CC BY
27
УДК 637.238.2
Ковтун Ю.А., acnipaHT, [email protected] Рашевська Т.О., д. т. н., професор ©
Нацюналънийутверситет харчових технологт, м. Kuïe, Украгна
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ВОДОПОГЛИНАННЯ КОНЦЕНТРАТОМ СИРОВАТКОВИХ Б1ЛК1В ТА М1КРОСТРУКТУРИ
ЙОГО РОЗЧИНУ
Дослгджено водопоглинання порошком сироваткових быте. Наведено дат з тнетики просочування порошку быка при ргзних температурах. Выявлено, що температура i тривалктъ витримкирозчину быте впливаютъ на тнетику змочування та набухання ducnepciï. Встановлено технолог1чт режимы тдготовки розчину сироваткових быте для вироблення масляног пасти гепатопротекторного призначення. Мжроструктурт дослгдження показали, що структура розчину сироваткових быте Micmumb глобулярт високомолекулярт агрегати, що утворюютъся завдяки полярним зв'язкам. Встановлено, що наявтстъ зв'язтв двох munie обумовлюе обертання мономернихзв'язтв i гнучтстъ макроструктур, що дозволяе гм прииматиpi3Hi конформацп. Зм1нення конформацИ'макроструктур виникае в результатi змти eidhochoï ор1ентацп ланок внаслгдок ïx обертання навкруги xîmî4hux зв'язтв. В результатi конформацшних змт макромолекули можутъ набувати ргзног форми: лшиног (ланцюги), клубка i так дал1. Також було пом1чено, що cupoeamKoei быки завдяки притаманши гм властивост1 сприяютъ розчиненню лinoфiлънoï або ггдрофобног частини в неводти фаз1, а полярноï або ¿iдрофыъноï частини - в eodi, та попереджуютъ агрегацт i коалесценцт уже сформованих капель. А завдяки ¿iдрофобти частит здатт зв'язувати не водну фазу (ргдку фазу молочного жиру). Тобто вони здатт виконувати емулъгуючу дт, що дуже важливо при виробництв1 масляних паст.
Ключов1 слова: масляна паста, cupoeamKoei быки, мтроструктура, набухання, ггдрофобна частина, ¿iдрофыъна частина, глобули, агрегати, коалесценщя, агрегащя вологи.
УДК 637.238.2
Ковтун Ю.А., аспирант, Рашевськая Т.А., д. т. н., професор, Национальный Университет Пищевых Технологий, г. Киев, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ КОНЦЕНТРАТА СЫВОРОТОЧНЫХ БЕЛКОВ И МИКРОСТРУКТУРЫ
ЕГО РАСТВОРА
Исследовано водопоглощение порошком сывороточных белков. Приведены данные по кинетике просачивания порошка белка при различных температурах. Обнаружено, что температура и продолжительность выдержки раствора белков влияют на кинетику смачивания и набухания дисперсии. Установлены технологические режимы подготовки раствора сывороточных белков для производства масляной пасты
© Ковтун Ю.А., Рашевська Т.О., 2014
72
гепатопротекторного назначения. Микроструктурные исследования показали, что структура раствора сывороточных белков содержит глобулярные высокомолекулярные агрегаты, образующиеся благодаря полярным связям. Установлено, что наличие связей двух типов обусловливает вращения мономерных связей и гибкость макроструктур, что позволяет им принимать различные конформации. Изменение конформации макроструктур возникает в результате изменения относительной ориентации звеньев вследствие их вращения вокруг химических связей. В результате конформационных изменений макромолекулы могут приобретать различной формы: линейной (цепи), глобулярной и т.д. . Также было замечено, что сывороточные белки благодаря присущей им свойствам способствуют растворению липофильной или гидрофобной части в неводной фазе, а полярной или гидрофильной части - в воде, и предупреждают агрегацию и коалесценцию уже полученых капель. А благодаря гидрофобной части способны связывать не водную фазу ( жидкую фазу молочного жира). То есть они способны выполнять эмульгирующие свойства, что очень важно при производстве масляных паст.
Ключевые слова: масляная паста, сывороточные белки, микроструктура, набухание, гидрофобная часть, гидрофильная часть глобулы, агрегаты, коалесценция, агрегация влаги.
