CC BY
14
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ДОБАВОК
© Садовой В.В.*, Веревкина Д.Ю.*
Ставропольский институт кооперации (филиал) Белгородского университета кооперации, экономики и права, г. Ставрополь Северо-Кавказский федеральный университет, г. Пятигорск
Осуществлено прогнозирование молекулярных характеристик и произведена оценка изменения количественного содержания биологически активных добавок лецитина, витаминов В1 и РР при использовании их в технологии мясопродуктов профилактической направленности для лиц страдающих сахарным диабетом.
Сахарный диабет справедливо называют «неинфекционной эпидемией 21 века». Количество людей, страдающих диабетом, среди различных групп населения в мире удваивается каждые 13-15 лет. Борьба с этим заболеванием в настоящее время является одной из важных проблем здравоохранения высокоразвитых и развивающихся стран.
При оценке витаминной обеспеченности больных диабетом выявлено, что в большинстве случаев обычная диета не компенсирует повышенные потребности организма этих больных в витаминах. На основе выполненного анализа отмечен особый недостаток витаминов В1 (0,42-0,55 мг/сут.), РР (4,46-5,26 мг/сут.) и лецитина (4-5 г/сут.).
Из учета нормы потребления животного белка установлено, что в проектируемую композицию необходимо внести витамины В1 в количестве 0,21-0,28 и РР 1,73-2,13 мг на 100 г продукта.
* Профессор, заведующий кафедрой Товароведения и технологии общественного питания Ставропольского института кооперации (филиала) Белгородского университета кооперации, экономики и права, доктор технических наук, доцент.
* Заведующий лабораторией кафедры Товароведения и технологии общественного питания Ставропольского института кооперации (филиала) Белгородского университета кооперации, экономики и права.
Одним из замечательных открытий было выявление физиологических свойств биологически активной добавки (БАД) лецитина. Он способствует снижению инсулиновых потребностей у диабетиков при регулярном приеме, предохраняет печень от жирового перерождения при диабете. Лецитин одновременно является основным компонентом клеточных мембран всего организма, важнейшим эмульгатором жиров, эффективным переносчиком и растворителем холестерина.
Исследования показали, что организм здорового человека синтезирует лишь 74 часть необходимого лецитина. Остальные 3/4 должны поступать с пищей [5]. По рекомендациям диетологов, современному здоровому человеку ежедневно необходимо не менее 5-6 г лецитина. Внутренние органы, недополучая необходимого по своим жизненным затратам питания, начинают перегружаться. Это ведет к повышенной «изнашиваемости» внутренних органов организма, что, в свою очередь приводит к плохому самочувствию, снижению общей работоспособности, а в совокупности - к более ранней и тяжелой заболеваемости внутренних органов и систем организма.
Витамины также принимают активное, а в ряде случаев ключевое участие в метаболическом контроле обмена углеводов, например витамин В1 участвует в активации транскетолазы, обезвреживающей токсичные продукты распада сахаров. В ряде случаев у больных сахарным диабетом отмечаются генетические отклонения в обмене витаминов, в частности, витамина РР. Поэтому нутрициологическая коррекция витаминного баланса является неотъемлемым компонентом реабилитации и профилактики осложнений сахарного диабета.
Изучение изменения молекулярных свойств лецитина, витаминов В1 и РР в процессе тепловой обработки вели в приложении Hyper Chem v.8 кван-тово-химическими, полуэмпирическими и молекулярно-динамическими методами.
Для установления количественного содержания витамина В1 до и после тепловой обработки использовали метод, основанный на определении интенсивности флюоресценции тиохрома, образующегося в процессе окисле-
ния тиамина в щелочной среде феррицианидом калия после проведения предварительного кислотного гидролиза. Определение витамина РР вели методом, основанным на образовании окрашенного производного глутаконового альдегида.
Лецитин определяли по количественному содержанию в нем фосфора. Для этого липидную фракцию из фарша и мясопродуктов экстрагировали спиртохлороформенной смесью. Фосфор определяли фотоколориметрическим вандатно-молибдатным методом с молибдатом аммония в присутствии молибденового синего с предварительным озолением.
Технология производства варенных колбасных изделий предусматривает термическую обработку мясопродуктов. Температура в центре батона по окончании варки составляет 72 °С [6]. Известно, что лецитин, витамины В1 и РР являются нестойкими к термической обработке, в связи с этим необходимо выполнить анализ возможности внесения в фарш этих компонентов.
Для оценки возможности разрушения структур молекул были исследованы исходные молекулярные свойства лецитина и витаминов В1 и РР, и их изменений при термической обработке.
На начальном этапе были созданы молекулярные структуры лецитина, витаминов В1 и РР и выполнена их геометрическая оптимизация с использованием методов молекулярной динамики и квантово-химических расчетов. На рис. 1 приведена структурная формула лецитина.
