CC BY
212
УДК / UDC 604.4:637.146
БИОТЕХНОЛОГИЯ ДРОЖЖЕСЫВОРОТОЧНОГО ПРОДУКТА
BIOTECHNOLOGY OF YEAST-WHEY PRODUCT
Соколенко Г.Г., научный сотрудник
Sokolenko G.G., researcher Пономарева И.Н., научный сотрудник
Ponomariova I.N., researcher Елизарова Т.И., научный сотрудник
Elizarova T.I., researcher Есаулова Л.А., научный сотрудник Esaulova L.A., researcher «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», Воронеж, Россия Voronezh State Agricultural University N.A. Emperor Peter the Great, Voronezh,
Russia
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
биотехнология, биоконверсия, молочная сыворотка, дрожжи, заменители молока.
KEY WORDS
biotechnology, bioconversion, whey, yeast, milk replacers.
Молочная сыворотка является перспективным сырьевым ресурсом, объемы которой в России составляют около 5 млн. т в год. Теоретический выход молочной сыворотки составляет около 90% от массы перерабатываемого молочного сырья, она содержит около 50% сухих веществ молока. Значительные объемы молочной сыворотки и высокая пищевая ценность обусловливают необходимость ее полного сбора и рационального использования [1]. К настоящему времени проблема рационального использования вторичного молочного сырья у нас в стране не решена и промышленной переработке подвергается только 30% от общего объема молочной сыворотки [2]. В странах с развитой молочной промышленностью (США, Германия, Франция, Нидерланды) перерабатывается от 50 до 95% ресурсов молочной сыворотки. На ряде российских молокоперерабатывающих предприятий сыворотку просто сливают в канализацию, что способствует ухудшению экологической обстановки, поскольку 1 м3 воды, загрязненной молочной сывороткой, приравнивается к 400 м3 промышленных вод. Причинами сдерживания переработки молочной сыворотки в России являются незначительные инвестиции, отсутствие средств на внедрение современных технологий и закупку оборудования, либерализм экологической службы в отношении ее сброса в сточные воды. При этом организация промышленной переработки молочной сыворотки позволяет увеличить прибыль от реализации продукции на 28-30%.
В России основные объемы молочной сыворотки используются на скармливание сельскохозяйственным животным в натуральном виде, в то же время животноводство испытывает дефицит полноценного белка и кормовых добавок отечественного производства, его содержащих. В молочный период выращивания крупного рогатого скота в нашей стране на выпойку телят
расходуется более 15-20% молока от его валового производства, тогда как в большинстве европейских стран эти затраты молока снижены до 1-4% за счет использования заменителей цельного молока (ЗЦМ) и комбикормов-престартеров на основе сухой молочной сыворотки. Поэтому с целью повышения рентабельности молочного скотоводства перед животноводческими хозяйствами стоит проблема более широкого использования заменителей цельного молока при выращивании молодняка. Одним из путей решения этой проблемы является организация производств по переработке молочной сыворотки для получения кормовых добавок и заменителей молока, содержащих полноценный животный белок [3,4,5].
Наиболее рациональный путь использования молочной сыворотки -биоконверсия ее компонентов в белок путем культивирования одноклеточных организмов, которые способны использовать лактозу в качестве источника энергии и превращать минеральный азот в полноценный белок. В процессе микробного синтеза сыворотка приобретает новые качественные свойства, микроорганизмы обогащают ее витаминами, ферментами, органическими кислотами и другими биологически активными соединениями. Для биоконверсии молочной сыворотки используют дрожжи, молочнокислые бактерии, микроскопические грибы, а также смешанные культуры различных видов микроорганизмов. Из всех известных микроорганизмов самым высоким коэффициентом конверсии сыворотки в микробный белок обладают дрожжи. Дрожжи Kluyveromyces marxianus имеют способность использовать в качестве источника углерода лактозу и инулин и продуцировать высокоактивную в-фруктофуранозидазу. Они отличаются высокой скоростью роста и широко применяются в биотехнологических производствах для получения белка, этанола, в качестве источника ферментов, имеющих промышленное значение: Р-галактозидазы, инулиназы [6,7,8,9]. Дрожжевая биомасса, полученная биоконверсией молочной сыворотки, представляет собой физиологически полноценный высокобелковый продукт, который может быть использован для пищевых и кормовых целей.
Цель исследований, определение технологических параметров биоконверсии молочной сыворотки дрожжами К. marxianus У-1148 и разработка биотехнологии дрожжесывороточного продукта.
