Разработка технологии пробиотического белкового десерта, обогащенного коллагеном и кальцием

Миллионам женщин старше 40 лет грозит перелом из-за хрупкости костей вследствие вымывания кальция. В России среди лиц в возрасте 50 лет и старше остеопороз выявляется у 34% женщин и 27% мужчин, а частота остеопении составляет 43 и 44% соответственно. Частота остеопороза увеличивается с возрастом [1, 2]. В целом остеопорозом страдают около 14 млн. человек и еще 20 млн. людей имеют снижение минеральной плотности костей, соответствующее остеопении. Аналогичные показатели распространенности остеопороза у женщин отмечены среди белого населения Северной Америки и ряда стран Западной Европы [3]. Социальная значимость остеопороза определяется его последствиями – переломами тел позвонков и костей периферического скелета, приводя к большим материальным затратам в области здравоохранения и обусловливая высокий уровень нетрудоспособности, включая инвалидность, и смертность [4].

Основные причины хрупкости костей – вымывание кальция и утрата коллагена. Улучшение биосинтеза коллагена – необходимое условие для восстановления структуры кости при срастании переломов и нарушениях целостности кости [2].

Коллаген представляет собой один из наиболее распространенных и уникальных по своим свойствам белков. Он является своеобразным «клеящим составом», который удерживает все тело целым, скрепляя мышечные группы и ткани, органы. Являясь неотъемлемой частью сухожилий, связок, суставов и костей, он обеспечивает подвижность, но не дает «развалиться» этим движущимся частям [5]. Коллаген определяет прочность и эластичность костной ткани, непосредственно участвует в процессах минерализации. Коллаген имеет специфический аминокислотный состав: большое количество глицина, оксипролин и оксилизин (которые встречаются только в коллагене), низкое содержание тирозина, гистидина, метионина и отсутствие цистеина и триптофана [6].

Процесс биосинтеза коллагена невозможен при недостаточном потреблении кальция. Из фундаментальных и клинических исследований известно, что повышение уровней внеклеточного кальция стимулирует синтез/секрецию коллагенов. Нормализация биосинтеза коллагена способствует лучшему удержанию кальция в костной ткани и, следовательно, повышению минеральной плотности кости [2]. Основная цель любых профилактических и терапевтических мер при остеоартрите - воспрепятствование началу старческого разрушения хрящевой ткани суставов или, если разрушение уже началось, защита ее от последующих повреждений. Чтобы это произошло, необходимо принимать продукты и препараты, которые содержат коллаген и легкоусвояемый кальций [7].

В связи с этим изучена возможность получения белково-желейного десерта, обогащенного коллагеном и легкоусвояемым кальцием.

В качестве источника коллагена в разрабатываемом продукте был выбран желатин. Желатин представляет собой смесь белков и пептидов, полученных путем частичного гидролиза коллагена, который находится в коже, костях и хрящах животных и рыб. Желатин состоит из 85-90 % протеина и 2 % минеральных солей и воды. Желатин – это компонент пищи, способствующий защите хрящевой ткани сустава от остеоартрита. Для этой цели состав желатина – абсолютно идеальный, так как он похож на хрящевую ткань сустава [7].

В качестве источника легкоусвояемого кальция использовался кальцийсодержащий молочно-белковый концентрат, полученный по ранее разработанной технологии [8]. Молочнобелковый концентрат получали методом термокальцевой коагуляции с последующей ферментацией белков лактобактериями вида Lactobacillus helveticus . Выбор Lactobacillus helveticus в качестве культур для ферментации белкового концентрата обусловлен высокой протеолитической активностью микроорганизмов. Lactobacillus helveticus продуцируют ферменты, способные разрушать белки молока до биологически активных пептидов, среди которых встречаются и казеиновые фосфопептиды (КФП) [9-11]. Необходимо отметить, что исключительная биодоступность кальция из молока и молочных продуктов обусловлена наличием именно

КФП, которые образуются в желудочно-кишечном тракте при переваривании казеина и обеспечивают высокую растворимость Са. КФП накапливаются в дистальном отделе тонкой кишки, где образуют комплексы с кальцием, которые повышают независимое от витамина D пассивное всасывание Са в кишечнике [11].

