Условия формирования устойчивых пробиотических эмульсий масла зародышей пшеницы

Биокорректирующие, профилактические, терапевтические свойства масла зародышей пшеницы известны и подтверждены рядом клинических исследований. Отечественными и зарубежными медиками опубликованы материалы,

посвященные влиянию масла зародыша пшеницы (МЗП) на количественные и качественные характеристики липидного обмена. Установлено более выраженное снижение содержания холестерина в печени и крови крыс при употреблении ими МЗП в сравнении с соевым или хлопковым

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License маслом [3]. У людей отмечено снижение содержания холестерина в крови на 5–10% больше по сравнению с контрольной группой при введении 7% МЗП в рацион питания [2, 8]. У больных ишемической болезнью сердца со стабильной стенокардией II и III функциональных классов получены достоверные положительные результаты влияния МЗП на липидограмму крови. Гиполипидемическое и кардиопротекторное действие МЗП клинически доказано медиками Харькова, Челябинска, Новосибирска, Москвы [2, 8–20]. В терапии ожогов клинически подтверждены регенерирующие и заживляющие свойства МЗП, что обусловлено его уникальным витаминным составом. Благодаря наличию в составе полико-занола, МЗП проявляет аналогичное статинам действие на организм, при зафиксированом отсутствии побочных негативных последствий [2, 5]. Несмотря на множество положительных клинических эффектов, применение масла зародышей пшеницы в рационе питания населения носит очень ограниченный характер. Пищевых продуктов – носителей МЗП на рынке практически не представлено. Кроме того, известно, что эффективность усвоения биоактивных компонентов из пищи преимущественно определяется состоянием индигенной микрофлоры кишечника. Экспериментально установлено, что положительный коррекционный эффект биологически активных веществ возрастает при комбинировании их с пробиотиками [4]. Разработка технологии устойчивых эмульсий масла зародышей пшеницы на кисломолочной пробиотической основе позволит получить инновационные эубиотические продукты с усиленным эффектом.

Пробиотическую кисломолочную эмульсионную среду получали в результате ферментирования обезжиренного коровьего молока консорциумом пробиотических микроорганизмов, состоящим из B. bifidum, B. longum, B. adolescentis, L. casei, L. rhamnosus, L. acidophilus, L. plantarum, L. fermentum . Ферментацию проводили

при определенных условиях, обеспечивающих активный синтез микробных влагосвязывающих метаболитов, до достижения концентрации активных клеток пробиотиков не ниже 109 КОЕ/мл, рН = 3,65–3,75, титруемая кислотность составляла 120–130о Т. Показатели эмульсий (эмульгирующую способность ЭС и устойчивость эмульсий) определяли в соответствии с рекомендациями пофессора Л.В. Антиповой [1]. Микроструктуру эмульсий изучали с помощью электронного микроскопа JSM-6380LV. Экспериментально методом термогравиметрического анализа на модельных системах было выявлено наличие выраженных эмульгирующих веществ в пробиотических кисло-молочных системах, ферментированных консорциумами пробиотических микроорганизмов [6, 7]. На модельных системах были получены эмульсии с концентрацией МЗП до 11,2%. Для обеспечения более высоких параметров концентрации и устойчивости эмульсии МЗП в пробиотической кисло-молочной среде было исследовано влияние ряда известных ПАВ и стабилизирующих агентов, применяемых в пищевых технологиях. В качестве эмульгаторов и стабилизаторов структуры исследовали яичный порошок, яичный белок, лецитин, сухое обезжиренное молоко, ксантановую и гуаровую камеди. Введение перечисленных веществ в эмульсионную среду в диапазоне концентраций 0,5–3,5% привело к росту устойчивости эмульсий в 1,1–5,9, 1,3–10,6, 1,5–4,0, 1,7–4,7, 1,3–9,7, 1,2–5,1 раза для яичного белка, ксантановой камеди, яичного порошка, лецитина, гуаровой камеди, сухого обезжиренного молока соответственно (рисунок 1). Установлено, что эмульгирующая способность исследуемых веществ в пробиотической эмульсии, достигает максимальных значений в диапазоне концентраций 2,0–3,5% при вращении рабочего органа 1500 об/мин. Отмечена специфичность действия эмульгаторов, максимально эффективным действием обладали лецитин, гуаровая камедь, яичный белок (таблица 1).

