabiotic substance
|
Характеристика | Indicator |
Значение | Value |
||
|
Форма частиц | Particle shape |
Равносторонние, пластинчатые Equilateral, lamellar |
||
|
Поверхность частиц | Particle Surface |
Преобладает шероховатая поверхность, но имеются также частицы с гладкой поверхностью без налипаний Rough surface predominates, but there are also particles with a smooth surface without adhesion |
||
|
Размеры частиц, мм* | Particle sizes, mm* |
0,52 x 0,43 |
||
|
Сыпучесть, г/с* | Flowability, g/s* |
2,63 |
||
|
Насыпная плотность, г/мл Bulk density, g/ml |
Количество соскоков при уплотнении Number of jumps during compaction |
0 |
0,20 |
|
10 |
0,24 |
||
|
500 |
0,34 |
||
|
1250 |
0,36 |
||
|
2500 |
0,47 |
||
|
Фракционный состав, % Fractional composition, % |
Размер частиц, мм Particle size, mm |
> 3 |
0,90 |
|
2–3 |
0,50 |
||
|
1–2 |
6,62 |
||
|
0,5–1 |
18,72 |
||
|
0,2– 0,5 |
39,14 |
||
|
<0,2 |
33,90 |
||
|
Угол естественного откоса, град | Slope angle, deg |
57,5 |
||
|
Влагосодержание, % | Moisture content, % |
14,99 |
||
|
Внутренняя пористость | Internal porosity |
2,87 |
||
|
Коэффициент Хауснера | Hausner coefficient |
2,35 |
||
|
Коэффициент Карра | Carr coefficient |
57,45 |
||
* Увеличение микроскопа 10х; * Диаметр воронки – 10 мм
* Microscope magnification 10x; * Funnel diameter – 10 mm
