Исследование функционально-технологических свойств концентрата сывороточных белков в технологиях сбивных конфетных масс

Одними из главных компонентов сбивних конфетных масс являются пенообразователи, которые в основном относятся к классу белков. В кондитерской промышленности в качестве пенообразователей чаще всего используются яичные белки. Другие пенообразователи, такие как белки сои, кровяной альбумин, экстракт сахарной свеклы, экстракт мыльного корня, корень солодки не нашли широкого применения, так как не соответствуют требованиям по органолептическим показателям.

Исследования ученых показали, что яичные белки, несмотря на их высокую молекулярную массу и наличие сложных вторичных и третичных структур могут диффундировать из жидкой фазы и адсорбироваться на поверхности раздела фаз (при формировании пены) благодаря совместимости их гидрофобных частей с гидрофобной воздушной фазой. Адсорбция белка снижает поверхностное натяжение жидкости, хотя и в меньшей степени, чем поверхностноактивные вещества низкой молекулярной массы. Однако, снижение поверхностного натяжения способствует формированию пузырьков

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License воздуха, а возникновение протеиновой пленки на межфазной поверхности ведет к повышению их устойчивости.

В последнее время значительное внимание производителей уделяется использованию молочных белков. При производстве молочных продуктов образуются значительные объемы сыворотки, которая, несмотря на высокую пищевую ценность, еще недостаточно используется в пищевой промышленности.

Материалы и методы

При выполнении исследований использовали общепринятые и специальные методы исследований. Пенообразующую способность и устойчивость белковой пены определяли по методу Рауха, который заключается в сопоставлении объема полученной белковой пены до и после взбивания; устойчивость пены фиксировали по высоте столба пены после завершения взбивания. Поверхностное натяжение измеряли сталагмометрическим методом. Определение структуры и дисперсности белковых пен проводили с помощью электронного микроскопа.

В качестве материалов исследования использовали сухой яичный белок производства ООО «ОVОSТАR», концентрат сывороточных белков Lactomin 80 КСБ УФ.

Результаты и обсуждение

Ежегодное мировое производство сывороточных белков составляет около 600 тысяч тонн. Будучи вторичным продуктом в технологии сыроварения, сывороточные белки доступны в больших количествах и, как следствие, достаточно дешевы. Традиционным способом получения концентрата из молочной сыворотки белков является тепловая коагуляция с последующим ферментативным гидролизом и фракционирование гидролизатов.

Благодаря промышленному внедрению мембранных технологий, включая ультра- и диафильтрацию, а также ионообменную адсорбцию, появились концентраты и изоляты сывороточных белков с высокими функциональными свойствами [1].

Белки молочной сыворотки являются полноценными, имеют самую высокую скорость расщепления в пищеварительном тракте, усвояемость составляет 98%.

Кроме того, сывороточные белки по своей природе являются поверхностно-активными веществами и меняют свое поведение на границе раздела фаз, а также состояние пограничных с ним сред. Однако, эти свойства в технологиях пищевых производств используют ограниченно.

Белки молока представлены двумя группами белковых фракций – казеином и сывороточными белками. Казеин составляет 80% всех белков коровьего молока, в результате агломерации казеиновых мицелл аккумулируется в сгусток. Остальные белки переходят в сыворотку, и поэтому их называют сывороточными белками. Белковыми фракциями молочной сыворотки является β-лактоглобулин, α-лактоглобу-мины, иммуноглобулины, альбумины сыворотки крови, гликомакропептиды, лактоферрин [3].

Основным белковым компонентом молочной сыворотки является β-лактоглобулин, который является источником гипотензивных, антиоксидантных и иммуномодулирующих пептидов. β-лактоглобулин в молоке находится в виде димера, состоящий из двух полипептидных цепей. Молекула β-лактоглобулина состоит из 162 аминокислотных остатков и имеет молярную массу около 18000 [1, 3].

В таблице 1 приведено содержание незаменимых аминокислот белков в 100 граммах сухих веществ [2].

Таблица 1.

Содержание незаменимых аминокислот протеинов

Table 1.