(a)                                                               (b)

Рисунок 1. Влияние концентрации эмульгатора (1 – яичный белок, 2 – ксантановая камедь; 3 – яичный порошок, 4 – лецитин, 5 – гуаровая камедь, 6 – сухое обезжиренное молоко) на эмульгирующую способность пробиотической среды с маслом зародышей пшеницы (a), прирост ЭС (b)

Figure 1. The effect of the concentration of the emulsifier (1 – egg white, 2 – xanthan gum; 3 – egg powder, 4 – lecithin, 5 – guar gum, 6 – skim milk powder) on the stability of the probiotic emulsion with wheat germ oil (a), growth ES (b)

Таблица 1.

Обоснование концентрации эмульгаторов

Table 1.

Justification of the concentration of emulsifiers

Растительное масло Vegetable oil	Эмульгатор Emulsifier	Концентрация, % Concentration, %	Эмульгирующая способность, % Emulsifying ability, %
Зародышей пшеницы Breathe the wheat	Лецитин | Lecithin	3,0	47,2
	Гуаровая камедь | Guar gum	3,0	32,2
	Яичный белок | Egg white	3,0	31,6

На основании результатов микроскопических исследований выявлены изменения микроструктуры пробиотических систем в процессе эмульгирования. Установлено влияние концентрации лецитина на микроструктуру эмульсий, устранения агломератов жировых шариков и уменьшения их размеров на 25–40% – с 55–65 мкм до 30–40 мкм при повышении концентрации лецитина от 1,5 до 3,0%, что доказывает целесообразность и эффективность применения эмульгаторов в качестве компонентов, обеспечивающих дополнительную эмульгирующую емкость пробиотических систем.

В процессе эмульгирования кисломолочную систему подвергали интенсивному механическому воздействию с помощью различных типов перемешивающих устройств, частоту вращения рабочих органов которых варьировали в диапазоне 1000 – 3000 об/мин. Наличие широкого диапазона интенсивности воздействующего фактора приводит к получению гетерогенных структур с различной площадью дисперсной фазы, что обуславливает необходимость введения различных количеств эмульгаторов для достижения максимальной эмульгирующей емкости и седиментационной устойчивости системы. Установлено, что эмульгирующая способность исследуемых эмульгаторов возрастает до максимума при увеличении их концентрации в дисперсионной среде от 2,5 до 5,0%, при увеличении скорости вращения рабочего органа в процессе гомогенизации в исследуемом диапазоне (рисунок 2). Полученные данные позволяют констатировать рост площади межфазных адсорбционных слоев, как следствие, увеличение требуемой концентрации вводимого эмульгатора на 25–35% при увеличении частоты вращения рабочего органа в 1,5–1,7 раза. Концентрация эмульсии возросла до 55%, а седиментационная устойчивость увеличилась в 3–5 раз. Микроскопические исследования показали снижение размеров стабилизированных капелек масла в эмульсии до 20–30 мкм.

(a)                                                               (b)

(c)

Рисунок 2. Влияние концентрации эмульгатора (1 – яичный белок, 2 – ксантановая камедь; 3 – яичный порошок, 4 – лецитин, 5 – гуаровая камедь, 6 – сухое обезжиренное молоко) на устойчивость пробиотических эмульсий с маслом зародышей пшеницы полученных при различной частоте вращения рабочего органа, об/мин: (a) – 1000; (b) – 2000; (c) – 3000

