Технологические подходы обеспечения биобезопасности сыропригодного молочного сырья

В молочной отрасли в условиях необходимости сохранения привычного для потребителя ассортимента молочных продуктов производство сыров является весьма трудоёмким технологическим процессом, требующим критически важных показателей качества в отношении исходного сырья. В текущий момент объем внутреннего производства сыров и сырных продуктов увеличился почти в 2 раза при высоких перспективах развития данного сегмента в рамках реализации нацпроек- та импортозамещения. По прогнозу Россельхозбанка, производство сыра (не учитывая сырные продукты) к 2030 году вырастет до 1,1 млн тонн, а доля отечественной продукции составит 80 %.

Производство сыров в России в основном сконцентрировано в регионах, где имеется собственное сырье, аименно в Центральном, Приволжском и Сибирском федеральных округах Российской Федерации (рис. 1).

Современное сыроделие проявляет интерес к развитию небольших фермерских сыро-

Рис. 1. Структура производства сыров и сырных (состояние 2024 г.)

про

дельных предприятий, в настоящее время наблюдается рост выпуска не только массовых, но и уникальных фермерских сыров. Повышение спроса также отмечается на элитные сорта, что связано с увеличением покупательной способности населения [1].

Основной причиной низкой доли Уральского региона в общем объеме производства сыров является недостаточность сыропригодного молочного сырья, отсутствие адаптированных технологий и условий для обеспечения процессов созревания готового продукта, что определяет потребительские достоинства готового продукта.

На сыропригодность молока, особенно в стойловом периоде содержания животных, существенное влияние оказывает состав кормов и рацион кормления. Одним из решений для получения качественного молока-сырья представляется составление биологически полноценных рационов кормления для лакти-рующих животных, обеспеченность сбалансированным белковым питанием, уменьшения доли концентратов [3].

Поток питательных веществ корма в физиологии лактации и продуктах глубокой переработки молока является важным фактором для качества продуктов глубокой переработки (рис. 2). Основополагающую роль здесь должен играть аминокислотный состав белков корма, в особенности содержание таких незаменимых аминокислот, как метионин и лизин, которые оказывают значительное влияние на здоровье и молочную продуктивность коров [8,10,13].]•

Соблюдение данных условий позволит получить молоко, пригодное для производства сыров, но при этом серьезной проблемой являются потенциальные риски биобезопасности молочных продуктов, в частности загрязнение микотоксинами [4], вторичными метаболитами мицелиальных плесеней, опасных для человека и животных. Наиболее критичными являются микотоксигенные виды родов Fusarium, Aspergillus и Penicillium .

Виды рода Fusarium заражают сельскохозяйственные культуры непосредственно в поле, живут эндофитно, в то время как виды рода Aspergillus и Penicillium обычно распространяются на зерновых и других культурах при нарушении условий сушки и хранения. Некоторые из этих патогенных плесеней проявляют огромную физиологическую адаптивность и, таким образом, колонизируют широкий спектр биологических объектов, в том числе фуражное сырье [7, 8]. Фактически злаки являются основным источником загрязнения микотоксинами в пищевой цепочке человека либо напрямую через использование пищевых продуктов из зараженного сырья, либо

Серия «Пищевые и биотехнологии».

льных веществ корма перерабо тки молока в физи

Рис. 2. Поток питате глубокой

косвенно, через потребление молока и других продуктов животного происхождения, полученных от скота, употребляющих зараженные корма [6].

Особую опасность представляют маскированные и модифицированные микотоксины, которые являются продуктами биохимических реакций связывания с гликозидами, глюкуронидами, сложными эфирами жирных кислот и белками. Хелатирование микотоксинов токсигенных плесеней протеинами молока может не только изменить безопасность конечного молочного продукта, но и качественно повлиять на технологическую пригодность молочного сырья.

Благодаря таким модификациям маскированные микотоксины не обнаруживаются с помощью обычных методов, а в организме человека и животных расщепляются с высвобождением микотоксинов. Проблема поиска новых эффективных и в то же время экологически безопасных способов снижения загрязненности сельскохозяйственной продукции токсигенными плесенями и продуктами их метаболизма остается чрезвычайно актуальной [5]. В связи с этим возникает необходимость разработки инновационных методов обеззараживания зерновых масс, обоснование возможности трансформации токсигенных микромицетов и продуцируемых микотоксинов требует детализированного изучения на молекулярном уровне. Квантово-химические методы позволяют на основе законов квантовой механики изучить объект (молекулу, систему), а также поведение электронов и ядер внутри атомов и молекул, определять электронную структуру, прогнозировать свойства и моделировать химические реакции. В квантовой химии существует множество методов, которые можно разделить на несколько групп (неэмпирические, полуэмпирические, методы теории функционала плотности (DFT) [14], гибридные методы) [2, 9].