UDC 637.238.2
Kovtun, Y., graduate student, Rashevska T., dr. Sc. Sciences, Professor, National University of Food Technologies, Kyiv, Ukraine
RESEARCH PROCESS WATER ABSORPTION CONCENTRATE OF WHEY PROTEINS AND MICROSTRUCTURES ITS SOLUTION
Studied water absorption of whey protein powder. The data on the kinetics of protein powder impregnation at different temperatures. We found that the temperature and duration of exposure of protein solution affect the kinetics of wetting and swelling of the variance. The technological modes of preparation of the solution of whey proteins to produce butter paste hepatoprotective destination. Microstructural studies have shown that the structure of the solution of whey proteins containing globular macromolecular aggregates formed due to polar bonds. It was established that the presence of two types of connections causes rotation of monomeric links macro structures and flexibility, allowing them to take different conformations. Changing the conformation macrostructures resulting from changes in the relative orientation of parts as a result of rotation around chemical bonds. As a result of conformational changes in macromolecules can take different forms: linear (chain), coil and so on. It was also observed that serum proteins due to their inherent properties facilitate the dissolution of lipophilic or hydrophobic parts in a nonaqueous phase and a polar or hydrophilic part - in the water and prevent the aggregation and coalescence of drops already formed. And with the hydrophobic portion can bind non aqueous phase (liquid phase butterfat). That is, they are capable of performing emulsifying effect, which is important in the production of butter paste.
Key words: butter paste, whey proteins, micro structure, swelling of the hydrophobic, hydrophilic part globules, aggregates, coalescence, aggregation moisture.
73
Вступ. Останшм часом у свт зростае розумшня в необхщносп рацюнального збалансованого харчування, основу якого складають функцюнальш продукти. Так, як спостер1гаеться тенденщя до масового поширення захворювань оргашв травления, що в подальшому спричинюе масу шших хвороб.
Патолопя печшки займае провщне мюце серед хвороб оргашв травления. За даними ВООЗ, у свт понад 2 млрд. чоловж з патолопею печшки, що в 100 раз1в перевищуе поширешсть В1Л-шфекци. Щороку в крашах СНД рееструеться вщ 500 тис. до 1 млн. чоловж, яю страждають захворюваннями печшки. В Укра!ш ситуащя не краща \ постшно попршуеться, переважно за рахунок цирозу печшки, хрошчного в1русного гепатиту, жовчокам'яно! хворобн. За даннмн Центру медично! статистики Мшстерства охорони здоров'я Украши за 2011 рж, за останш 10 роюв показник захворювання печшки зрю на 28% \ складае на сьогодш 18 тисяч на 100 тисяч населения. Згщно з прогнозами, до 2015 року очшуеться збшьшення кшькост1 випадюв патологи печшки на 27%. На сьогодшшнш день ктотно збшьшився р1вень захворюваност1 на в1русш гепатити [1].
Актуальним постае питания профшактики \ лшування цих захворювань печшки. А особлива увага придшяеться профшактищ так, як лжарями вщзначаеться велика кшькють людей, що д1агностуються на тзнш стади захворювання або взагал1 живуть з патолопею, що на даному етат протжання не проявляеться, а в подальшому може викликати серйозш ускладнення.
Попередження та покращення ситуаци, що склалася, провщш медики св1ту вбачають у загальному та постшному оздоровленш населения планети. Особливо це стосуеться змш в харчуванш, а саме введения в рацюн продукт1в функцюнального призначення, що володшть гепатопротекторними властивостями.
В ушверситет1 започатковано напрямок створення функцюнальних вид1в вершкового масла та масляних паст на його основг Для розширення асортименту масляних паст пол1функцюнального призначення було розроблено рецептуру масляно! пасти з комплексом натуральних бюлопчно активних пол1функцюнальних добавок, у тому числ1 бшки сироватки. 1х використання при створенш продукпв нового поколшня буде сприяти створенню умов для повноцшного харчування та покращенню здоров'я населения [2].
