Исследование влияния пребиотического ингредиента на качественные и биотехнологические показатели биопродукта

Актуальность исследований. FoodNet является одним из ключевых рынков Национальной технологической инициативы и имеет первостепенное значение в формировании глобальных трендов на мировых рынках за счет лучших технологических решений продовольственной безопасности человека [1].

Основной вектор развития дорожной карты рынка FoodNet связан с инновационными решениями в области производства и реализации питательных веществ и конечных видов пищевых продуктов (персонализированных и общих, на основе традиционного сырья и его заменителей), а также сопутствующих IT-решений (например, обеспечивающих сервисы по логистике и подбору индивидуального питания).

Персонализированное питание является научным подходом к индивидуальному здоровью каждого человека. В рамках этого подхода особое внимание уделяют категории функциональных продуктов, в первую очередь молочным, как важнейшему из аспектов комплексного подхода к здоровью и долголетию [2].

В условиях повышенной информационной нагрузки, неблагоприятной экологической обстановки и ухудшения общего качества рациона современного человека перспективным направлением пищевой технологии остается разработка и организация промышленного производства новых биопродуктов, полученных ферментацией молока уникальными консорциумами микроорганизмов – пробиотиков, обогащённых дополнительно пребиотическими ингредиентами [3, 4, 5].

Среди многообразия пищевых веществ с выраженными пребиотическими свойствами лактоза занимает особое место. Это достаточно распространенный пребио-тик, избирательно стимулирующий рост и активность кисломолочной микрофлоры кишечника [3].

Производные лактозы, также обладают пребиотическим потенциалом и широко используются в пищевых технологиях. Особое внимание из этой группы веществ заслуживает лактитол (лактит), достаточно ограничено используемый отечественной молочной промышленностью, не смотря на свои уникальные свойства.

Лактитол – синтетический структурообразующий сахарозаменитель с низким гликемическим индексом, полученный из лактозы путем уменьшения части глюкозы данного дисахарида; представляет из себя белую кристаллическую пудру, без запаха, на вкус ‒ сладкую (слаще сахарозы в 0,4 раза); гигроскопичен, хорошо растворим, имеет вязкость раствора меньше по сравнению с сахарозой, устойчив к нагреванию.

Учитывая позитивное воздействие лактитола на рост пробиотической микрофлоры, его целесообразно использовать при производстве биопродуктов для пер- сонализированного и функционального питания. Тем более доказано, что внесение лактитола увеличивает жизнеспособность микроорганизмов закваски в течение всего срока годности [6, 7].

Целью проводимых научных исследований является изучение влияния различной массовой доли пребиотического ингредиента на качественные и биотехнологические показатели биопродукта для персонализированного питания.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились: биопродукт, полученный путем ферментации молока 2,5% жирности консорциумом микроорганизмов-пробиотиков, состоящим из концентрата пропионовокислых бактерий на основе селектированных штаммов Propionibacterium freudereichii (подвиды shermanii и globosum) и бактериального концентрата лиофильно высушенной протосимбиотической смеси чистых культур термофильного стрептококка Streptococcus salvarius subsp. thermophilus и болгарской палочки Lactobacillus delbruесkii subsp. Bulgaricus; пребиотический ингредиент – лактитол по действующей нормативной документации, утвержденной в установленном порядке.

В ходе исследования использовались: общепринятые математические методы планирования эксперимента; методы математического моделирования и статистики; микробиологические, биохимические и физико-химические методы.

Результаты и их обсуждение. С целью исследования влияния пребиотика на качественные показатели биопродукта для персонализированного питания и выбора оптимальной массовой доли лактитола были изучены органолептические, биотехнологические и микробиологические показатели опытных образцов.

Массовую долю лактитола выбирали согласно результатам исследований Стэндфордского Университета (Великобритания): пребиотический эффект достигается при введении в рацион питания до 20 г чистого лактитола [6].

В качестве контрольного образца использовали биопродукт, полученный ферментацией молока 2,5% жирности консорциумом микроорганизмов с выраженной пробиотической активностью (без добавления лактитола). Опытные образцы биопродукта отличались массовой долей вносимого пребиотического ингредиента: опыт 1 – 2,5%, опыт 2 – 5,0%, опыт 3 – 7,5%, опыт 4 – 10,0%.

При изучении процесса сквашивания опытных образцов консорциумом микроорганизмов-пробиотиков разработаны математические модели, описывающие влияние лактитола и продолжительности сквашивания на изменение клеточной концентрации пропионовокислых и молочнокислых микроорганизмов.

Разработку математических моделей и построение поверхностей отклика осуществляли с использованием современного программного продукта «TableCurve 3D», в котором реализованы методы анализа временных рядов, регрессионного, кластерного и факторного анализов, а также многомерного шкалирования.

