Исследование и разработка технологии белково-углеводного кисломолочного продукта для специализированного питания

Важным и необходимым условием для сохранения жизни, здоровья и работоспособности населения страны является полноценное и здоровое питание, в организации которого превалирующее место занимают молоко и молочные продукты.

В настоящие время разработан целый ряд пищевых продуктов и рационов для питания отдельных групп населения (спортсменов, детей различного возраста, беременных и лактирующих женщин, различных профессиональных групп рабочих промышленных предприятий и др.), объединенных в одну категорию – специализированное питание.

Одна из его важнейших категорий – продукты для лиц, систематически занимающихся физической культурой, фитнесом, любительским и профессиональным спортом. Отметим, специализированные продукты питания для спортсменов представлены на рынке очень широко, однако их объем отечественного производства недостаточен.

В рамках реализации в стране программы импортозамещения особо актуальны проведение исследований и разработка технологий отечественных продуктов для специализированного питания спортсменов, прежде всего подростков, студентов, для получения ими высоких результатов, а также восстановления затраченных энергии и эмоциональных нагрузок, испытанных организмом молодого человека во время интенсивных тренировок и соревнований [1–4].

Объекты и методы

При выполнении научной работы использован комплекс общепринятых и стандартных методов исследований: физико-химических, микробиологических, биохимических, структурно-механических, органолептических. Результаты исследований обработаны методами статистического анализа и математического моделирования.

В качестве объектов исследования определены: молоко коровье сырое по ГОСТ 31449– 2013; молоко обезжиренное – сырьё по ГОСТ 31658–2012; изолят сывороточных белков по действующей нормативной документации; закваска LAT PB AC; закваска ВВ-12; мёд нату-

ральный (пчелиный) по ГОСТ Р 54644–2011; препарат «Пантогематоген Северный» по ТУ 9218-006-13148879-07; мальтодекстрин по ТУ 9189-010-27291178-2010; ферментный препарат β-галактозидаза грибкового происхождения Aspergillus niger по действующей нормативной документации.

Исследованы процесс ферментации и количество жизнеспособных клеток полезной микрофлоры в процессе хранения ферментированных опытных продуктов с различным количеством белковой добавки – изолята сывороточных белков (ИСБ). Характеристика химического состава опытных продуктов, изучаемых в серии 1, представлена в табл. 1.

Таблица 1 Химический состав опытных продуктов

Продукт	Компоненты,%		Массовая доля,%
	молоко обезжиренное низколактозное	ИСБ	сухие вещества	в том числе
				жир	белки	углеводы
Контроль	100,0	–	6,40 ± 0,05	0,05 ± 0,01	3,3 ± 0,1	2,25 ± 0,15
Опыт 1	99,0	1,0	7,29 ± 0,01	0,05 ± 0,01	4,2 ± 0,1	2,27 ± 0,10
Опыт 2	97,0	3,0	9,09 ± 0,01	0,06 ± 0,01	5,9 ± 0,1	2,32 ± 0,11
Опыт 3	95,0	5,0	10,88 ± 0,01	0,07 ± 0,01	7,6 ± 0,1	2,36 ± 0,12
Опыт 4	93,0	7,0	12,67 ± 0,01	0,08 ± 0,01	9,4 ± 0,1	2,41 ± 0,10

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что добавление ИСБ с 1,0 (опыт 1) до 7,0% (опыт 4) к низколактозному обезжиренному молоку позволило значительно увеличить в нормализованной смеси общее количество сухих веществ, в основном за счёт повышения массовой доли молочных белков с 3,3 в обезжиренном молоке (контроль) до 9,4% (опыт 4), при незначительном повышении массовой доли молочного жира с 0,05 (контроль) до 0,08% (опыт 4) и углеводов с 2,25 (контроль) до 2,41% (опыт 4).

Контрольный и опытные продукт пастеризовали при температуре 82–85°С с выдержкой 3–5 мин и охлаждали до температуры инокулирования закваски (37 ± 1)°С. Закваску DVS культур использовали в активизированном виде, количество инокулированой закваски LAT PB AC (B. longum, B. bifidum, B. infantis, Str. thermophilus, L. acidophilus) от объёма опытных продуктов составило 5% (серия 1).

Параллельно проводили исследование процесса ферментации контрольного и опытных продуктов ассоциативной закваской культур L. acidophilus, B. lactis, S. thermophilus в иммобилизованном виде (серия 2).

Результаты экспериментальных исследований титруемой и активной кислотности представлены на рис. 1–4.

