Концентрат сывороточных белков, обогащенный железом

Концепция оптимального питания предполагает в качестве одного из важнейших условий сохранения здоровья человека адекватную обеспеченность его организма как макро-, так и микронутриентами, в том числе и эссенциальными микроэлементами, в частности железом. Железодефицитные состояния по-прежнему остаются актуальной и во многих отношениях нерешенной проблемой современной медицины. Недостаток железа в организме приводит ко многим негативным последствиям. Одним из них является развитие железодефицитной анемии [1].

Учитывая, что в повседневной жизни человек потребляет железо в составе растительных и животных продуктов и что наличие аминокислот и пептидов, а также белков животного происхождения способствует лучшему усвоению организмом этого микроэлемента, представляется целесообразным обогащать рационы питания именно органическими формами железа [2]. Известно, что лучше усваиваиваются хорошо растворимые (хелатированные) препараты железа, в которых элемент находится в виде Fe2+. Примером классического хелата служит гемоглобин, где атом железа окружен белковой оболочкой [3].

По нашему мнению, наиболее удобным объектом для обогащения железом являются сывороточные белки, поскольку они близки к глобинам и обладают высокой биологической ценностью. Сывороточные белки могут служить дополнительным источником незаменимых аминокислот. Это позволяет отнести их к полноценным белкам, используемым организмом для структурного обмена, образования гемоглобина и плазмы крови.

Выделение сывороточных белков основано на их физико-химических свойствах. В настоящее время широко распространены кислотно-тепловой способ коагуляции при значениях рН, близких к изоэлектрической точке, и мембранные методы (ультрафильтрация, ионный обмен, электродиализ и др.) [4]. Коагуляция белков из сыворотки с введением химических реагентов изучена недостаточно. В связи с этим, представляет интерес исследование режимов выделения сывороточных белков комплексным методом, тепловой денатурацией и введением реагентов, содержащих двухвалентное железо.

Денатурация сывороточных белков и последующая биологическая обработка с помощью бифидобактерий позволят снизить аллергизирующиее действие сывороточных белков. Кроме того, бифидобактерии будут обеспечивать поддержание нормального состава и функциональной активности микрофлоры кишечника человека [5].

Цель данной работы – разработка технологии ферментированного концентрата сывороточных белков, обогащенного железом для диетической коррекции железодефицитных состояний.

Материалы и методы

В качестве сырья для концентрата сывороточных белков (КСБ) использовалась творожная сыворотка. Выделение сывороточных белков осуществлялось тепловой денатурацией с добавлением 10% раствора FeSO 4 . Для ферментации белковой массы применялась активная закваска бифидобактерий В. longum В 379М (ТУ 9229-001-02069473-98).

Физико-химические показатели определяли по стандартным методикам: массовую долю железа определяли по ГОСТ 26928-86; протеолитическую активность определяли по методике Э.Г. Грудзинской и А.К. Максимовой по сумме трех свободных аминокислот (тирозина, триптофана и цистеина в пересчете на тирозин); титруемую кислотность по ГОСТ 3624-92; активной кислотности - потенциометрическим методом на приборе рН-222.2 по ГОСТ 26781; массовую долю влаги - по ГОСТ 29246-91; индекс растворимости - по ГОСТ 30305.4-95. Микробиологические показатели определяли в соответствии с нормативной базой: количество клеток бифидобактерий определяли методом предельных разведений на плотной агаризованной среде ГМК по ТУ 10-10-02-789-192-95.

Обработка результатов экспериментов проводилась с помощью известных методов математической статистики с использованием MS Excel.

Результаты и обсуждение

С целью получения белков, обогащенных железом на первом этапе исследований изучали влияние дозы коагулянта и режимы тепловой обработки на степень использования сывороточных белков (табл. 1).

Полученные данные свидетельствуют о том, что процесс коагуляции в зависимости от дозы сульфата железа и продолжительности выдержки идет в узких пределах и скачкообразно. Максимальная степень использования сывороточных белков отмечена при температуре 95 0С, дозе сульфата железа 1,0 г/л и продолжительности выдержки 5 мин. При этом степень использования белка составляет 86,6% (см. табл. 1). Дальнейшая выдержка не приводит к заметному повышению степени использования сывороточных белков.