Сироватков1 бшки широко використовують у виробництв1 лшувально-профшактичних продукт1в, фармакологи та медицин!. Бшки молочно! сироватки (лактальбумш, лактоглобулш { ¿муноглобулш) мають найвищу швидккть розщеплення серед вЫх бшюв. Концентращя амшокислот { пептид1в в кров1 р1зко зростае вже на протяз1 першо! години теля споживання 1х з !жею. Кр1м того, майже 14% бшюв молочно! сироватки знаходиться у вигляд1 продукт1в гщрол1зу (амшокислот, ди-, три- I полшептид1в), яю являються стимуляторами травления I беруть участь в синтез! бшьшост1 життево важливих гормошв. Також бшки молочно! сироватки значно знижують р1вень холестерину в кровг Ще одна перевага сироваткового протешу - бюактивш пептиди. Наприклад, лактоферин (один з активних пептид1в сироваткового бшка), зв'язуеться з зал1зом, яке необхщно бактер1ям для зростання. Позбавляючи 1х зал1за, лактоферин сприяе антимжробнш ди. Кр1м того, лактоферин гальмуе абсорбцш бактерш, перешкоджаючи 1х проникненню в
74
стшки шлунково - кишкового тракту. 1муноглобулши та шш1 бюактивш пептиди можуть пригальмувати ослабления ¿мунно! системи, що часто наступав внаслщок перевтоми { стрешв. У цьому свою роль грае I глютамш [3].
Одна з найважливших функцюнальних властивостей сироваткових бшюв е 1х гепатопратикторна д1я. В даний час використання сироваткового протешу в якост1 джерела амшокислот I його корисно! дп на оргашзм при хворобах печшки являеться об'ектом багатьох дослщжень. Сироватковий протеш являеться джерелом розгалужених амшокислот, яю стимулюють синтез бшка. А також джерелом надходження в оргашзм амшокислот цистешу, метюншу I глутамшу з яких в оргашзм1 синтезуеться глутатюн. Глутатюн являеться антиоксидантом, який захищае оргашзм вщ вшьних радикал1в, токсишв та здшснюе гепатопротекторну дш, захищаючи печшку вщ в1руЫв, токсишв I нормал1зуе И бшковий обмш. Секрет його сили полягае в наявност1 Ырковмкних груп. С1рка е дуже клейкою речовиною, I до И молекул прилипае все см1ття, що мштиться в нашому тш, в тому числ1 вшьш радикали, токсини I важю метали [4]. Глутатюн е одним з найпотужшших антиоксиданив, основним знешкоджувачем вшьних радикал1в в кл1тинах. Вш е ключовою ланкою трьох антиоксидантних систем оргашзму з наявних чотирьох. У антиоксидантну систему глутатюну входять три глутатюнзалежш ферменти: глутатюнпероксидаза, глутатюнредуктаза 1 глутатюнтрансфераза. Глутатюнтрансферази катал1зуе реакци знешкодження вшьних радикал1в, як1 проходять за участю глутатюну; глутатюнпероксидаза вщновлюе окислен! воднев1 молекули, а також лшщш та шш1 оргашчш молекули, окислен! радикалами кисню; глутатюнредуктаза вщновлюе сам глутатюн. У вс1х цих ферментних реакщях глутатюн виступае в якост1 коферменту та центрального гравця. Вщновлений (GSH) глутатюн волод1е власною антиоксидантною актившстю. Головна антиоксидантна роль глутатюну полягае в захист1 кл1тин печшки, в першу чергу л1мфоцит1в. У боротьб1 з шюдливими мкрооргашзмами I токсинами головною зброею ¿мунних кл1тин е т1 ж вшьш радикали, тому вони потребують власного захисту. А якщо глутатюну недостатньо, гепатоцити можуть сам1 загинути [5].
Таким чином, завдяки цшним бюлопчним властивостям сироватков1 бшки вщносяться до незамшних речовин для використання у виробництв1 харчових продукт1в профшактичного I л1кувального призначення. Желеутворююч1, емульгуюч1, шноутворююч1 та комплексоутворювальш властивост1 сироваткових бшюв обумовлюють широке використання його у харчовш промисл овост1.
Анал1з л1тературних даних I вивчення бшюв в поеднанш з складовими масляно! пасти за органолептичною оцшкою дослщних зразюв масла показали доцшьшсть використання сироваткових бшюв для виробництва масляно! пасти функцюнального призначення, та внесения концентрату сироваткових бшюв у вигляд1 розчину.
Матер1али 1 методи дослщження. Об'ектом дослщження були сухий концентрат сироваткових бшюв, отриманий способом ультрафшьтраци (КСБ-80) та низькотемпературно! сушки I його водш розчини.