Рис. 1. Структурная молекула лецитина
Свидетельством корректности геометрической оптимизации являются расчетные характеристики полученных компонентов. Величина суммарной энергии исследуемых компонентов является достаточно малой (для лецитина --245735; для витамина В1 —696169; для витамина РР - -32707,9 ккал/моль), среднеквадратичные градиенты приближены к нулевому значению, соответственно (для лецитина - 0,04944; для витамина В1 - 0,0; для витамина РР -0,07565 ккал/(А*моль), что свидетельствует об эффективно выполненной процедуре минимизации потенциальной энергии и сбалансированности энергетических свойств системы. Величина дипольного момента соответственно (9,681; 5,285; 1,999 Дебая) характеризует неравномерность распределения электронной плотности.
Используя квантово-химические и полуэмпирические методы, исследована поверхность электростатического потенциала лецитина, витаминов В1 и РР. На рис. 2 приведена структура распределения электростатического потенциала молекулы лецитина.
Рис. 2. Распределение электростатического потенциала молекулы лецитина
Помимо отыскания минимумов на поверхности потенциальной энергии, соответствующих стабильным состояниям молекулярной системы, большое значение имеет исследование критических точек другого вида - седловых точек. В химической кинетике седловая точка на поверхности потенциальной энергии между областью состояний, соответствующей реагенту химической реакции (долиной реагентов), и областью стабильных состояний про-
дуктов химической реакции (долина продуктов) рассматривается с позиций теории переходного комплекса. Активированные комплексы, находящиеся в седловой точке на траектории химической реакции, не поддаются экспериментальному исследованию. Это связано с тем, что время жизни молекулярной системы в состоянии активированного комплекса чрезвычайно мало. Под действием тепловых флуктуации переходный комплекс распадается, и система с определенной вероятностью возвращается в состояние исходных веществ или в состояние, соответствующее стабильным продуктам реакции. Поэтому квантово-химический расчет является практически единственным источником информации о молекулярных системах в переходных состояниях. Разница в значениях потенциальной энергии в седловой точке и точке минимума, соответствующего исходным веществам, представляет собой энергию активации химической реакции, величина которой в рамках теории переходного комплекса позволяет оценить константу скорости химической реакции при заданной температуре.
Поскольку мясное сырье содержит большое количество воды, моделирование процесса термической обработки осуществляли, используя метод броуновской динамики. В броуновской динамике действие на изучаемую систему заменяется эффективными силами трения, действующими на каждый ее атом, и случайными силами. Случайные силы действуют с определенной частотой. В период времени между двумя последовательными случайными воздействиями атом движется под действием сил со стороны других атомов молекулы и силы трения. Эта система напоминает броуновское движение частицы микроскопических размеров в вязкой жидкости. Характер поведения частицы напоминает последовательность случайных толчков, в период между которыми частица движется под действием силы тяжести и силы трения со стороны жидкости. Отсюда происходит название метода моделирования - броуновская динамика. Другое название метода - ланжеве-новская динамика - происходит из названия математических уравнений, описывающих такое движение - уравнений Ланжевена [1, 2]. Для моделирования процесса термической обработки молекул в воде использовался модуль
Periodic boundary conditions (периодические граничные условия). Смысл периодических граничных условий в молекулярной динамике состоит в том, что с помощью данного метода решается проблема моделирования системы, включающей бесконечно большое число частиц жидкости. Вместо того, чтобы решать бесконечно большое число дифференциальных уравнений, соответствующих макроскопической системе, вводится ячейка периодичности, имеющая конечные размеры. На границах ячейки потенциалы взаимодействия и скорости атомов продолжаются периодическим образом. Это означает, что если в процессе интегрирования получается так, что одна из частиц системы выходит из ячейки периодичности, например, через правую границу, то одновременно с этим в ячейку добавляется тождественная ей частица, входящая с той же скоростью через левую границу ячейки. Поместим в Periodic boundary conditions молекулу лецитина, аналогично выполним компьютерное моделирование для молекул витаминов В1 и РР. Результаты геометрической оптимизации воды с молекулой лецитина представлены на рис. 3.
Рис. 3. Геометрическая оптимизация воды и лецитина в ячейке периодичности
Моделирование процесса тепловой обработке вели до стабилизации энергетического состояния молекулярной системы (рис. 4).
Полученные графические результаты (рис. 4) свидетельствуют о том, что при используемых режимах тепловой обработки потенциальная энергия
системы имеет стабильное значение, что свидетельствует о корректно выполненной процедуре моделирования технологического процесса.