Целью исследования является глубокое изучение факторов биобезопасности кормовых смесей, влияние токсигенов на технологическую пригодность молочного сырья для глубокой переработки.

Объекты и методы исследования

Исследования в соответствии с поставленной целью проводились в условиях реального предприятия АПК:

на первом этапе проводилось исследование биобезопасности (на присутствие ток-сигенных микромицетов) кормовых рационов лактирующего КРС;

на втором этапе оценка сыропригод-ности молочного сырья. В качестве объектов исследований использовали выборки молочного сырья от трех партий дойки, полученных от животных в разное время суток (утренняя, обеденная и вечерняя дойки).

Для изучения геометрических параметров, стабильности, реактивности, а также приближённого описания связывания в молекулах, численного моделирования конфигурации молекул комплекса казеина и микотоксинов (дезоксиниваленола/ зеараленона) проводились квантово-химический расчеты с использованием программного пакета Gaussian 16. В исследованиях использовался метод Ground state Hartree:e-Fock с применением базисного набора 3-21G/ RB3LYP. Исходные данные о казеине и дезоксиниваленоле и зеа-раленоне для квантово-химических расчетов были получены при помощи баз данных PubChem и PDB [11].

В рамках исследования учитывались такие показатели, как локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO, размер энергетического зазора HOMO-LUMO (далее, Homo-LUMO gap). Затем осуществлялась статистическая обработка полученных данных квантово-химических расчётов молекулярных комплексов.

Номенклатура оцениваемых показателей молочного сырья включала: органолептиче- ские показатели (консистенция, запах, вкус); физико-химические показатели (массовая доля жира, %; массовая доля белка, %; массовая доля лактозы, %; титруемая кислотность, °Т; активная кислотность, рН; СОМО, %; плотность, кг/м3; сычужная свертываемость).

Результаты и их обсуждение

Прогностические исследования присутствия микотоксинов (далее МТ) в фуражном зерне как потенциального блокатора активных фракций основного молочного белка-казеина оценивали с использованием программного пакета Gaussian 16, который позволяет прогнозировать свойства белково-лигандного комплекса. Графическое представление локализации молекулярных орбиталей молекул и их комплексов представлено в табл. 1. Молекулярная орбиталь – это математическая функция, которая описывает местоположение и волновое поведение электрона в молекуле.

На первом этапе исследования оценивались молекулярные орбитали HOMO и LUMO белково-лигандного комплекса, состоящего из казеина (главного белка, содержащегося в молоке) / микотоксинов (дезоксиниваленол/зе-араленон), наблюдаются как связывающие, так и разрыхляющие орбитали [12]. Далее оценивался показатель размера энергетического зазора (HOMO-LUMO gap) для ком-

Таблиц

Локализация молекулярных орбитал-елйигHаOнMдOноигоLUкMоOмпбле междкуазеинмоимк оит окси(ндаемзиоксиниваленол/ зеараленон) зе

Объект исследования

Химическая структура

Молекулярные орбитали

HOMO

LUMO

Белково-лигандный комплекс

Казеин/ дезоксинива-ленол

Казеин/ зеа-раленон

плекса казеин / дезоксиниваленол, который составил 0,238 eV, в то время как для комплекса казеин / зеараленон этот показатель 0,253eV.

Таким образом, сила взаимодействия доноров и акцепторов и скорость циклоприсоединения обратно пропорциональны разнице в энергии между взаимодействующими HOMO и LUMO. Если зазор небольшой, то взаимодействие сильное, реакция быстрая. Если зазор большой, то взаимодействие слабое, реакция медленная.

Полученные результаты исследования применимы для дальнейшего изучения и прогнозирования свойств белково-лигандного комплекса казеина / микотоксинов с целью оценки их стабильности и формирования рис- ков в трофических цепях. Результаты исследований визуальной идентификации представлены ниже (табл. 2).

В процессе активации мицелиальной микрофлоры в кормовой продукции установлено присутствие споровой микрофлоры, которая проявляет активности в условиях повышения влажности среды. Фуражное зерно пшеницы не токсично, а комбикормовая смесь требует тщательного изучения и определения режимов обеззараживания в отношении рисков развития вида Aspergillus flavus, в то же время сенаж в присутствии Bacillus subtilis не токсичен за счет блокирования развития токсигеннов, что может стать потенциальным ресурсом для обеспечения безопасности кормов.

