Технологические аспекты получения ферментированных напитков антиоксидантной направленности на основе зернового сырья

Рынок напитков – заменителей молока интенсивно развивается, совершенствуются новые технологии, применяются новые виды сырьевых компонентов [1, 2]. Для получения продуктов питания с функциональными свойствами перспективно применение зернового сырья. Зерновые культуры обладают уникальным сочетанием нутриентов, содержат биологически активные вещества, которые обладают доказанными физиологическими эффектами, – иммуномодулирующими, антиоксидантными, профилактическими свойствами в отношении ряда заболеваний [3, 4].

Растительные заменители молока – это полидисперсные системы, стабилизаторами которых являются коллоидные формы белков и полисахаридов. Устойчивость систем обеспечивается степенью дисперсности растворимых компонентов, функциональными свойствами белков. Актуальным является применение современных принципов стабилизации многокомпонентных пищевых систем растительных напитков, в том числе на основе биотехнологических подходов [5, 6].

Ферментация растительной основы заменителей молока пробиотическими культурами микроорганизмов позволяет модифицировать структуру макромолекул пищевой системы, повышать их биодоступность, физиологическую ценность, изменять потребительские свойства продукта. Научно обосновано протекторное действие ферментированных растительных продуктов в отношении патологий печени, пищеварительного тракта, дисбактериоза, гипергликемии и ожирения; доказаны их иммуностимулирующие, противовоспалительные и пробиотические свойства [3, 7–10].

Целью научно-исследовательской работы являлась разработка технологических аспектов получения ферментированных напитков антиоксидантной направленности на основе зернового сырья.

Материалы и методы исследования

Материалом для исследований служили зерна ячменя голозерного сорта «Нургуш», выращенные в условиях Уральского региона, урожай 2021 года.

На основе зернового сырья была получена растительная основа методом мокрого измельчения.

Для микробной ферментации растительных напитков использовали пробиотические закваски, выпускаемые ООО «Пропионикс» (г. Москва):

– «Пропионикс» – концентрированная микробная масса штамма Propionibacterium freudenreichiisubsp. shermanii КМ 186 с активностью 10¹⁰–10¹¹ КОЕ/см³;

– бактериальный концентрат Bifidobacte- rium longum B 379M с активностью 1011– 1012 КОЕ/см3.

Бактериальный концентрат вносили в объеме 2 % от общего объема растительного напитка.

Объектами исследований являлись образцы растительных напитков на основе зернового сырья. Всего в зависимости от вида зернового сырья и применяемого штамма микроорганизмов было изготовлено 4 образца напитков (по 5 повторов для каждого образца) (табл. 1).

В полученных образцах были определены показатели, характеризующие интенсивность процессов, протекающих при ферментации растительных напитков: активная кислотность (уровень рН); динамическая вязкость, уровень антиоксидантной активности и содержание полифенольных компонентов; содержание сухих веществ и белковых компонентов.

Активную кислотность образцов определяли методом погружения портативного рН метра в систему напитка, измерение проводили в течение 2 мин. Исследовали динамику уровня рН каждые 2 часа в процессе сквашивания напитков. Степень накопления молочной кислоты в образцах определяли титриметрическим методом и последующим перерасчетом на концентрацию молочной кислоты (г%).

Динамическую вязкость образцов растительных напитков определяли с использованием вибрационного анализатора вязкости SV AND камертонного типа. Измерение проводилось в течение 60,0 с – при различных

Таблица 1

Компонентный состав образцов напитков

Наименование растительной основы и бактериального концентрата образца	Количество растительной основы, %	Количество концентрата Bifidobacterium longum , %	Количество концентрата Propionibacterium freudenreichii, %
Ячмень (контроль)1	100	–	–
Ячмень Bif2	100	2	–
Ячмень Pr3	100	–	2
Ячмень Bif+Pr4	100	1	1

1 Напиток на основе зерна ячменя, без ферментации.

² Напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Bifidobacterium longum.

³ Напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Propionibacterium freudenreichii

⁴ Напиток на основе зерна ячменя, ферментированный комбинацией Bifidobacterium longum и Propionibacterium freudenreichii.

температурных диапазонах: (22,0 ± 2,0) °С и (4,0 ± 2,0) °С.

Общую антиоксидантную активность определяли методом DPPH (%). Экстракт напитка смешивали с раствором DPPH (раствор 2,2-дифенил-1-пикрилгидразил), инкубировали в темноте в течение 30 мин. Оптическую плотность измеряли спектрофотометрически при 515 нм [11, 12].

Общее количество полифенольных соединений определяли в этанольном экстракте напитка с использованием реактива Фолина-Чокальтеу. Оптическую плотность устанавливали при 700 нм с использованием спектрофотометра Jenway. В качестве стандарта использовали галловую кислоту, результаты выражали в мг-эквивалентах галловой кислоты (мг GAE/г) [13].