Рис. 4. Анализ энергетического состояния при тепловой обработке лецитина в воде
Исследование молекулярных свойств лецитина, витаминов В1 и РР вели методами квантово-химическим, полуэмпирическим и с применением молекулярно-динамических расчетов (табл. 1).
Таблица 1
Изменения энергетического состояния лецитина, витаминов В1 и РР в процессе тепловой обработки
Показатели Энергия, ккал/моль
лецитин витамин В1 витамин РР
Энергия активации 432,2 323,9 18,0
Изменение энергетического состояния молекул при тепловой обработке 425,1 22,1 19,7
Данные табл. 1 свидетельствуют о том, что энергия активации молекулярной системы, равная разнице между энергией переходного состояния и энергией геометрической оптимизации, для витамина В1 и лецитина выше, чем изменения энергетического состояния этих молекул (432,2; 323,9 по сравнению 425,1; 22,1 ккал/моль соответственно), а для витамина РР низкая -
18,0 против 19,7 ккал/моль в процессе тепловой обработки. Следовательно, молекулы лецитина, витаминов В1 не переходят в возбужденное состояние и не изменяют своей структуры при тепловой обработке [4]. Однако использованные режимы могут привести к снижению количественного содержания витамина РР.
Компонентный состав мясопродуктов включает большое количество ингредиентов (жиры, белки, углеводы, минеральные вещества, витамины и др.), которые могут оказывать влияние на изменение энергетического состояния системы, поэтому необходимо выполнить экспериментальные исследования по изучению изменений, происходящих с лецитином, витаминами В1 и РР во время тепловой обработки колбасного изделия [3]. Данные исследований количественного содержания используемых в рецептуре БАД сведены в табл. 2.
Таблица 2
Исследования количественного содержания лецитина, витаминов
В1 и РР в мясопродуктах до и после тепловой обработки, q < 0,05
Исследуемые компоненты Фарш Готовый продукт
Количественное содержание
В1, мг/% 6,17 6,17
РР, мг/% 3,78 3,76
Лецитин, % 2,52 2,63
Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что изменение количественного содержания в продукте лецитина, витаминов В1 и РР не значительное и находится в пределах ошибки опыта, поэтому с заданной вероятностью можно утверждать, что данные режимы тепловой обработки не способствуют разрушению этих компонентов. Следует отметить, что расчетное количество лецитина, вводимое в фарш, составляет 3 кг на 100 кг основного сырья, но в экспериментальных исследованиях количественное содержание в фарше составляло 2,52 %, а в готовом продукте 2,63 %. По всей вероятности, это обусловлено увеличением выхода готовой продукции и наличием фосфоли-пидов в использованном сырье.
При изучении сывороточной активности маркерных ферментов крови лабораторных животных (крыс) установлено, что колбасные изделия не обладают токсическим действием на организм и не приводят к повышению цитолиза. Введение в рацион подопытным животным с искусственно вызванным диабетом мясопродуктов с рекомендуемыми БАДами способствовало снижению уровня глюкозы на 8,48 ммоль/л и увеличению относительного прироста живой массы по сравнению с группой животных, получавших только основной рацион.
Проведенные аналитические исследования и полученные экспериментальные данные подтвердили целесообразность использования витаминов В1, РР и лецитина при производстве функциональных мясопродуктов для лиц страдающих сахарным диабетом. Разработана и утверждена техническая документация на мясопродукты для профилактики сахарного диабета. Предложенные технологии апробированы в производственных условиях. Качество опытных партий продукции положительно оценено на предприятии.
Список литературы:
1. Forrest J. M., Menser M. A., Harley J. D. Diabetes mellitus and congenital rubella // Pediatrics 44. - 1969. - Р. 445-447.
2. Gray C.G., Gubbins K.E. Theory of Molecular Fluids. - Oxford: Clarendon Press. - 1984. - Vd. 1. - 626 p.
3. Моргунова А.В. Разработка технологии мясопродуктов с использованием кавитационно-дезинтегрированных систем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Северо-Кавказский государственный технический университет. - Ставрополь, 2012.
4. Пермяков А.В., Вобликова Т.В. Влияние гидродинамических и электрохимических параметров на процесс деминерализации растворов методом электродиализа // В сборнике: Современные технологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции. - 2013. - С. 114-117.
5. Трегубова Н.В., Борисенко Л.А., Исмаилов И.С. Современное состояние науки и практики в области технологии сохранения качества и безопас-
ности рыбной продукции // В сборнике: Актуальные проблемы развития общественного питания и пищевой промышленности Материалы международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов / Белгородский университет кооперации, экономики и права. - Белгород, 2014. - С. 450-460.
6. Якубова Э.В., Дрижд Н.А. Современные методы анализа и управления ассортиментом товаров. - Ставрополь, 2010.
