Разработка растительной матрицы для адаптации и метаболической активности пробиотических микроорганизмов в технологии ферментированных напитков

Напитки на растительной основе – альтернативы молока – быстрорастущий сегмент в категории специализированных напитков. В настоящее время такие физиологические и этические аспекты, как аллергия на молочный белок, непереносимость лактозы, распространенность гиперхолестеринемии, предпочтение вегетарианской диеты и стремление к экологичному производству, – заставляют потребителей по всему миру выбирать альтернативы коровьему молоку. Растительными источниками для таких видов «немолока» являются бобовые, масличные, злаковые, орехоплодные и другие культуры, которые служат основой для широкого спектра ассортимента напитков – альтернатив молочных продуктов [1, 2].

Согласно данным аналитической компании “Global Market Insights” в 2024 г. рынок альтернативного «молока» оценивался в 29,5 млрд долларов США, эксперты прогнозируют ежегодный прирост более чем на 10 % в течение десяти лет. Объем рынка альтернативных напитков в России составляет 50,9 тыс. т, прогнозируется среднегодовой темп роста потребления напитков на растительной основе около 38 % в год. Лидерами среди компаний, производящих напитки на растительной основе, являются: «Сады Придонья» (“NeMo-loko”), «ЭФКО» (“Hi!”), «Союзпищепром» (“Green Milk”) и «Полома» (“Naala”) [3].

Биохимический состав и физикохимические характеристики пищевой матрицы служат ключевыми детерминантами для установления режимов технологической обработки. Критическое значение имеют такие параметры, как количественное содержание и структурная организация белков, липидов и углеводов, а также уровень антипитательных соединений. Критериями для выбора сырья при производстве растительных напитков выступают: сбалансированность нутриентного профиля, степень усвояемости белков, насыщенность функциональными ингредиентами (витаминами, в-глюканами, ПНЖК), а также технологическая целесообразность его применения [4, 5].

Для решения задач, связанных с увеличением срока хранения, стабильностью эмульсии, питательной полноценностью и сенсорной приемлемостью растительных альтернатив молока, разрабатываются и внедряются передовые «зеленые» технологии, предполагающие применение методов ультразвуковой обработки, гомогенизации под сверхвысоким давлением, обработки импульсным электрическим полем [6, 7].

Перспективные направления включают использование ферментативного гидролиза и микробной ферментации для улучшения функционально-технических свойств и органолептических характеристик растительных напитков [8]. Ферментативные процессы занимают центральное место в технологии производства растительных альтернатив молочных продуктов, определяя их органолептический профиль, повышая биодоступность питательных веществ и усиливая функциональные свойства. Применение специальных штаммов микроорганизмов в сочетании с оптимизацией параметров ферментации позволяет целенаправленно увеличивать концентрацию физиологически активных соединений. Кроме того, ферментация выступает эффективным барьером против микробной контаминации и способствует продлению сроков хранения продукции [9, 10].

Биотехнологические подходы при переработке зернового и масличного сырья демонстрируют высокую эффективность в сниже- нии содержания антипитательных веществ (фитиновой кислоты, ингибиторов протеаз, оксалатов и танинов) и минимизации токсичных компонентов [11]. Подтверждена взаимосвязь между регулярным потреблением ферментированных растительных продуктов и снижением риска развития алиментарнозависимых заболеваний, включая ожирение, сердечно-сосудистые патологии, сахарный диабет 2-го типа, а также профилактикой осложнений при онкологических заболеваниях [12, 13].

Современная практика контролируемой ферментации базируется на применении стандартизированных стартовых культур - штаммов молочнокислых бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов. Индустриальный подход предусматривает селекцию микроорганизмов, адаптированных к конкретным типам растительных матриц, что обеспечивает управляемость, ускорение и стандартизацию технологического процесса. Продуцируемые заквасочными культурами метаболиты формируют уникальные вкусоароматические характеристики ферментированных продуктов растительного происхождения [14, 15]

Соя - традиционный вид сырья для получения заменителей молока; бобы сои богаты белками (до 40 %), липидами (до 20 %), ПНЖК, изофлавонами и растворимыми пищевыми волокнами. Доказано, что продукты на основе соевого белка способны регулировать уровень общего холестерина, липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и триглицеридов в крови. Производство соевого молока было впервые зафиксировано около 2000 лет назад в Китае, в настоящее время в зависимости от концентрации сухих веществ и применяемых пищевых ингредиентов ассортимент соевых альтернатив молока насчитывает более 20 наименований [16, 17].