Figure 2. The effect of the concentration of the emulsifier (1 – egg white, 2 – xanthan gum; 3 – egg powder, 4 – lecithin, 5 – guar gum, 6 – skim milk powder) on the stability of probiotic emulsions with wheat germ oil obtained with different working body rotation frequency, rpm: (a) – 1000; (b) – 2000; (c) – 3000

Обработку экспериментальных данных проводили с применением регрессионного анализа. Расчет коэффициента парной корреляции независимой величины (концентрация эмульгатора (С), %) и зависимой величины (эмульгирующая способность (ЭС), %) проводили для каждого сочетания масла (50%) с эмульгаторами в различной концентрации (1) [3]

Z( x,- x )( y,- y )

r = l * =1= xy

J Z⁽ x , ^- x ) Z⁽ y. ^- y )

V i=1

где N – число наблюдений, XI – i-е значение независимой величины, yi – i-е значение зависимой величины, x , y – средние значения наблюдаемых величин, рассчитанные по формулам (2), (3)

N

Z x x =^-

N

У =

N

Z x.

i = 1

N

Численные значения коэффициента парной корреляции между С (%) и ЭС (%) для исследуемых образцов пробиотических эмульсий приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Значения коэффициента парной корреляции

Table 2.

Pair correlation coefficient values

Растительное масло Vegetable oil	Эмульгатор                     Коэффициент парной корреляции Emulsifier                                 Pair correlation coefficient
Зародышей пшеницы Breathe the wheat	Яичный белок (3,0%) | Egg white (3.0%)                        0,998 Лецитин (3,0%) | Lecithin (3,0%)                              0,976 Гуаровая камедь (3,0%) | Guar gum (3,0%)                       0,953

Установлено, что между С (%) и ЭС (%) существует статистически значимая связь, так как коэффициент парной корреляции близок к 1.

Структура аппроксимирующей зависимости учитывает линейное, квадратичное и кубическое влияние фактора С (%) на ЭС (%) (4)

ЭС = a₀ + a 1 C + a 2 C ² + a ₃ C ³

где a ₀ , a ₁ , a ₂ , a ₃ – параметры, определяемые из экспериментальных данных.

Оценку параметров зависимости (4) проводили методом Левенберга библиотеки Mathcad 15, на основе минимизации критерия вида (5), представляющего собой сумму квадратов отклонений расчетных значений от экспериментальных данных

N s = Z[ЭСэксп - ЭС(C)]   w,„3 >min (5)

i = 1

где i – номер эксперимента, – опытное значение эмульгирующей способности, %, N – количество опытов.

Результаты анализа чувствительности изменений модуля разности минимальных значений критерия (5) к последовательному добавлению слагаемых (4) показали, что достаточно использовать 4 слагаемых для обеспечения приемлемой средней абсолютной и относительной погрешностей. Получены аппроксимирующие зависимости ЭС = f(С) для пробиотической эмульсии с маслом зародышей пшеницы следующего вида (6)–(8)

ЭС = 8,904 + 6,793 C + 0,716 C2–0,209 C3 (6) ЭС = 3,779 + 15,6 C + 2,96 C2–1,081 C3 (7) ЭС = 8,218 + 6,545 C + 1,296 C2–0,459 C3 (8)

Средняя абсолютная ошибка составила – 0,24, 1,40, 0,76; средняя относительная ошибка – 1,88, 8,56, 6,23%; максимальная ошибка не превысила – 5,6, 25,6, 18,7% соответственно.

Заключение

Полученные данные дают научное обоснование процесса получения устойчивых пробиотических эмульсий, содержащих МЗП в концентрациях до 55%. Высокую эмульгирующую способность и седиментационную устойчивость обеспечивает дополнительное введение эмульгирующих веществ в ферментированную дисперсионную среду. Полученные эмульсии имели высокие органолептические свойства, обладают более выраженным биокорректирующим эффектом в отношении ряда важнейших функций организма, благодаря комбинированию в составе МЗП с лакто- и бифидобактериями.

Работа выполнена при поддержке Гранта Президента Российской Федерации (регистрационный номер – МД-5536.2021.5).