Штамм дрожжей К. marxianus Y-1148, получен из Всероссийской коллекции микроорганизмов (г. Пущино). Эти дрожжи активно ассимилируют лактозу, что позволяет осуществлять ферментацию молочной сыворотки без внесения Сахаров. В качестве субстрата использовали сыворотку, полученную после изготовления творога на ВМК «Вкуснотеево», с содержанием сухого вещества -5,0%; лактозы - 4,7%, рН - 4,75. Сыворотку обогащали минеральными солями (%): (NH4)2SO4 - 0,3; (NH4)2HPO4 - 0,2; К^ - 0,05. В качестве посевного материала использовали суточную культуру К. marxianus У -1148, выращенную на аналогичной среде. Культивирование дрожжей проводили на термостатируемой качалке при 200 об/мин в течение 24 часов. Для инактивации дрожжей и денатурации белка культуральную жидкость подвергали тепловой обработке (85-92 °С, 30 минут). Дрожжебелковую массу осаждали центрифугированием при 2600 д в течение 10 мин при 2 °С. Физико-химический состав продуктов определяли стандартными методами: содержание азота -методом Кьельдаля, сахара - методом Поченка, содержание сырого жира -методом Сокслета, кальций - трилонометрическим методом с флуорексоном, фосфор - ванадно-молибденовым методом, калий - на пламенном фотометре
[10,11]. Аминокислотный состав определяли на аминокислотном анализаторе Т 339.
К настоящему времени разработаны различные технологии биоконверсии молочной сыворотки дрожжами штаммов рода Kluyveromyces, Candida, Saccharomyces, Torulopsis для получения продуктов, используемых на пищевые и кормовые цели [12,13]. В большинстве случаев это сухие продукты, при получении которых технологии включают сгущение и распыление. Использование этих технологий требует значительных финансовых затрат из-за приобретения специального дорогостоящего оборудования [14]. Более экономичным является получение жидких концентратов дрожжеванной сыворотки. В связи с этим были проведены исследования по разработке технологии жидкого дрожжесывороточного продукта биоконверсией молочной сыворотки с использованием штамма дрожжей K. marxianus Y-1148. Культивирование дрожжей проводили на неосветленной сыворотке, для ее пастеризации использовали режим, при котором не происходит денатурации белка (72°С, 20 сек). Это позволяет исключить высокотемпературную обработку молочной сыворотки с целью денатурации сывороточного белка и его осаждение.
Изучено влияние способа подготовки сыворотки и дозы инокулята на эффективность биоконверсии и возможность использования нестерильной сыворотки. Выявлено, что на нестерильной сыворотке максимальное накопление дрожжевой биомассы и наибольший выход продукта (37 г/л) был при внесении 10% инокулята. В этих условиях активно размножались «дикие» дрожжи, которые угнетали развитие клюйвиромицетов. На стерильной сыворотке максимальный выход продукта - 43,2 г/л при внесении 3% инокулята, что выше на 13% от выхода, полученного при использовании «сырой» сыворотки (рис.1). Таким образом, выход дрожжесывороточного продукта зависит от способа подготовки сыворотки, и применение стерильной сыворотки более целесообразно [15].
50 45 40
10--
5--
О А-1-1-1-1-1
1% 3% 5% 10% 20%
I -1 ш г I Инокулят,
Рисунок 1 - Зависимость накопления дрожжевой биомассы от дозы внесения инокулята: 1- нестерильная сыворотка; 2- стерильная сыворотка
При изучении влияния рН сыворотки и времени культивирования на накопление биомассы К. татапыБ У 1148 установлено, что максимальное
накопление дрожжевой биомассы выявлено при рН сыворотки 5,5 и времени культивирования 24 часа (рис.2).
На основании проведенных исследований установлены оптимальные режимы биоконверсии молочной сыворотки К. marxianus У-1148: рН сыворотки -5,5; температура культивирования - 30-32°С, время культивирования - 24 часа. Была разработана биотехнология дрожжесывороточного продукта, которая включает стадии: пастеризация сыворотки (72°С, 20 сек) ^ приготовление растворов солей и обогащение молочной сыворотки ^ получение посевного материала ^ ферментация (30-32°С), 24 ч ^ тепловая обработка культуральной жидкости (85-92°С, 30 мин) ^ концентрирование дрожжеванной сыворотки ^ пастеризация продукта (72°С, 20 сек) ^ охлаждение продукта (4-6°С).