Essential amino acid content of proteins

Аминокислота | Аminо acid	Массовая доля аминокислоты в белке, г / 100 г. Mass fraction of amino acids in protein, g / 100 g
	Эталон ФАО / ВООЗ Reference FAO / WHO	Яичный протеин Egg Protein	Сывороточный протеин Whey Protein
Try	1,0	1,5	2,2
Lys	5,5	7,0	9,1
Thr	4,0	4,3	5,2
Val	5,0	7,2	5,7
Ise	4,0	7,7	6,2
Leu	7,0	9,2	12,3
Phe + Tyr	6,0	6,3	8,2
Met + Cys	3,5	4,0	5,7
Сумма незаменимых Sum of essential amino acids	36,0	47,2	54,6

Белок имеет две дисульфидные связи,

способность раствора максимальная, при изме-

соединяющие остатки цистеина, а также одну свободную сульфгидридную группу в остатке цистеина. Свободная сульфгидридная группа, которая располагается внутри свернутого поли-пептидной цепи, раскрывается в результате тепловой денатурации белка. При нагревании молока до температуры выше 30 °С β-лактогло-булин распадается на мономеры, которые при дальнейшем нагревании агрегируют за счет образования     дисульфидных     связей:

+ O

R - SH + HS - R → R - S - S - R .

• - H ₂ O

Тепловая денатурация β-лактоглобулина приводит к коагуляции агрегированного белка (он коагулирует почти полностью при 85–100 °С).

Полипептидная цепь α-лактоглобумина состоит из 123 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу 14000. Молекула α-лактоглобумина содержит 4 дисульфидные связи, соединяющие остатки цистеина [4].

В молоке α-лактоглобумин тонкодиспер-гован, размер частиц 15–20 нм. Не коагулирует в изоэлектрической точке при рН 4,2–4,5 в силу своей большой гидратационной способности, не свертывается под действием сычужного фермента, термостойкий. Повышенная устойчивость α-лактоглобумина к нагреванию обусловлена наличием в его молекуле большого количества дисульфидных связей.

Устойчивость α-лактоглобумины к нагреванию достигается оборачиваемостью денатурации белка – после охлаждения наблюдается восстановление его нативной структуры за счет самовольного повторного свертывания цепей – ренатурация.

Для ренатурация α-лактоглобумина необходимые ионы Са2+, которые стабилизируют его пространственную структуру.

Сывороточные белки образуют при нагревании необратимые гели, а в зависимости от рН могут формировать сетевые структуры двух типов: в виде тонкоскрученних или распределенных частиц.

Совокупность приведенных данных показывает целесообразность дальнейшего изучения и использования сывороточных белков при создании нового ассортимента сбивных конфетных масс с повышенной пищевой ценностью.

Поскольку в литературе не найдено сведений о восстановлении сывороточных белков, нами проведено исследование по установлению пенообразующей способности от времени взбивания и соотношение воды к белку (рисунок 1).

Учеными [5] установлено, что для восстановления сухого яичного белка водой, оптимальным соотношением является 1:7. При таком соотношении белка и воды пенообразующая нении концентрации начинает снижаться или остается на постоянном уровне.

Длительность взбивания, минут Beating duration, minutes

Рисунок 1. Зависимость пенообразующей способности сывороточного белка от продолжительности взбивания и соотношения, %: • – соотношение белка и воды 1:5; ■ – соотношение белка и воды 1:7; ▲ – соотношение белка и воды 1:10; ♦ – соотношение белка и воды 1:12 Figure 1. Dependence of the foaming ability of whey protein on the duration of whipping and the ratio, %: • – the ratio of protein and water 1: 5; ■ – the ratio of protein and water 1: 7; ▲ – ratio of protein and water 1:10; ♦ – ratio of protein and water 1:12

Кроме того, при достижении такого соотношения происходит формирование адсорбционного слоя, который имеет максимальную прочность [6, 7].

Для сывороточного белка самая высокая пенообразующая способность наблюдалась в соотношении 1:10 при взбивании 3 минуты (рисунок 1).

Это объясняется большей гидратационной способностью сывороточного белка по сравнению с яичным белком. Максимальное значение пенообразующая способность смеси белков наблюдается в соотношении комбинированной белковой смеси к воде 1:7 при 2–3 минуты взбивания [8, 9–20]. На основании полученных данных были разработаны рекомендации по восстановлению сухого сывороточного белка для сбивных конфетных масс.