Среди обширного ассортимента продуктов питания белково-желейные десерты, обогащенные коллагеном и кальцием, помимо лечебно-профилактических свойств обладают рядом преимуществ (студнеобразная консистенция, пониженная энергетическая ценность, стабильность потребительских характеристик), позволяющих рекомендовать их в качестве основных продуктов для профилактики остеопороза.

Цель данной работы – разработать технологию специализированного пробиотического белкового десерта для профилактики остеопороза, обогащенного коллагеном и кальцием.

Материалы и методы

Объектами исследований являлись белковые десерты, обогащенные коллагеном и кальцием (их рецептурные модели). В качестве основного сырья использовались кальцийсодержащий молочно-белковый концентрат (МБК-Са) и желатин; в качестве компонентов, регулирующих водно-углеводный состав многокомпонентного продукта, были выбраны вода, сахар, лимонная кислота и ванилин.

МБК получали методом термокальцевой коагуляции обезжиренного коровьего молока, с последующей ферментацией белков лактобактериями вида Lactobacillus helveticus Н 17-18 . Коагулянт в молоко вносили в виде 20%-ного раствора СаCl 2 в количестве 1,5 г/л при температуре 95 ° С. Ферментацию белкового сгустка проводили при следующих режимах: доза закваски лактобактерий - 5%, температура - (40±2) ° С, продолжительность - 4 ч до достижения кислотности (100±2) °Т. Содержание кальция в ферментированном МБК составляет 265 мг/100 г, количество жизнеспособных клеток Lactobacillus helveticus Н 17-18 - 1·10⁸ КОЕ/см³ [8].

Органолептические и физико-химические показатели десерта определяли стандартными методами: органолептические показатели - по ГОСТ Р ИСО 22935-2-2011 и ГОСТ 8756.1-79; массовую долю влаги - методом высушивания навески в сушильном шкафу по ГОСТ 2924691; массовую долю белка в белковом десерте определяли по ГОСТ 306482-99; активную кислотность определяли потенциометрическим методом по ГОСТ 32892-2014; массовую долю кальция - объемным методом с использованием оксалата аммония на атомно-абсорбционном спектрофотометре Solar M-6 с пламенным атомизатором.

Микробиологические показатели определяли в соответствии с нормативной базой: количество клеток лактобактерий - методом предельных разведений на плотной агаризованной среде MRS по ТУ 10-10-02-789-192-95.

Все опыты проводили в 3-5-кратной повторности. Полученные данные обработаны с использованием пакета статистических программ Excel при помощи критерия Манна-Уитни. Обсуждаются статистически достоверные различия при р< 0,05.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе исследований при проектировании рецептур пробиотического белкового десерта, обогащенного коллагеном и кальцием, были сформулированы основные требования к органолептическим и физико-химическим показателям: содержание влаги в готовом продукте - 30-40%, белка - не менее 7%, содержание кальция - не менее 200 мг/100 г и количество жизнеспособных клеток лактобактерий - не менее 106 КОЕ/см3. Конструирование рецептуры белкового десерта проводили на основе кальцийсодержащего молочно-белкового концентрата с добавлением желатина, сахара, лимонной кислоты и ванилина. Изготовление опытных образцов начиналось с приготовления желатино-сахарного раствора, его уваривания и добавления к растертой массе молочно-белкового концентрата. Введение лимонной кислоты и ванилина осуществлялось на стадии темперирования желатино-белковой массы. Смешивание компонентов и темперирование проводили при температуре, не превышающей (45-50) °С для максимального сохранения в продукте пробиотических микроорганизмов (Lactobacillus helveticus Н17-18), вносимых с МБК-Са. Корректировку массовой доли сухих веществ проводили за счет использования разного количества молочно-белкового концентрата и желатина до достижения содержания сухих веществ 60-70%. Характеристика рецептур белковых десертов (в кг на 1000 кг без учета потерь) представлена в таблице 1.