Таблица 1

Влияние режимов коагуляции на степень использования сывороточных белков

Температура коагуляции, 0С	Доза FeSO 4, г/л	Выдержка, мин	Степень использования белков, %	Мутность сыворотки, в усл. ед.
90	0,8	7	65,9	0,023
	1,0	5	68,2	0,021
	1,2	3	70,2	0,018
95	0,8	7	84,3	0,016
	1,0	5	86,6	0,007
	1,2	3	86,8	0,007
98	0,8	7	85,5	0,014
	1,0	5	86,8	0,007
	1,2	3	86,9	0,006

Согласно литературным данным существенное влияние на минеральный обмен оказывают бифидобактерии, которые составляют основу нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта [6]. Поэтому в дальнейших исследованиях концентрат сывороточных белков ферментировали активной закваской чистых культур бифидобактерий.

Ферментацию проводили при оптимальной для В. longum В 379М температуре культивирования: (37±1)⁰С с внесением различной дозы закваски. Изменение титруемой и активной кислотности, а также количества жизнеспособных клеток бифидобактерий при ферментации белковых сгустков представлено на рисунках 1 и 2.

Время, ч массовая доля закваски 3% массовая доля закваски 5% массовая доля закваски 10%

Время ферментации, ч массовая доля закваски 3% массовая доля закваски 5% массовая доля закваски 10%

Рисунок 1 – Влияние дозы закваски на активность кислотообразования

Рису 2 – Вл е дозы закваски бифидобактерий на рост клеток

Анализ данных рисунка 1 показывает, что с увеличением дозы закваски с 3 до 5 % наблюдается повышение титруемой кислотности. При этом процесс ферментации при внесении 5 % закваски сокращается на 2 ч. Количество клеток бифидобактерий при данной дозировке закваски через 4 ч ферментации составляет 1010 КОЕ/см3 (рис. 2). Дальнейшее повышение дозы закваски до 10% не дает значительного эффекта (см. рис. 1 и 2).

В следующей серии экспериментов изучали процесс протеолиза белков при ферментации. О протеолизе белков судили по накоплению тирозина (рис. 3).

доза закваски 10% доза закваски 5%

Тирозин, мг/100 г

Рисунок 3 – Влияние дозы закваски на протеолиз белков КСБ

Из результатов исследований, представленных на рисунке 3, видно, что накопление тирозина во всех образцах идет достаточно интенсивно. Так, через 2 ч культивирования содержание тирозина при внесении 5 и 10% закваски составляет 0,8 и 1,4 мг/100 г, а в конце ферментации содержание тирозина повысилось до 1,7 и 1,9 мг/100 г соответственно. Это свидетельствует о высокой протеолитической активности бифидобактерий, протеиназы которых расщепляют денатурированные сывороточные белки с образованием более простых соединений. Высокая биологическая ценность сывороточных белков, вероятно, создает благоприятные условия для развития бифидобактерий.

В таблице 2 приведены данные, характеризующие влияние процесса ферментации на основные органолептические и физико-химические показатели белковой массы железосодержащих КСБ.

Таблица 2 Характеристика белковой массы

Показатели	Белковая масса	Ферментированная белковая масса
Вкус и запах	Чистый, со специфическим привкусом сывороточных белков	Чистый, кисломолочный
Консистенция	Однородная, мажущаяся
Цвет	Белый, с сероватым оттенком
Массовая доля сухих веществ не менее, %	20	20
Титруемая кислотность, 0Т не выше	82	93
Содержание железа, мг/кг	81,8	91,5
Кол-во клеток бифидобактерий, КОЕ/1 см3	-	109

Как видно из данных таблицы 2, процесс ферментации способствует переходу железа в белковую массу и она содержит высокое количество жизнеспособных клеток бифидобактерий.

Для получения белковой массы со стандартными показателями были проведены исследования по определению продолжительности процесса самопрессования. В результате исследований установлено, что процесс самопрессования при температуре (20±2)°С в течение (1-1,5) ч обеспечивает получение готового продукта с требуемыми показателями.