Рис. 1. Динамика титруемой кислотности контроля и опытных продуктов в процессе ферментации (закваска LAT PB AC)

Рис. 2. Динамика активной кислотности контроля и опытных продуктов в процессе ферментации (закваска LAT PB AC)

Рис. 3. Динамика титруемой кислотности контроля и опытных продуктов в процессе ферментации (ассоциативная закваска в иммобилизованном виде)

Рис. 4. Динамика активной кислотности контроля и опытных продуктов в процессе ферментации (ассоциативная закваска в иммобилизованном виде)

Изменения титруемой и активной кислотности оформлены линейными регрессионными зависимостями. Так как коэффициент детерминации (R2) регрессионных зависимостей близок к 1, можно утверждать, что они адекватно описывают изучаемый процесс и имеют минимальную ошибку прогнозирования изучаемого процесса.

Результаты изучения микробиологических показателей контрольного и опытных продуктов приведены на рис. 5.

Микробиологические показатели контрольного и опытных ферментированных продуктов представлены на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость общего количества молочнокислых микроорганизмов и бифидобактерий в контрольном и опытных продуктах от количества ИСБ (закваска LAT PB AC)

Рис. 6. Зависимость общего количества молочнокислых микроорганизмов и бифидобактерий в контрольном и опытных продуктах от количества ИСБ (ассоциативная закваска в иммобилизованном виде)

Анализ данных, представленных на рис. 5, позволяет считать, что при избыточном количестве ИСБ не происходит увеличения роста молочнокислых бактерий, так как при увеличении массовой доли сухих веществ в опытных продуктах снижается содержание свободной влаги, необходимой для активной жизнедеятельности микроорганизмов.

Органолептическая оценка ферментированных продуктов с использованием ассоциативной закваски, иммобилизованной в гель биополимеров, выглядит следующим образом: контроль (7–8 баллов); опыт 1 (8 баллов); опыт 2 (8,5 балла); опыт 3 (9,6 балла); опыт 4 (9 баллов).

Сравнительный анализ показателей процесса ферментации контрольного и опытных продуктов закваской LAT PB AC и ассоциативной закваской в иммобилизованной форме свидетельствует об эффективности видового состава культур L. acidophilus, S. thermophilus и бифидобактерий, позволяя считать, что в рамках реализации в стране программы импорто-замещения изучаемые виды заквасок при ферментации белково-углеводной молочной основы взаимозаменяемы.

Для прогнозирования процесса ферментации и выявления взаимоотношений между управляемыми факторами были разработаны двухфакторные математические модели, характеризующие процесс ферментации молочной основы с различным количеством ИСБ; приведено их трёхмерное изображение. При разработке двухфакторных математических моделей использовалась компьютерная программа Table Curve 3D v4. Проанализированы экспериментальные данные, приведенные в Excel. Результаты исследований и математические модели представлены на рис. 7–10.

Рис. 7. Функция отклика изменения титруемой кислотности кисломолочного продукта в зависимости от времени ферментации и массовой доли изолята сывороточных белков

Рис. 8. Изменение активной кислотности в кисломолочном продукте в зависимости от времени ферментации и массовой доли изолята сывороточных белков

Рис. 9. Функция отклика изменения титруемой кислотности продукта при использовании ассоциативной закваски в иммобилизованном виде

Рис. 10. Функция отклика изменения активной кислотности продукта с использованием ассоциативной закваски в иммобилизованном виде

Дисперсионный анализ двухфакторных математических моделей показал, что доминирующим фактором, оказывающим влияние на изменение титруемой и активной кислотности при ферментации кисломолочного продукта, является время ферментации – более 99%, у массовой доли изолята сывороточных белков влияние – до 0,5 %.

Продукты для спортивного питания должны быть обогащены углеводами. Рекомендуется сочетать глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтодекстрин, экстракты и концентраты ягодные, мёд и др. Из данного перечня выбраны мёд натуральный (пр-во Алтай) по ГОСТ Р 54644–2011 и мальтодекстрин по ТУ 9189-010-27291178-2010. При экспериментальном выборе количественного состава углеводных компонентов оценивались органолептические, химические, физические, микробиологические показатели ферментированных продуктов.

Анализ химического состава модельных композиций, представленных в табл. 2, свидетельствует о количественном соотношении белки : углеводы – в контроле 3:1; опыте 1 – 2:1; опыте 2 – 1,4:1,0; опыте 3 – 1:1; опыте 4 – 1,0:1,4.

Модельные композиции ферментировали закваской LAT PB AC в активизированной форме: температура ферментации (37 ± 1)°С; время (6,0 ± 0,5) ч.