Поверхность отклика зависимости клеточной концентрации пропионовокислых микроорганизмов Propionibacterium freudereichii (подвиды shermanii и globosum) от массовой доли лактитола и продолжительности сквашивания представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Зависимость клеточной концентрации пропионовокислых микроорганизмов от массовой доли лактитола и продолжительности сквашивания

Разработанная математическая модель, описывающая изменение клеточной концентрации пропионовокислых микроорганизмов от массовой доли лактитола и продолжительности сквашивания, представлена следующим уравнением регрес- сии:

z = a + b • x + n • y

где:

х – массовая доля лактитола, %;

у – продолжительность сквашивания, ч;

z – клеточная концентрация пропионовокислых микроорганизмов, lgKOE/см3.

Коэффициенты уравнения регрессии (1) представлены в таблице 1.

Таблица 1 ‒ Расчетные коэффициенты уравнения регрессии

Коэффициенты	Значение	Коэфф детерм	ициент инации (R2	)
а		0,97
c	00,,0672

Поверхность отклика зависимости клеточной концентрации молочнокислых микроорганизмов протосимбиотической смеси чистых культур термофильного стрептококка Streptococcus salvarius subsp. thermophilus и болгарской палочки Lactobacillus delbruесkii subsp. Bulgaricus от исследуемых факторов в процессе сквашивания от массовой доли лактитола и продолжительности сквашивания представлена на рисунке 2 .

Рис. 2. Зависимость клеточной концентрации молочнокислых микроорганизмов от массовой доли лактитола и продолжительности сквашивания

Разработанная математическая модель, описывающая изменение клеточной концентрации молочнокислых микроорганизмов от массовой доли лактитола и про- должительности сквашивания, представлена следующим уравнением регрессии:

z = a + b • x + n • y

где:

х – массовая доля лактитола, %;

у – продолжительность сквашивания, ч;

z – клеточная концентрация молочнокислых микроорганизмов, lgKOE/см3.

Коэффициенты уравнения регрессии (2) представлены в таблице 2 .

Таблица 2 ‒ Расчетные коэффициенты уравнения регрессии

Коэффициенты	Значение	Коэфф детерм	ициент инации (R2	)
а		0,96
c

В ходе научных исследований была изучена зависимость содержания витамина В12, продуцируемого пропионовокислыми микроорганизмами. Результаты проведенных исследований представлены на рисунке 3 .

Рис. 3. Содержание витамина В12 в зависимости в зависимости от массовой доли лактитола

Уравнение регрессии и коэффициент детерминации проведенных исследований содержания витамина В12 представлены в таблице 3.

Таблица 3 ‒ Регрессионный анализ изменения содержания витамина В12 в зависимости от массовой доли лактитола в исследуемых опытных образцах

Показатель	Уравнение регрессии	Коэффициент детерминации (R2)
1 Содержание витамина В 12	___1 y = -2,33x2 + 11,82x + 39,95	1 R2 = 0,7688              1

Анализ экспериментальных данных и последующая их статистическая обработка, представленные на рис. 1-3 и табл. 1-3, позволили установить, что рост клеток пропионовокислых и молочнокислых микроорганизмов зафиксированы в опытном образце № 3, в связи с чем синтез витамина В12 в данном образце соответственно протекает более интенсивно.

При проведении исследований установлено, что лактитол придает биопродукту приятный сладкий вкус, не искажает запах и цвет. В таблице 4 представлены результаты органолептической оценки опытных образцов с разными концентрациями лактитола.

Таблица 4 ‒ Результаты органолептической оценки опытных образцов

Показатель	Показатели биопродуктов
	Контроль	Опыт 1 (25%)	Опыт 2 (5%)	Опыт 3 (75%)	Опыт 4 (10%)
Вкус и запах	Чистый, кисломолочный	Чистый кисло-мо-лочный	Чистый, кисломолочный, слабосладкий	Чистый, кисломолочный, в меру сладкий	Чистый, кисломолочный, сладкий
Консистенция	Слабовязкая, однородная,		сгусток – плотный
Цвет	Молочно-белый, равномерный по всей массе

При анализе представленных данных установлено, что образец биопродукта (опыт 3) имеет максимально приятные вкусовые характеристики по сравнению с контрольным образцом и образцами биопродуктов (опыт 1, 2, 4).

Таким образом, на основании комплекса полученных экспериментальных данных и их последующего анализа, установлена оптимальная массовая доля лакти-тола ‒ 7,5%, которая позволила получить биопродукт с повышенными биотехнологическими качествами и новыми вкусовыми свойства.