При изучении сроков хранения белковой массы нами обнаружено, что титруемая кислотность ферментированной белковой массы понижалась, и через 12 сут хранения составляла 82 °Т и соответствовала значению титруемой кислотности до ферментации. Это явление, вероятно, можно объяснить взаимодействием ионов железа с молочной кислотой и образованием лактата железа. Снижение кислотности оказывает благоприятное действие на жизнеспособность бифидобактерий в процессе хранения.

Для продления сроков хранения ферментированного КСБ изучали возможность сохранения качества белка методом сублимационной сушки. Температурный режим сушки выби- рали с учетом термоустойчивости бифидобактерий: температура (40-45)оС, продолжительность (22-24) ч. Продолжительность сушки контролировали по остаточной влажности (не более 5%).

Качественная характеристика комплексной пищевой добавки, полученной методом сублимационной сушки, представлена в таблице 3.

Таблица 3 Характеристика сухой железосодержащей белковой добавки

Показатели		Сухая ферментированная белковая добавка
Вкус и запах		Чистый, кисломолочный
Консистенция		Мелкий сухой порошок. Допускается незначительное количество легко рассыпающихся комочков
Цвет		Белый, с сероватым оттенком
Массовая доля влаги, %		4
Содержание железа, мг/кг		420,1
Растворимость, мл сырого остатка		2
Кол-во клеток бифидобактерий, КОЕ/1 см3		3∙109
Масса продукта, г, в котором не допускаются	БГКП (колиформы)	1
	патогенные (в том числе сальмонеллы)	25
	стафилококки S.aureus	1
	листерии L. monocytogenes	-
Дрожжи, плесени, КОЕ/см3(г), не более		-

Из данных таблицы 3 следует, что комплексная пищевая добавка содержит железо в легкоусвояемой органической форме. Ферментация белковой массы улучшает органолептические свойства белков и снижает их аллергизирующее действие. Высокое количество жизнеспособных клеток бифидобактерий (109 КОЕ/см3) придает пищевой добавке дополнительные свойства эубиотика, регулирующего состав микрофлоры кишечника.

На основе полученных экспериментальных данных разработана технология производства сухого концентрата сывороточных белков, обогащенного железом (рис. 4).

Приемка сырья в соответствии с документацией •    Сыворотка творожная – ГОСТ Р 53438-2009 •    FeSO 4 – ГОСТ 4148-78 •    Закваска бифидобактерий – ТУ, ТИ
↓
Очистка, сепарирование при (45±1) оС
↓
Нагревание до (95±2)оС, внесение коагулянта 10%-ный водный раствор FeSO 4 в количестве 1 г/л, перемешивание и выдержка 5 мин
↓
Охлаждение
↓		↓
Самопрессование 1-1,5 ч, при (20±1) оС		Частичное удаление сыворотки, ферментация при (38±2)оС в течение 4 ч до (90±3)°Т, доза закваски 5 %.
↓		↓
Сушка замороженного продукта при (45±5)оС, (22-24) ч, до получения продукта с массовой долей влаги не более 5%		Самопрессование 1 ч, при (20±1) оС
		↓
		Сушка замороженного продукта при (40-45) оС, (22-24) ч, до получения продукта с массовой долей влаги не более 5%
↓		↓
Упаковка, хранение

Рисунок 4 – Технологическая схема производства сухого КСБ, обогащенного железом

Выводы

В результате проведенных исследований выбраны оптимальные технологические режимы выделения сывороточных белков из творожной сыворотки при использовании в качестве коагулянта сульфата железа, а также рациональные режимы ферментации белковой массы (доза закваски - 5%, продолжительность ферментации - 4 ч). Установлено, что В. longum В 379М обладает достаточно высокой протеолитический активностью и расщепляет денатурированные сывороточные белки. Подобраны оптимальные режимы процесса са-мопрессования, обеспечивающие получение продукта с требуемыми показателями. Отмечено, что мягкие режимы сублимационной сушки позволяют получить продукт с высоким количеством жизнеспособных клеток бифидобактерий (10⁹ КОЕ/см³) и длительным сроком хранения.

Предлагаемая технология позволяет получить железосодержащую пищевую белковую добавку, обладающую полифункциональными свойствами и высокой биологической ценностью. КСБ, обогащенный железом, представляет собой комплексный белковый продукт, использование которого позволит восполнить дефицит белка, крайне важного микронутриента железа, а также нормализовать микроэкологию желудочно-кишечного тракта.