Время, час.
а б
Рисунок 2 - Влияние рН сыворотки (а) и времени культивирования (б) на накопление дрожжесывороточной массы (г/л)
Выход продукта составлял около 10% от исходной сыворотки. Полученный дрожжесывороточный продукт напоминал молоко, имел белый цвет и приятный молочный запах. Отсутствие сывороточного запаха и вкуса связано со способностью дрожжей активно потреблять ацетальдегид, диацетил, жирные низкомолекулярные кислоты, придающие сыворотке нежелательные вкус и аромат. Изучены физико-химические свойства продукта, представленные в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические показатели продукта и молочного сырья, %
Показатель Цельное Молочная Дрожжжесывороточный
молоко сыворотка продукт
СВ 13 5,0 7,8
Белок 3,5 1,08 2,75
Жир 3,7 0,09 2,73
Сахара 4,85 4,8 0,36
БЭВ 5,0 4,3 4,8
Кальций 0,13 0,04 0,048
Фосфор 0,12 0,05 0,039
Показано, что по сравнению с исходной сывороткой продукт биоконверсии содержит белка больше в 2,5 раза, жира - в 30 раз и по содержанию основных компонентов приближается к обезжиренному молоку.
Проведены исследования по определению аминокислотного состава дрожжесывороточного продукта и исходного сырья (рис. 3). Белки молочной сыворотки содержат все незаменимые аминокислоты и некоторый избыток лизина.
В результате биоконверсии молочной сыворотки дрожжами К. татапив У 1148 изменился аминокислотный состав сыворотки за счет трансформации минеральных источников азота. Общее содержание аминокислот в дрожжесывороточном продукте близко к его уровню в белке молока и превышает в 2,4 раза эту величину в сыворотке, а содержание суммы незаменимых аминокислот превышает это значение молочной сыворотки в 2,8 раза. По сравнению с сывороткой увеличилось содержание лизина в 1,8 раз, треонина -в 2,7 раз, лейцина и тирозина - почти в 5 раз, изолейцина - в 2,5 раз, суммы серосодержащих аминокислот метионина и цистеина - в 3 раза, валина - 1,4 раза.
Рисунок 3 - Содержание аминокислот в дрожжесывороточном продукте и
молочном сырье
Определение аминокислотного скора показало, что полученный продукт не имеет аминокислот, лимитирующих биологическую ценность и является биологически полноценным (табл.2).
Таблица 2. Биологическая ценность дрожжесывороточного продукта и молочного сырья
Аминокислота Идеальный белок мг/г белка Молоко Сыворотка творожная Дрож-сыв. продукт
мг/100 г продукта мг/г белка скор мг/г белка скор мг/г белка скор
Валин 50 191 59,7 119,4 98 196,0 53 106,0
Изолейцин 40 189 59,1 147,7 44 110,0 43 107,5
Лейцин 70 283 88,4 126,3 69 98,6 134 191,4
Лизин 55 261 81,6 148,3 125 227,3 86 156,4
Метионин+цистин 35 109 34,1 97,3 44 125,7 51 145,7
Треонин 40 153 47,8 119,5 38 95,0 40 100,0
Триптофан 10 50 15,6 156,3 - 0,00 - -
Фенилаланин+тиразин 60 359 112,2 187 70 116,7 121 201,7
Общее количество аминокислот 360 498,4 488,0 528,0
По сбалансированности незаменимых аминокислот белок дрожжесывороточного продукта приближается к шкале «идеального белка», по содержанию фенилаланина - близок к показателям нефракционированного белка молока, а по содержанию лейцина и суммы серосодержащих аминокислот метионина и цистина, превосходит его в 1,5 раз.
Было установлено, что биомасса дрожжей составляет около 50% дрожжесывороточной массы, что определяет высокую биологическую ценность продукта. Изменения аминокислотного состава полученного концентрата связаны с особенностями аминокислотного состава белков дрожжей К. marx¡anus У-1148. Белки дрожжесывороточного продукта более устойчивы к нагреванию, поскольку при высокотемпературной обработке белки молочной сыворотки теряют до 80% лизина, а белки дрожжей - только 5%. Биомасса дрожжей, выращенных на молочной сыворотке, богата витаминами и содержит: холина -6,67 мг/г, инозита - 3,0 мг/г, тиамина - 24,1мкг/г, рибофлавина - 36,0 мкг/г, витамина Вб -13,6 мкг/г, никотиновой кислоты - 280,0 мкг/г, фолиевой кислоты -6,83 мкг/г, пантотеновой кислоты - 67,2 мкг/г, биотина - 1,96 мкг/г [13]. Эти витамины находятся в легкоусвояемой форме и в 2-3 раза активнее, чем синтетические препараты.