Семена конопли характеризуются высокой питательной ценностью. содержит около 25 % белка, до 30 % липидов, богаты витамином Е (до 929,67 мг/кг) и витамином А (до 78,0 мг/кг), что усиливает их антиоксидантный потенциал. Количество и соотношение омега-6 и омега-3 ПНЖК в семенах конопли соответствует идеальному балансу для организма человека [18]. В дополнение к преимуществам данных видов растительного сырья доказано, что суспензия на основе соевых бобов и семян конопли является сбалансированным субстратом для роста и метаболической активности пробиотических микроорганизмов [19].

Целью данного исследования являлось обоснование применения растительной матрицы напитков на основе семян конопли и соевых бобов в качестве субстрата для адаптации и метаболической активности пробиотических штаммов микроорганизмов.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на базе научно-исследовательской лаборатории ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)». Объектами исследования являлись суспензия на основе бобов сои и семян конопли и получаемые на ее основе растительные напитки.

Для приготовления растительной основы промывали и замачивали бобы / семена на 12 часов при температуре 32 °С, затем смешивали измельченное сырье с бутилированной водой в соотношении 1:5 (по массе); гомогенизировали при нагревании до 50 °С в течение 60-90 минут. После центрифугирования вносили закваску в полученную суспензию.

В полученную растительную матрицу интегрировали пробиотические ферментирующие агенты; было произведено 6 экспериментальных образцов для дальнейшего исследования. Для ферментации растительной основы использовали два вида пробиотической закваски в рекомендуемых производителем концентрациях: комплексная закваска «Бифидо-плюс» ( S. salivarius ssp. thermophilus B. adolesсentis, B. bidum, B.breve, B. longum B. animalis ssp. lactis. ) - 1 г/л, монокультура -Lactobacillus acidophilus - 0,1 г/л (ООО «Бак-Здрав», Москва).

Ферментацию растительных напитков проводили в течение 16 часов при рекомендуемых производителем температурных режимах (T = 36-38 °С). Для анализа кинетики и интенсивности биохимических и метаболических процессов исследовали активную кислотность (уровень рН) через 4; 8; 12 и 16 часов ферментации.

По окончанию процесса ферментации исследовали индикаторы:

• -    содержание сухого вещества, %;

• -    концентрация молочной кислоты, г/100 мл;

• -    динамическая вязкость, mPa-s;

• -    содержание полифенолов, мг экв. галловой кислоты.

Все показатели исследовали по общепринятым методикам.

Результаты исследования и обсуждение

Накопление кислотности в процессе ферментации биологической системы влияет на ингибирование патогенной микрофлоры, воздействует на срок годности и способствует формированию вкусоароматического профиля ферментированных напитков.

В период ферментации в образцах, содержащих закваску, наблюдалось активное снижение уровня pH вследствие гидролиза крахмалистых полисахаридов, образования доступных сахаров и накопления первичных продуктов метаболизма бактерий - органических кислот.

В напитках на основе семян конопли уровень pH снижался более выраженно в период с 4 до 12 часов с 5,46 до 4,67, достигая на конечной точке значения 4,43. В напитках на основе соевой суспензии уровень pH активно снижался в более поздний период ферментации с 8 до 16 часов (с 5,28 до 4,55). Было установлено, что Lactobacillus acidophilus наиболее интенсивно накапливали кислотность как в матрице на основе соевых бобов, так и семян конопли (рис. 1).

При мониторинге биохимических индикаторов наблюдали значительное накопление молочной кислоты в напитках в период ферментации - содержание лактата возрастало в 5,0-9,5 раз по сравнению с неферментированными образцами. Более того, ацидофильные бактерии продуцировали органические кислоты наиболее интенсивно в процессе метаболизма, а соевая основа являлась более благоприятным субстратом для развития обеих типов заквасок.