Таблица 1 Рецептура белкового десерта, обогащенного коллагеном и кальцием

Наименование сырья и материалов (кг)	Рецептура 1	Рецептура 2	Рецептура 3
Молочно-белковый концентрат, обогащенный Са (МБК-Са)	216,4	415,6	601,7
Желатин	26,0	26,0	26,0
Вода	632,1	432,9	246,8
Сахар	121,2
Лимонная кислота	2,6
Ванилин	1,7
Итого	1000	1000	1000

На втором этапе исследований полученные образцы оценивали по органолептическим и физико-химическим показателям. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2

Органолептические и физико-химические показатели белкового десерта, приготовленного по разным рецептурам

Наименование сырья и материалов (кг)	Рецептура 1	Рецептура 2	Рецептура 3
Вкус и запах	чистый кисломолочный, сладковатый с ванильным привкусом
Цвет	белый неоднородный	белый, однородный
Консистенция	слабая, легко рассыпающаяся масса с желатиновыми комочками	однородная плотная, упругая, студнеобразная масса	неоднородная, упругая, твердая, студнеобразная масса
Массовая доля влаги, %	39±1	32±1	30±2
Активная кислотность, рН	5,9±0,3	5,4±0,6	4,9±0,2
Массовая доля белка, %	6,2±0,4	9,1±0,2	12,7±0,1
Массовая доля кальция мг/100 г	79,8±0,7	138,6±0,1	182,3±0,3

Анализ данных таблицы 2 показал, что белковый десерт, приготовленный по рецептуре 2, обладает наиболее высокими органолептическими свойствами. Уменьшение содержания МБК-Са в продукте при увеличении содержания воды (рецептура 1) приводит к ухудшению консистенции (ее разбавлению), что существенно влияет на студнеобразование массы. Увеличение содержания МБК-Са при уменьшении воды (рецептура 3) приводит к излишнему загустеванию консистенции. Отмечено, что с увеличением в продукте массовой доли МБК-Са (рецептуры 1 и 2) происходит повышение содержания белка (до 9-12%) и кальция (до 138182 мг/100 г).

Таким образом, по результатам проведенных исследований можно утверждать, что наилучшими органолептическими и физико-химическими показателями обладает творожно-коллагеновый десерт, приготовленный по рецептуре 2.

При производстве новых видов продуктов функционального назначения актуальной является задача обеспечения стабильности их качественных показателей в процессе хранения, что позволит гарантировать содержание биологически активных веществ в продукте на заявленном уровне, а также поддерживать высокие органолептические характеристики в течение всего срока годности. При хранении желированных, сахаросодержащих изделий протекают два основных процесса: высыхание корпусов и кристаллизация сахарозы, однако характер их течения недостаточно изучен и зависит от рецептурного состава, технологии производства, способов упаковки и условий хранения, поэтому при разработке новых рецептур необходимо проводить комплексные исследования изменения качественных характеристик продуктов в процессе хранения [12].

На рисунке представлены данные по изменению массовой доли влаги в белковых десертах, приготовленных по разным рецептурам, в процессе хранения.

Время хранения, сут

Рисунок ‒ Характер изменения содержания влаги в белковых десертах в процессе хранения, приготовленных: 1 ‒ по рецептуре 1; 2 ‒ по рецептуре 2; 3 ‒ по рецептуре 3

Анализ органолептических свойств пробиотических белковых десертов, обогащенных коллагеном и кальцием, показал, что в процессе хранения без изменения остается только цвет исследуемых образцов. Легкая горечь во вкусе появляется на 16 и 24-й день хранения в образцах, изготовленных по рецептурам 2, 3. В конце процесса хранения консистенция исследуемых образов уплотняется, верхний слой затвердевает и внутри массы ощущаются кристаллы сахара. Возможно, это объясняется тем, что в обезвоженном наружном слое изделий концентрируется большое количество молекул сахарозы, способных ассоциироваться в центры кристаллизации, которые затем вырастают до видимых кристаллов, в результате чего на поверхности образцов образуется кристаллическая корочка. Момент образования корочки и ее толщина оказывают существенное влияние на скорость испарения влаги. Процессы высыхания поверхностного слоя и кристаллизация сахарозы интенсифицируются с повышением температуры и снижением относительной влажности воздуха, при этом размер кристаллов сахарозы, а следовательно и толщина корочки увеличиваются [12]. Можно предположить, что именно образованием корочки объясняется замедление процесса потери влаги в течение последних 10 сут хранения.