При образовании области повышенного поверхностного натяжения в результате истончение пленки на ее поверхности устанавливается градиент поверхностного натяжения, следствием которого наблюдается быстрое движение мономолекулярного слоя (эффект Марангони). Явление, названное поверхностным переносом, способствует стабилизации пленки пен.

Для определения поверхностного натяжения белковых растворов с разной концентрацией использовали сталагмометрический метод. Результаты исследований приведены на рисунке 2.

Концентрация раствора, %

Solution concentration. %

Рисунок 2. Зависимость поверхностного натяжения растворов белков от их концентрации, Н/м: • – раствор яичного белка; ■ – раствор сывороточного белка Figure 2. Dependence of the surface tension of protein solutions on their concentration, N/m: • – egg white solution; ■ – whey protein solution

Из приведенных данных видно, что для яичного белка с концентрацией раствора 0,5% показатель поверхностного натяжения составляет 57,43 ± 1,72 Н/м, а для сывороточного белка с аналогичной концентрацией 55,13 ± 1,65 Н/м. Однако, с увеличением концентрации поверхностное натяжение растворов сывороточного белка существенно возрастает по сравнению с яичным белком.

Так, поверхностное натяжение 5% раствора яичного белка составляет 76,13 ± 2,28 Н/м, сывороточного 88,67 ± 2,66 Н/м.

Увеличение поверхностного натяжения с увеличением концентрации белков объясняется их сложной структурой. Несмотря на наличие гидрофильных и гидрофобных групп, в первичной структуре они распределены неупорядоченно, а в четвертичной свернутой конформации некоторые гидрофобные остатки образуют на поверхности молекулы белка отдельные участки, большинство гидрофобных остатков «углубленные» внутрь молекулы. Таким образом, в технологии сбивных конфетных масс целесообразно использовать небольшие концентрации белков.

Следует отметить, что поверхностные явления наиболее важные для пенообразования и свойств пен. Поведение белков на границе раздела фаз сложная и еще недостаточно изученная тема. Основными характеристиками пен, которые имеют важное значение в кондитерской промышленности является пенообразующая способность и устойчивость пен.

Результаты исследований показали, что пенообразующая способность яичного белка составила 420%, а сывороточного 400%.

При комбинировании яичного и сывороточного белков в различных соотношениях, увеличение количества сывороточного белка в суспензии приводило к снижению показателя пенообразующей способности.

Для определения структуры и дисперсности пен, полученных из яичного, сывороточного и смеси яичного и сывороточного белков проводили микросъемки, микрофотографии приведены на рисунке 3.

а в с

Рисунок 3. Микроструктура пен: а – раствор яичного белка; в – раствор сывороточного белка; с – комбинированный раствор яичного и сывороточного белков в соотношении 1:1

Figure 3. Foam microstructure: a – egg white solution; в – whey protein solution; c – a combined solution of egg and whey proteins in a 1: 1 ratio

Установлено, что пузырьки воздуха при одинаковом взбивании в пене яичного белка имеют многогранную (полиэдрическую) форму, а сывороточного белка – сферическую. Ячейки пены, состоящий из яичного и сывороточного белков имеют сферическую форму. Однако, в яичном белке (рисунок 3 а) больше межпоровых перегородок, чем можно объяснить высокую стабильность его пены – 92%. Пена из смеси белков (рисунок 3, с) отличается от сывороточного белка (рисунок 3, в) большей равномерностью распределения воздушных пузырьков и более тесным их расположением относительно друг друга.

Заключение

Исследованы функционально-технологические свойства концентрата сывороточных белков. Установлено, что при использовании сывороточных белков сбивные массы имели стабильную устойчивость, которая обеспечивалась повышенной способностью белков к гидратации, поверхностной активностью, типом межмолекулярных взаимодействий, а также повышенной температурой денатурации и способностью образовывать гели.

Таким образом, совокупность проведенных исследований показывает целесообразность дальнейшего изучения и использования сывороточных белков при создании нового ассортимента сбивных конфетных масс.