Практические аспекты применимости метода динамического светорассеяния для оценки растворимости гидролизата сывороточных белков

Доктрина продовольственной безопасности РФ до 2030 года предусматривает обеспечение населения качественной и безопасной пищевой продукцией для активного и здорового образа жизни [1]. При этом ресурсосбережение, соблюдение экологической безопасности, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды в настоящее время являются приоритетными направлениями в рамках реализации курса на устойчивое развитие государства [2]. Основной задачей предприятий пищевой промыш- ленности в РФ является снижение негативного влияния своей хозяйственной деятельности на окружающую среду путем внедрения наилучших доступных технологий, которые применительно к молочной отрасли ориентированы на переработку вторичного сырьевого ресурса – молочной сыворотки, объемы которой ежегодно растут [3]. В России общий объем сыворотки в 2020 году составил около 10 млн. т [4], в пересчете на абсолютные сухие вещества это несколько десятков тонн.

Наличие широкого спектра функциональных ингредиентов в составе молочной сыво- ротки позволяет рекомендовать ее в качестве сырьевого источника при производстве пищевых продуктов различных ассортиментных групп, в том числе диетического, лечебнопрофилактического и спортивного питания [5–8]. При этом для расширения сфер ее применения целесообразно снижать аллергенность сывороточных белков, в том числе посредством протеолиза [9]. Перспективным направлением переработки молочной сыворотки также является ее фракционирование и сушка, позволяющая получать продукты с длительным сроком хранения и высокой пищевой и биологической ценностью [10–12].

Поскольку технологические режимы сушки определяют форму и размер высушенных частиц, а тепловая обработка смеси до сушки оказывает влияние на способность сухого продукта к восстановлению, целью работы стало изучение полноты и кинетики растворения гидролизата сывороточных белков, выработанного в условиях филиала ПАО МК «Воронежский» «Калачеевский сырзавод».

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:

– изучить влияние температурных режимов обработки исходного сырья, УФ-концентрата подсырной сыворотки и гидролизата сывороточных белков на способность к регидратации высушенного продукта;

– установить гранулометрический состав сухого гидролизата сывороточных белков и на основе полученных данных спрогнозировать полноту его растворения при восстановлении.

Объекты и методы исследований

Объектами исследований были подсырная сыворотка, полученная при производстве сыра «Российский» на ПАО МК «Воронежский» («Калачеевский сырзавод», г. Калач Воронежской области); ее ультрафильтрационный концентрат, выработанный на установке MMS Swissflow UF (производитель – Swissflow, Нидерланды) с керамическими мембранами с фактором концентрирования по белку 3,7–3,9; гидролизат сывороточных белков, произведенный с применением ферментных препаратов Promod 439L и Flavorpro 766MDP при их соотношении (1,5–1,7) % и (3,0–3,5) % от массы общего белка в УФ-концентрате соответственно, который сушили на распылительной сушилке VRD-5, (производитель – Vzduchotorg, Словакия, (Калачеев- ский сыродельный завод, филиал ПАО МК «Воронежский»).

Экспериментальные исследования были проведены на кафедре технологии продуктов животного происхождения, в центре коллективного пользования «Контроль и управление энергоэффективных проектов» ФГБОУ ВО ВГУИТ; в лаборатории технохимического контроля ФГАНУ «Всероссийский научноисследовательский институт молочной промышленности» (г. Москва).

Методы исследований – стандартные арбитражные и общепринятые в исследовательской практике, выполненные с применением современных приборов и информационных технологий для оценки свойств и химического состава сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов.

Определение степени денатурации. Индекс азота сывороточного белка (WPNI), характеризующего содержание неденатуриро-ванных сывороточных белков в пробе, определяли, применяя нефелометрический метод, который основан на извлечении денатурированных сывороточных белков из системы методом осаждения насыщенным раствором хлористого натрия. Оптическую плотность пробы определяли на спектрофотометре ПЭ-5400 УФ (производитель – ЭКРОСХИМ, Россия) при 420 нм и сравнивали со стандартной кривой, которая была получена в результате анализа образцов с известным значением азота сывороточного белка.

Анализ гранулометрического состава высушенного гидролизата сывороточных белков проводили с применением лазерного дифракционного анализатора размера частиц LS 13 320 XR (производитель – Beckman Coulter, США) методом динамического светорассеяния. Преимуществом этого прибора является возможность установления размера частиц в наноэмульсиях и наносуспензиях. Эксперименты проводили с использованием сухого модуля и модуля с непрерывной многократной рециркуляцией анализируемого образца, что позволило изучить кинетику его восстановления [13].