Концентрацию сухих веществ в системе ферментированных напитков определяли с использованием рефрактометра лабораторного. Массовую долю белка определяли микрометодом Кьельдаля, предварительно сжигая заданный объем напитка концентрированной кислотой и последующим обесцвечиванием перекисью водорода, затем определяли оптическую плотность полученного раствора на фотоколориметре.

Результаты исследований и обсуждение

С учетом цели, поставленной при выполнении научно-исследовательской работы, была разработана аппаратурно-технологическая схема получения ферментированных напитков на основе зерна ячменя с обоснованными параметрами отдельных производственных этапов (рис. 1).

Технологические процессы получения растительной основы на основе зерновых культур подробно описаны в предыдущих исследованиях [14]. Ферментация растительного молока проводилась после предварительной тепловой обработки при следующих режимах: температура (38 ± 2) °С, продолжительность 8-10 часов до достижения активной кислотности не менее 4,6. Полученные ферментированные продукты охлаждали до t (4 ± 2) °С и хранили в течение 48 часов до проведения исследований.

В период ферментации растительной основы протекает комплекс биохимических, микробиологических, коллоидных процессов, уровень интенсивности которых значительно влияет на потребительские свойства конечного продукта. Накопление кислотности в про- цессе ферментации микроорганизмами - это значимый технологический фактор, который влияет на ингибирование размножения санитарно-показательной микрофлоры в пищевой системе; пролонгирует сроки хранения, позволяет сформировать характерный вкусоароматический профиль напитков [15, 16].

В исследуемых образцах напитков в период сквашивания наблюдали постепенный сдвиг уровня рН в кислую сторону. Наиболее интенсивно активная кислотность снижалась через 6–8 часов ферментации и достигала через 10 часов значений 4,38–4,60. Установлено, что пропионовокислые бактерии в процессе жизнедеятельности наиболее эффективно накапливают кислотность как при индивидуальном применении, так и в синергизме с бифидобактериями. Наблюдалось активное накопление молочной кислоты в образцах на конечном этапе ферментации. Установлено, что концентрация молочной кислоты в экспериментальных образцах напитков через 10 часов ферментации была в 4–6 раз выше по сравнению с контрольным образцом (рис. 2).

При анализе реологических характеристик отмечена достаточно вязкая консистенция ферментированных напитков на основе зерна ячменя (2,3-3,4 mPa*s). Полученные результаты обоснованны, так как в составе оболочек ячменя содержатся нерастворимые структурные полисахариды, а в эндосперме установлено значительное количество слизеобразующих веществ, состоящих из пентозанов (арабинокислозы) и растворимого в-глюкана, который легко набухает в воде, образуя слабовязкие студни. Некрахмальные полисахариды ячменя при комнатной температуре поглощают до 800,0 % воды, образуя вязкие растворы. в-глюкан не образует кристаллические формы, что обуславливает его хорошую растворимость в воде и легкую гид-ролизуемость ферментами [17-19].

Причем процесс ферментации оказал значительное влияние на изменение реологических характеристик растительных напитков. Так, при сквашивании комбинированной закваской ( Bifidobacterium longum и Propio-nibacterium freudenreichii ) вязкость экспериментальных образцов увеличилась на 53,4 % относительно вязкости неферментированного образца. Наблюдаемые закономерности связаны с синергетическим действием микроорганизмов разных групп в направлении гидролиза структурных полисахаридов и

Рис. 1. Аппаратурно-технологическая схема производства ферментированных напитков на основе зернового сырья

Рис. 2. Динамика активной кислотности напитков в процессе ферментации и уровень накопления молочной кислоты

Ячмень (контроль) – напиток на основе зерна ячменя, без ферментации; Ячмень Bif – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Bifidobacterium longum; Ячмень Pr – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Propionibacterium freudenreichii; Ячмень Bif+Pr – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный комбинацией Bifidobacterium longum и Propionibacterium freudenreichii синтеза экзополисахаридов в пищевой системе напитка. При снижении температуры образцов до (4,0 ± 2,0) °С их вязкость закономерно возросла в 1,5–1,8 раз вследствие усиления сил взаимодействия между макромолекулами пищевой матрицы (рис. 3).

При исследовании параметров физиологической ценности ферментированных напитков был проведен анализ показателей, характеризующих антиоксидантную активность и содержание полифенольных соединений. Установлено, что DHPPI активность напитков на основе зерна ячменя находилась в пределах 71,0–100,7 %. При сравнительном анализе была выявлена закономерность возрастания антиоксидантной активности ферментированных пробиотическими микроорганизмами на- питков на 20,4–41,8 % относительно напитков, не подвергнутых ферментации (рис. 4).