Таблица 2

Модельная композиция	Молочнобелковая основа, %	Мёд натуральный, %	Мальтодекстрин, %	Массовая доля, %
				сухих веществ	в том числе
					жира	белков	углеводов
Контроль	100	–	–	10,83 ± 0,50	0,07 ± 0,01	7,60 ± 0,01	2,36 ± 0,01
Опыт 1	98,5	1	0,5	11,96 ±	0,07 ±	7,70 ±	3,62 ±
				0,50	0,01	0,01	0,01
Опыт 2	96,0	3	1,0	13,81 ±	0,07 ±	7,50 ±	5,58 ±
				0,50	0,01	0,01	0,01
Опыт 3	93,5	5	1,5	15,66 ±	0,07 ±	7,12 ±	7,63 ±
				0,50	0,01	0,02	0,02
Опыт 4	91,0	7	2,0	17,51 ±	0,07 ±	6,97 ±	9,80 ±
				0,50	0,01	0,02	0,02

Компонентный и химический состав модельных композиций

Анализ процесса ферментации опытных продуктов позволил отметить, что процесс ки-слотонакопления в опытном образце 4 менее активен, это можно объяснить большим количеством углеводов в компонентной смеси и снижением количества свободной влаги, необходимой для жизнедеятельности микрофлоры закваски, об этом также свидетельствует показатель активности воды, снижающийся по мере увеличения массовой доли углеводов (табл. 3).

Физические показатели модельных композиций

Таблица 3

Модельная композиция	Массовая доля,%		Активность воды, аw	Температура замерзания, °С	Время замерзания, с
	сухих веществ	в т.ч. углеводов
Контроль	10,80	2,36	0,997	–0,465	88
Опыт 1	11,96	3,62	0,995	–0,984	135
Опыт 2	13,81	5,57	0,993	–0,865	138
Опыт 3	15,66	7,62	0,991	–0,764	140
Опыт 4	17,51	9,80	0,980	–1,553	152

Микробиологические показатели ферментированных модельных композиций представлены на рис. 11.

□ Молочнокислых бактерий □ Бифидобактерий

Рис. 11. Микробиологические показатели ферментированных модельных композиций

Микробиологические показатели, представленные на рис. 11, также свидетельствуют о некотором снижении активности как молочнокислых микроорганизмов, так и бифидобактерий в модельной композиции (опыт 4).

Анализ совокупности показателей экспериментальных исследований по определению углеводного компонента кисломолочного продукта позволяет сделать вывод: он должен состоять из двух основных составляющих: мёда натурального в количестве 5 мас.% и мальтодекстрина – 1,5 мас.%. Это обеспечивает в продукте соотношение между белками и углеводами 1:1.

Продукты для специализированного, прежде всего, спортивного питания, как правило, дополнительно содержат вещества, стимулирующие белковый, углеводный, энергетический обмен, а также являются адаптогенами, способствующими восстановлению организма спортсменов после усиленных нагрузок во время тренировок и соревнований. Для данного продукта в качестве такого вещества выбран «Пантогематоген Северный», а также витаминно-минеральный премикс, дополняющий качественный и количественный состав витаминов (прежде всего Е, С, группы В) и минеральных веществ (натрий, калий, фосфор, кальций), которые содержатся в молочной основе и других компонентах рецептуры, таких как изолят сывороточного белка, мёд натуральный.

При определении рационального количества исследуемого ингредиента наиболее значимо установление степени его влияния на динамику развития пробиотической микрофлоры во время процесса ферментации и органолептических показателей ферментированного (кисломолочного) продукта. После определения количественной дозы ингредиента установили химический состав кисломолочного продукта. Пантогематоген предварительно диспергировали при перемешивании с небольшим количество обезжиренного молока, затем смешали с молочной основой, ИСБ, мёдом и мальтодекстрином при температуре 45–50°С, смесь гомогенизировали, пастеризовали и охлаждали до температуры инокулирования заквасочных культур. Шаг внесения доз пантогематогена в смесь компонентов: опыт 1 (1%), опыт 2 (3%), опыт 3 (5%), опыт 4 (7%).

На основании комплексного исследования микробиологических, химических, органолептических показателей принята его рациональная доза 3,0 мас.% от компонентов рецептуры.

Пищевая и энергетическая ценность кисломолочного продукта представлена в табл. 4.

Таблица 4

Пищевая и энергетическая ценность кисломолочного продукта для специального питания

Продукт	Массовая доля,%			Энергетическая ценность
	жир	белки	углеводы	кДж	ккал
Кисломолочный	0,07	7,7	9,7	494,9	118,4

После исследования хранимоспособности и безопасности кисломолочного продукта установлен срок его годности – 7 сут. при температуре хранения (4 ± 2)°С [5].

Выводы

• 1.    На основании аналитической и математической обработки экспериментальных данных, полученных в процессе реализации плана выполнения научно-исследовательской работы, достигнута основная цель – дано научное обоснование и разработаны все этапы технологии белково-углеводного продукта для специализированного питания.

• 2.    В установленном порядке утверждена нормативная документация для производства белково-углеводного кисломолочного продукта «Спортивный» СТО 78815029-035-2015.

• 3.    Новизна рецептурной композиции нового продукта отражена в патенте РФ № 2538151.