В результате проведенных исследований разработана биотехнология дрожжесывороточного продукта путем биоконверсии молочной сыворотки дрожжами Kluyveromyces marxianus У-1148. Продукт по органолептическим свойствам напоминает молоко, по содержанию основных компонентов приближается к обезжиренному молоку. По сравнению с белком молока имеет повышенное содержание аминокислот лейцина, суммы метионина и цистина, фенилаланина и тирозина. Полученные результаты позволяют рекомендовать дрожжесывороточный продукт для применения в рационах сельскохозяйственных животных. Его использование в качестве заменителя обезжиренного молока для выпойки молодняка позволит использовать освобожденные ресурсы обезжиренного молока на пищевые цели. Организация биотехнологических способов переработки молочной сыворотки на предприятиях Центрально-Черноземного региона по переработке молока
позволит реализовать принципы безотходной технологии, увеличить ресурсы продуктов питания и кормов, повысить экономическую эффективность производств, улучшить экологическую обстановку в регионе.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Храмцов, А.Г. Феномен молочной сыворотки: монография / А.Г. Храмцов. -Санкт-Петербург: Профессия, 2011. - 802 с.
2. Пономарев, А. Н. Применение молочной сыворотки в функциональном питании: монография / А.Н. Пономарев, Е.И. Мельникова, Е.В. Богданова. -Воронеж, 2013. - 180 с.
3. Косарев Э. Доля России в мировом рынке ЗЦМ / Э. Косарев. // Молокой корма.
- 2005. - №3(8). - С.20-23.
4. Кошелева Г. Новая система выращивания телят в Нидерландах / Г. Кошелева, Е. Ляховская // Животноводство России. - 2002. - № 3. - С.13.
5. Толкачев В. Растим телят с ЗЦМ Виталак /В. Толкачев, Л. Мазур // Животноводство России - 2006. - №9. - С.67-68.
6. Голубев, В.И. Отбор и характеристика дрожжей, активно сбраживающих лактозу / В.И. Голубев, Голубев Н.В. / Прикладная биохимия и микробиология
- 2004. - Т. 40. - №3. - С. 332-336.
7. Fonseca G.G., Heinzle E., Wittmann C, Gombert A.K. The yeast Kluyveromyces marxianus and its biotechnological potential // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008, 79 (3). - P. 339-354.
8. Яровой, С.А. Комплексное влияние инулина и молочной сыворотки на развитие дрожжей рода Saccharomyces / С.А. Яровой, Г.Г. Соколенко, В.В. Манешин, К.К. Полянский // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. - 2010. - № 4 (27). - С. 52-55.
9. Яровой С.А. Влияние инулина на активность дрожжей при сбраживании молочной сыворотки / С.А. Яровой, Г.Г. Соколенко, К.К. Полянский // Переработка молока. - 2010. - №7. - С. 58-59.
10. Ермаков, A.B. Методы биохимического исследования растений / A.B. Ермаков, В. В., Арасимович, Н. П. Ярош. - 3-е изд., доп. и перераб. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 430 с.
11. Починок, Х.М. Методы биохимического анализа / Х.М. Починок - Киев: Наукова думка, 1975. - 334 с.
12. Храмцов, А.Г. Технология продуктов из вторичного молочного сырья / А.Г. Храмцов и др.- СПб.: ГИОРД, 2009. - 424 с.
13. Залашко, М.В. Биотехнология переработки молочной сыворотки / М.В. Залашко. - М.: Агропромиздат, 1990. - С. 192.
14. Сенкевич Е., Ридель К.-Л. Молочная сыворотка: переработка и использование в агропромышленном комплексе.- М., «Агропромиздат,» 1989.
15. Соколенко, Г.Г. Дрожжесывороточный концентрат / Г.Г. Соколенко, К.К. Полянский, Д. А. Гуторов // Молочная промышленность. - 2008. - №12. - C. 6970.
16. Канарейкина,С.Г. Антибиотическая активность новых видов кисломолочных продуктов смешанного брожения [Текст] /С.Г. Канарейкина, Т.А. Кудрявцева, А,М. Махиянов // Вестника Башкирского государственного аграрного университета. -2012. -№2. -С. 74-76