Пщготовка розчину сироваткових бшюв до внесения в продукт включае процеси змочування, просочування I набухания. Вивчали властивост1 бшюв, як1 впливають на технолопчний процес виробництва масляно! пасти, а саме: набухания сироваткових бшюв та мжроструктуру 1х розчину. Вивчали вплив
75
температури на юнетику змочування та просочування водою дисперси порошку концентрату сироватков1х бшюв. Методика заснована на вим!рюванш об'ему води, який поглинае порошок у процес! набухания, !х величину визначали по зменшенню рщини у вим1рювальнш частиш приладу, що з'еднана з дослщжуваним зразком. Фжсували зменшення об'ему та час вщлжу. Дослщження проводили при р1зних температурах в штервал! 20...85°С до постшних показниюв приладу.
Результата дослщжень. Технолопчний процес виробництва масляно! пасти з внесениям сироваткових бшюв пов'язаний ¿з його взаемод1ею з водною фазою. Взаемод1я рщин з матер1алами здатними И зв'язувати, яким е сухий концентрат сироваткових бшюв, базуеться на поглинанш ним водно! фази, що починаеться з1 змочування твердих тш, розтжання рщини по поверхш контакту, теля чого проходить набухания. Яке пов'язане з здатшстю гщрофшьно! частини сироваткових бшюв зв'язувати водну фазу. Змочування поверхш е необхщною умовою самочинного просочування пористих тш пщ д1ею капшярних сил.
Щоб практично визначити технолопчш параметри п1дготовки порошк1в для внесения в продукт важливим показником е к1нетика його набухания, яка характеризуемся к1льк1стю р1дини, що просочилась у дисперсш досл1джуваного порошку за певний час. Щ дан1 важлив1 для оцшки швидкост1 адсорбц1йних процес1в, що вщбуваються в складн1й сум1ш1 водно! фази та оргашчних речовин, як! мютить дисперсна система порошку сироваткових бшюв, а також процес!в поглинання ним р!дини. Досл!джували процес водопоглинення. Порошок сироваткових б!лк!в можна вщнести до системи тверде т!ло - газ. У ньому твердим тшом е основна речовина порошку: бшок, м!неральн! та ¿нш! речовини, а рщиною - вода. Порошок мютить невелику к!льк!сть води, до 5%. Бшьша частина води знаходиться у зв'язаному стан! ! !! можна вважати дискретною фазою. Газ у порошку заповнюе кап!ляри, м!кро-! нанопори та тр!щини всередин! сухих частинок. На основ! викладеного порошок сироваткових бшюв вщноситься до системи "тверде тшо". Взаемод!я дисперсних систем "тверде тшо" з р!диною супроводжуеться розчиненням в н!й частинок твердого тша ! газу, вит!сненням ¿з систем надлишку газ!в, набуханн!! вщновленш твердих частинок порошку.
3 л!тературних джерел в!домо, що кап!лярне просочування дисперсних матер!ал!в зал ежить в!д температури [6], тому дослщження проводили при р!зних температурах в ¿нтервал! 20...85°С. Результати досл!джень показали, що оптимальш температури набухания б!лк!в знаходяться в штервал! 40.65°С з витримкою при цих температурах 30.45 хв.
Макроструктуру розчину сироваткових б!лк!в вивчали методом оптично! м!кроскоп!!. Для досл!дження готували м!кроскоп!чн! препарати: на предметне скло наносили розчин б!лк!в, зверху його накривали покривним склом. П!дготовлен! препарати вивчали пщ м!кроскопом, характерн! поля зору фотографували. Для приготування розчину сироваткових бшюв вносили у воду температурою 40...65°С, перемшували ! витримували 30.45 хв. 1з них готували мжропрепарати, як! досл!джувати при 20°С.
Результати проведених нами м!кроструктурних дослщжень не т!льки виявили утворення високомолекулярних агрегат!в сироваткових б!лк!в (м!цели яких мають розм!р не менше 1 мкм) у водних розчинах, а й м!кроструктуру цих агрегат!в. Що являють собою сферичн! агломерати розчинних сироваткових
76
бшюв, яю знаходяться у нативному сташ. На зшмках (рис. 1) видно, що високомолекулярш агрегати мають глобулярну структуру. Також спостер1гаеться, що сироватков1 бшки, на поверхш, мають полярш частини (2) за рахунок яких \ утворюються зв'язки м1ж мщелами та пол1 глобулярш структури.