Результаты оценки

Таблица присутствия токсигенных микром

Кормовой продукт

Комбикорм

Зерно пшеницы фуражное

Сенаж

Состояние кормов до и после термостатирования в условиях повышенной

Исходный вид/ закладка

влажности

По истечении 3-х суток

Идентификация мицелия

Aspergillus flavus

На втором этапе результаты проведенных исследований были систематизированы в сводную таблицу (табл. 3).

Представленные данные указывают на стабильность состава молочного сырья при высоких значениях показателей, характеризующих качество и технологическую пригодность для сыроделия.

Отмечены диапазоны колебаний во времени получения молока по титруемой кислотности в диапазоне 18-19 °Т, что связано с физиологическими ритмами лактирующего животного и особенностями метаболизма в течение дня. Значение показателя pH в диапазоне 6,33–6,44 указывает на свежесть и нормальное состояние молока. Эти значения находятся в пределах нормы для свежего молока и указывают на отсутствие значительного развития микрофлоры или других неблагоприятных изменений, которые могли бы привести к закислению.

Содержание жира в молоке демонстрирует значительные колебания в течение дня, что является типичным для молочного скота и может зависеть от множества факторов, таких как генетика, рацион питания, стадия лактации и стресс. По периодам дойки высокая жирность наблюдается в обеденном образце (4,92 %), значительно превышая утренний (3,31 %) и вечерний (3,80 %) показатели, что может быть связано с циклом пищеварения и периодом между дойками. Значение СОМО включает содержание белков, лактозы, минеральных веществ и витаминов, в образцах стабильно, находится в диапазоне 9,45–9,75 % и коррелирует с массовой долей жира, показатель характеризует пригодность для производства широкого спектра молочных продуктов. Плотность молока колеблется в течение дня, наименьшее значение установлено в обеденном образце (32,28), тогда как утренний (34,71) и вечерний (34,34) образцы демонстрируют более высокие и близкие значения.

Массовая доля протеинов в молоке относительно стабильна при незначительных колебаниях в течение дня на уровне от 3,59 до 3,68 % и безусловно определена динамикой секреции молока (например, увеличение доли жира может приводить к незначительному снижению белка в общем объеме). Высокое содержание белка, особенно в образце вечерней дойки, свидетельствует о пищевой ценности молока и технологической пригодности для производства молочных продуктов, в том числе сыров, где белок является ключевым компонентом.

Пробы на сычужную свертываемость проб молока разной времени дойки (рис. 3) согласно принятой классификации показали принадлежность ко второй группе: продолжительность свёртывания – от 16 до 40 минут. Причем стабильность показателей качества товарного молока позволит обеспечить стабильность потребительских свойств готового продукта.

Продолжительность времени свертывания молока определяет прочность молочного сгустка и, как следствие, состояние сырного зер-

Таблица

Результаты исследо-хвиамниичяе сфкиизхикиосследованиай образ

Показатель	Образец 1 (утро)	Образец 2 (обед)	Образец 3 (вечер)
Титруемая кислотность (°Т)	19	19	18
Сычужная свертываемость	+	+	+
Плотность кг/м3 (+1000)	34,71	32,28	34,34
Жирность, %	3,31	4,92	3,8
Наличие антибиотиков (Да/Нет)	Нет	Нет	Нет
COMO, %	9,74	9,45	9,75
Содержание доб. воды, %	0	0	0
Содержание белка, %	3,65	3,59	3,68
рH	6,44	6,33	6,43

а)                                      б)                                      в)

Рис. 3. Внешний вид сычужного сгустка ферментации а– утренне– ден;е вбн а–яв;е чве рняя

на, в том числе содержание влаги в сыре, степень преобразования капа-казеина, выход сыра и другие показатели, характеризующие качество сыра. Для всех образцов молока зафиксировано оптимальное содержание казеина и кальция, что является критически важным для сыроделия и производства других кисломолочных продуктов.

Заключение

Результаты квантово-химических расчетов взаимодействия молекул казеина с микотоксинами кормов подтвердили высокую вероятность формирования устойчивых хелатных комплексов. Это означает, что риск присутствия в кормах микотоксинов формирует однозначный риск снижения качества молока и его сыропригодности, что требует дополни- тельных исследований и поиска технологических подходов.

Вместе с тем результаты исследований демонстрируют, что состав молока достаточно стабилен в течение дня при некоторых изменениях в содержании жира, плотности и СОМО, которые являются естественными и обусловлены физиологическими процессами в организме животного. Понимание суточных колебаний компонентов молока имеет важное значение для оптимизации производства продуктов со стабильными показателями по жирности (сливки, масло). Для применения в производстве сыров молоко может показать хорошие результаты, с точки зрения качества и биобезопасности высокобелковых молочных продуктов.