В процессе хранения продуктов производили учет содержания жизнеспособных клеток Lactobacillus helveticus Н 17-1 8 . В ходе проведенного эксперимента было замечено, что в образце, приготовленном по рецептуре 2, количество жизнеспособных клеток Lactobacillus hel-veticus Н 17-1 8 в течение всего процесса хранения практически не изменялось и соответствовало значениям свежевыработанного продукта (10⁷ КОЕ/см³). В других образцах наблюдалось незначительное снижение жизнеспособных клеток лактобактерий (до 10⁶ КОЕ/см³) в конце хранения (на 25-е сут).

Таким образом, совокупность полученных результатов подтверждает целесообразность производства пробиотического белкового десерта, обогащенного коллагеном и кальцием, по рецептуре 2. Полученные образцы характеризуются стабильными качественными показателями в течение 18 дней хранения без существенных изменений структурно-механических, органолептических и микробиологических свойств.

В рамках исследования была разработана технология производства пробиотического белкового десерта, обогащенного коллагеном и кальцием. С учетом результатов предыдущих этапов для производства белкового десерта была выбрана рецептура 2. Технологический процесс предусматривает приготовление желатиново-сахарного сиропа, его уваривание и подготовку рецептурных компонентов. Кальцийсодержащий молочно-белковый концентрат измельчали и вносили в смесь вместе с лимонной кислотой и ванилином на стадии темперирования при температуре (45-50) ° С. Далее осуществлялось формование и охлаждение полученного продукта. Технология может быть реализована с применением действующего оборудования на молочном или кондитерском производстве.

Качественная характеристика пробиотического белкового десерта, обогащенного коллагеном и кальцием, представлена в таблице 3.

Таблица 3 Качественные показатели пробиотического белкового десерта, обогащенного коллагеном и кальцием

Показатели		Характеристики
Внешний вид		однородная, плотная, упругая, студнеобразная масса
Вкус и запах		чистый кисломолочный, сладкий, с ванильным привкусом
Цвет		белый однородный
Содержание кальция мг/100 г		138,6±0,1
Массовая доля молочного белка, не менее %		9±1
Массовая доля влаги, %		30-32
Активная кислотность, рН		4-4,5
Кол-во клеток L. helveticus Н 17-18 , КОЕ/см3		(3-5)∙107
§ 8 g с ю Ч m Ч ° 1 ”	БГКП (колиформы)	0,01
	патогенные (сальмонеллы)	25
	стафилококки S. aureus	0,1
	листерии L. monocytogenes
Дрожжи (Д), плесени (П), КОЕ/см3 (г), не более		Д-100 П-50

Данные таблицы 3 показывают, что разработанный белковый десерт обладает хорошими органолептическими показателями, содержит достаточно большое количество кальция в органической биодоступной форме, легкоусвояемый и безопасный коллаген и значительное количество жизнеспособных клеток лактобактерий.

Прием 200 г десерта, содержащего 276 мг легкоусвояемого кальция, позволит удовлетворить потребность в макроэлементе на 27-28% от суточной нормы взрослого человека.

Белковый десерт характеризуется высоким содержанием белка (9-10%) и количеством жизнеспособных клеток лактобактерий порядка (107 КОЕ/см3). Отсутствие бактерий группы кишечной палочки, дрожжей и плесени в разработанном продукте свидетельствует о соблюдении необходимых санитарно-гигиенических условий.

Уникальные свойства предлагаемых десертов заключаются в том, что в продуктах реализованы два необходимых условия для лечебных и профилактических препаратов при остеопорозе и сопутствующих заболеваниях – это совместное присутствие легкоусвояемого кальция и коллагена. Высокое содержание белка и большое количество жизнеспособных клеток лактобактерий в продуктах придают им дополнительные функциональные свойства.

Заключение

В результате проведенных исследований разработан пробиотический белковый десерт для профилактики остеопороза, обогащенный коллагеном и кальцием. Научно обоснована и подобрана рецептура продукта, позволяющая получить продукт с наилучшими органолептическими, физико-химическими и микробиологическими показателями. Разработана технология пробиотического белкового десерта, адаптированная к фактическим условиям предприятий по производству молочной продукции. Продукт может применяться в качестве основного или дополнительного источника коллагена и кальция для лечения или профилактики остеопороза и сопутствующих заболеваний.