Рис. 1. Мжроструктура сироваткових бшк1в: А - мжроструктура порошку концентрату сироваткових бшюв, Б - субмщела, В - мщели глобулярш агрегати) в водному розчиш, Г- мщели сироваткових бшюв в водному розчиш зафарбоваш метиленовим сишм, 1 - гщрофобне ядро, 2 -полярш зв'язки, 3 - волога зв'язана гщрофшьною частиною сироваткових бшюв
Вщомо, що юнують зв'язки двох тишв: перший х1м1чний \ другий - м1ж ланцюгами макромолекул або окремими 1х фрагментами, що обумовлеш внутршньо молекулярною взаемод1ею за рахунок сил Ван-дер-Ваальса водневих зв'язюв \ електростатичних сил. Енерпя цих зв'язюв у 10...100 раз1в нижча енерги х1м1чних зв'язюв [7]. Наявшсть зв'язюв двох тишв обумовлюе обертання мономерних зв'язюв \ гнучкють макроструктур, що дозволяе 1м приймати р1зш конформацп. Змшення конформацп макроструктур виникае в результат! змши вщносно! ор1ентаци ланок внаслщок 1х обертання навкруги х1м1чних зв'язк1в. В результат! конформацшних змш макромолекули можуть набувати р1зно! форми: лшшно! (ланцюги), клубка \ так далг Також було виявлено, що сироватков1 бшки завдяки притаманнш 1м властивост1 сприяють
77
розчиненню лшофшьно! або гщрофобно! частини (1) в неводнш фаз1, а полярно! або гщрофшьно! частини (3) - в водг Тобто вказаш властивост1 полегшують емульгування одше! фази в шшш. В доповненш до цього, сироватков1 бшки попереджують також агрегацш i коалесценцш уже сформованих капель.
Висновки. За результатами дослщжень процеЫв водопоглинання порошком сироваткових бшюв встановлено режим пщготовки його розчину для використання в технолопчному процес1 виробництва масляно! пасти гепатопротекторного призначення.
Мжроструктурш дослщження показали, що структура розчину сироваткових бшюв мютить глобулярш високомолекулярш агрегати, що утворюються завдяки полярним зв'язкам. Було пом1чено, що сироватков1 бшки завдяки сво1Й гщрофшьнш частиш здатш зв'язувати вологу та попереджують агрегацш i коалесценцш уже сформованих капель. А завдяки гщрофобнш частин1 здатн1 зв'язувати не водну фазу (р1дку фазу молочного жиру). Тобто вони здатш виконувати емульгуючу д1ю, що дуже важливо при виробництв1 масляних паст. Так, як масляш пасти м1стять велику к1льк1сть плазми (до 47 %), а отже природн1 емульгуюч1 властивост1 сироваткових 61лк1в здатн1 покращити реолопчш показники масляно! пасти.
Л1тература
1. Офщшний сайт М1н1стерства охорони здоров'я Укра!ни -www.moz.gov.ua.
2. Белкин В. Г. Современные тенденции в области разработки функциональных продуктов питания / В. Г. Белкин // Масла и жиры. - 2010. - N 7-8. - С.20-22.
3. Zemel M.B. Functional properties of whey, whey components, and essential amino acids: mechanisms underlying health benefits for active people (review) // J Nutr Biochem. - 2003. - P. 251-258
4. Gill H.S., Rutherford K.J., Cross M.L. Bovine milk: a unique source of immunomodulatory ingredients for functional foods // Buttriss J, Saltmarsh M, eds. Functional Foods II - Claims and Evidence. Cambridge, England: Royal Society of Chemistry Press. - 2000. - P.82-90.
5. Taylor Y.C. Elevation of intracellular glutathionelevels following depletion and its relationship to protection against radiation and alkylating agents // Pharmacol. Ther. - 1988. - P. 293-299
6. Боровский, В.P. Влияние поверхностно-активных веществ на равновесное состояние коллоидных капилярно-пористых тел [Текст] / В.Р. Боровский, Ч.П. Быкова // Тепло и массообмен в химической технологии. - К.: Наук. думка, 1976. - С. 94-101
7. Зимон, А.Д.. Коллоидная химия [Текст] : 5-е изд., доп. и исправл. / А Д. Зимон.- М.: Агар.- 2007. - 344 с.
Рецензент - д.с.-г.н., професор Цюарик О.Й.
78