Такие показатели, как вязкость напитка, содержание сухого вещества и количество белка положительно коррелировали, соответственно, в напитках на основе соевых бобов при их ферментации комплексной закваской бифидобактерий установлены наиболее высокие значения данных индикаторов. Эти результаты обусловлены более высокой концентрацией гидрофильных полисахаридов в напитках на основе соевой суспензии, способных структурировать водную основу, создавая доступную питательную основу для адаптации микроорганизмов. Кроме того, вследствие высокого уровня адаптации бифидобактерий, более активного метаболизма микроорганизмы эффективно продуцируют ферменты, белковые

Рис. 1. Динамика активной кислотности ферментированных напитков

компоненты, экзополисахариды, что и повиляло на улучшение структуры и нутритивного профиля напитков (см. таблицу; рис. 2).

Семена конопли и соевые бобы богаты биологически активными соединениями, такими как полифенолы, к которым относят и флавоноиды сои – изофлавоны. В нашем эксперименте наибольшая концентрация поли-фенольных соединений была обнаружена в напитках на основе сои, ферментированных бифидобактериями. Кроме того, общая концентрация полифенолов в данных образцах увеличилась на 43,6 % по сравнению с контролем. Для напитков на основе семян конопли более интенсивное высвобождение полифенолов установлено при ферментации Lactobacillus аcidophilus – на 32,7 % выше по сравнению с контрольным неферментированным напитком (рис. 3).

Положительное влияние микробной фер-

Биохимические индикаторы ферментированных напитков

Индикаторы	Вид закваски /результаты исследования
	без ферментации	«Бифидо-плюс»	L. аcidophilus
Напитки на основе семян конопли
Концентрация молочной кислоты, г/100 ml	0,18 ± 0,03	0,99 ± 0,05	1,17 ± 0,06
Динамическая вязкость, mPa·s	1,29 ± 0,05	5,97 ± 0,06	3,79 ± 0,15
Содержание сухого вещества, %	4,67 ± 0,28	6,15 ± 0, 67	5,31 ± 0,25
Содержание белка, г/100 г	1,67 ± 0,12	2,25 ± 0,15	2,07 ± 0,14
Напитки на основе сои
Концентрация молочной кислоты, г/100 ml	0,37 ± 0,02	1,84 ± 0,06	1,96 ± 0,07
Динамическая вязкость, mPa·s	4,42 ± 0,25	13,22 ± 0,70	10,42 ± 0,55
Содержание сухого вещества, %	5,70 ± 0,48	7,55 ± 0,59	6,65 ± 0,,067
Содержание белка, г/100 г	2,67 ± 0,21	3,87 ± 0,35	3,07 ± 0,34

Lactobac. acidophilus

Напитки на основе семян конопли

Напитки на основе сои

Рис. 2. Морфология Lactobac. аcidophilus в образцах ферментированных напитков при увеличении x100

■ Напитки на основе семян конопли

■ Напитки на основе сои

Рис. 3. Содержание общих полифенольных соединений в растительных альтернативах молока

ментации на содержание полифенолов и флавоноидов описано в многочисленных исследованиях. Стартовые культуры повышают растворимость и экстрагируемость полифе-нольных соединений, способствуют их высвобождению из гликозилированных белковых комплексов, биосинтезируют ряд полифенолов [20, 21].

Заключение

Заменители молочных продуктов на растительной основе, ферментированные пробиотическими штаммами микроорганизмов, являются перспективным направлением в пищевой индустрии. Технологии, основанные на биотехнологических методах обработки, открывают новые возможности для создания продуктов с оптимальным нутриентным профилем и улучшенными потребительскими свойствами.

Растительная матрица напитков на основе соевых бобов и семян конопли является благоприятным и сбалансированным субстратом для адаптации бифидобактерий и ацидофильных бактерий. Ферменты данных микроорганизмов активно проявляют метаболическую активность на растительном субстрате, накапливая органические кислоты, белковые компоненты, ферменты, а также способствуют повышению биодоступности нативных компонентов семян и бобов, улучшают органолептический профиль и структуру ферментированных продуктов.