Активность молочнокислых микроорганизмов в пищевой системе связана не только с подкислением среды, но и с рядом ферментативных процессов, что приводит к эффективному протеолизу, увеличению концентрации потенциально биоактивных пептидов, а также высвобождению активных форм полифеноль-ных соединений.

Полифенолы признаны ценными пищевыми метаболитами с высокой антиоксидантной активностью, которые играют ключевую роль в лечении и профилактике ряда патологий. В нашем эксперименте наибольшая концентрация полифенольных соединений установлена в напитках, ферментированных

Ячмень Bif

Ячмень Pr

Ячмень

Bif+Pr

-•—Ячмень (контроль)

*— Ячмень (контроль)

Ячмень Bif

Ячмень Pr

Ячмень Bif-Pr

Рис. 3. Динамика вязкости ферментированных напитков: а) при температуре (22,0 ± 2,0) °С;

б) при температуре (4,0 ± 2,0) °С

Ячмень (контроль) – напиток на основе зерна ячменя, без ферментации; Ячмень Bif – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Bifidobacterium longum; Ячмень Pr – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Propionibacterium freudenreichii; Ячмень Bif+Pr – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный комбинацией Bifidobacterium longum и Propionibacterium freudenreichii

Хс^И

Xcp=2,29

Период измерения, s

Propionibacterium freudenreichii (1,26 мг-GAE/ мл) и комбинацией Propionibacterium freudenreichii и Bifidobacterium longum (1,24 мг-GAE/ мл).

О влиянии ферментации на содержание полифенолов в ферментированных растительных продуктах сообщалось в многочисленных исследованиях. Молочнокислые микроорганизмы способствуют увеличению растворимости и экстрагируемости полифенольных соединений. Ферментативные процессы, протекающие при созревании напитков, способствуют высвобождению полифенолов из глико- зилированных белковых комплексов [10, 20].

Научными исследованиями установлено возрастание содержания питательных компонентов при ферментации растительного сырья молочнокислыми микроорганизмами [20, 21]. В эксперименте наблюдалось увеличение концентрации макронутриентов в ферментированных ячменных напитках на 14,5–28,5 % относительно контрольного образца. Наблюдаемая тенденция связана с интенсивным накоплением продуктов жизнедеятельности пробиотических микроорганизмов в пищевой системе напитка (табл. 2).

Q

Illi

Ячмень Ячмень Bif Ячмень Pr Ячмень Bif+Pr (контроль)

1,28

1,26

1,24

1,22

1,2

1,18

1,16

1,14

1,12

1,1

R о Щ D e к R О И

D К к св S

M < о

АОА, DHPPI, %

содержание полифенолов

Рис. 4. Результаты исследования антиоксидантной активности и содержания полифенолов в образцах ферментированных напитков

Ячмень (контроль) – напиток на основе зерна ячменя, без ферментации; Ячмень Bif – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Bifidobacterium longum; Ячмень Pr – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Propionibacterium freudenreichii; Ячмень Bif+Pr – напиток на основе зерна ячменя, ферментированный комбинацией Bifidobacterium longum и Propionibacterium freudenreichii

Таблица 2

Результаты исследований содержания макронутриентов в составе сухих веществ в образцах растительных напитков

Наименование показателя	Наименование растительной основы и бактериального концентрата образца
	Ячмень (контроль)1	Ячмень Bif2	Ячмень Pr3	Ячмень Bif+Pr4
Массовая доля сухих веществ, %	3,86 ± 0,06	4,42 ± 0,07	4,96 ± 0,07	4,68 ± 0,08
В том числе:
массовая доля белка, %	1,38 ± 0,02	1,67 ± 0,03	1,77 ± 0,04	1,68 ± 0,04
массовая доля углеводов, %	1,89 ± 0,04	2,16 ± 0,04	2,56 ± 0,05	2,38 ± 0,05

1 Напиток на основе зерна ячменя, без ферментации.

² Напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Bifidobacterium longum.

³ Напиток на основе зерна ячменя, ферментированный Propionibacterium freudenreichii.

⁴ Напиток на основе зерна ячменя, ферментированный комбинацией Bifidobacterium longum и Propionibacterium freudenreichii.

Заключение

При выполнении научно-исследовательской работы были обоснованы технологические параметры получения ферментированных напитков на основе зерна ячменя. В ходе исследований установлено, что ферментация растительных напитков пробиотическими культурами микроорганизмов положительно влияет на формирование консистенции и пищевой ценности продукта, эффективно увеличивает антиоксидантную ак- тивность и содержание полифенольных соединений.

Результаты научного исследования позволяют заключить, что предлагаемые решения для ферментативной обработки зерновой основы штаммами пропионовокислых и бифидобактерий позволяют получить растительные напитки с высокой антиоксидантной активностью, востребованные как лицами с непереносимостью молочных компонентов, так и остальными группами населения.