Измерения величин осуществляли 5–10 раз в трехкратной последовательности. Расчеты, построение графиков и их описание проводили методами математической статистики с помощью приложений Microsoft Office 16 для Windows 10, Компас График 3D V16. Графические интерпретации и обработку дан- ных осуществляли посредством пакета прикладных программ «MathCad 16.0».

Результаты и их обсуждение

Высушенный гидролизат сывороточных белков получали по технологической схеме, представленной на рис. 1. С целью определения оптимальных режимов пастеризации подсырной сыворотки изучена зависимость показателя индекса азота сывороточных белков

(WNPI) от температуры (см. таблицу). Установлено, что минимальное воздействие на нативную структуру сывороточных белков подсырной сыворотки оказывает температура до 75–76 °С.

Для гидролиза белков стадия связывания фермента с субстратом является определяющей. В случае глобулярных белков большинство пептидных связей расположено внутри

Рис. 1. Технологическая схема получения высушенного гидролизата сывороточных белков

Степень денатурации сывороточных белков в зависимости от температуры тепловой обработки подсырной сыворотки

Температура, °С 72 75 78 81 84 87 90 93 96 WPNI, ед. 0,98 0,91 0,76 0,71 0,62 0,58 0,53 0,49 0,44 молекулы и недоступно для образования фер-мент-субстратного комплекса. Согласно постулату Линдстрома-Ланга для расщепления необходима обратимая денатурация белка, которая повышает эффективность гидролитической атаки [14]. В растворе свернутая и денатурированная формы находятся в равновесии. Однако развернутые молекулы доступны для расщепления протеолитическими ферментами. Поэтому для пастеризации подсырной сыворотки, предназначающейся для получения УФ-концентрата с последующим гидролизом белков в нем, необходимо применять высокотемпературную обработку.

По результатам проведенных исследований рекомендованы следующие режимы пастеризации подсырной сыворотки и гидролизата сывороточных белков:

• –    t = (80 ± 2) °С, τ = 15 c при проведении последующего протеолиза в УФ-концентрате;

• –    t = (76 ± 2) °С, τ = 15 c перед непосредственной сушкой гидролизата сывороточных белков.

Первоначально способность к восстанов- лению полученного сухого продукта оценивали по его гранулометрическому составу (рис. 2) [15]. Для образца гидролизата сывороточных белков основной размер частиц составил 56,13 мкм, для УФ-концентрата – 190,5 мкм. Следовательно, можно предположить, что протеолиз позволил снизить способность белковых частиц сорбировать воздух при сушке и формировать более крупные частицы, стабилизированные избыточными пузырьками воздуха [16].

Это оказывает существенное влияние на продолжительность регидратации сухого продукта (рис. 3) [17]. Поскольку размеры пузырьков воздуха значительно превышают диаметр растворяемых частиц, на кривых распределения воздух находится в диапазоне более 500 нм. По результатам исследований установлено, что гидролизат сывороточных белков подвергался более полной регидратации и с более высокой скоростью в сравнении с УФ-концентратом подсырной сыворотки. Это обусловлено изменением заряда белков и пептидов в процессе протеолиза, благодаря

90,000 и более и 50,000 - 89,999 г s 10,000 - 49,999

8     4,300 - 9,999

3,300 - 4,299

3,200 - 3,299

2,100 - 3,199

2,000 - 2,099

0 - 1,999

0        5        10       15       20       25       30       35

% от общего содержания частиц и УФ-концентрат подсырной сыворотки □ Гидролизат сывороточных белков

Рис. 2. Распределение высушенных частиц по размерам

Размер частиц, мкм

- е - Гидролизат сывороточных белков

—A  УФ-концентрат подсырной сыворотки

Рис. 3. Кривые распределения частиц образцов по размерам чему увеличилась растворимость азотсодержащих компонентов, а также снизилось количество сорбированного белками воздуха и требовалось меньше времени для разрушения подобных агломератов при восстановлении.

Таким образом, гидролизат сывороточных белков характеризуется лучшими ин-стантными свойствами в сравнении с УФ-концентратом подсырной сыворотки и может быть рекомендован к применению в технологии продуктов для спортивного питания в качестве источника незаменимых аминокислот и биологически активных пептидов.

Работа выполнялась в рамках гранта Президента РФ на 2020–2021 гг. для молодых ученых – кандидатов наук, соглашение № 075-152020-322 (МК-1267.2020.11).