CC BY
7УДК 637.146.14:637.344
Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Нестеренко П. Г. Khramtsov A. G., Lodygin A. D., Nesterenko P. G.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕБИОТИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАТОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМ АМИНОКИСЛОТНЫМ СОСТАВОМ
THEORETICAL AND PRACTICAL ASPECTS OF PREBIOTIC CONCENTRATES WITH ADJUSTED AMINO ACID COMPOSITION RECEPTION
Рассмотрены современные тенденции производства продуктов на основе белков молочной сыворотки и их ги-дролизатов. Обоснована актуальность применения гидролиза белков молока в технологии пребиотических концентратов. Изучена динамика гидролиза сывороточных белков в процессе изомеризации лактозы в лактулозу. Установлены закономерности ферментативного гидролиза белков в электроактивированном ретентате подсырной сыворотки.
Ключевые слова: сывороточные белки, химический и ферментативный гидролиз, гидролизаты белков, пребиоти-ческие концентраты.
Contemporary trends of whey protein products and hydro-lysates manufacturing are observed. The relevance of whey proteins hydrolysis implementation in the technology of prebi-otic concentrates is validated. The dynamics of whey proteins hydrolysis while lactose into lactulose isomerization process is studied. Regulations of whey proteins enzymatic hydrolysis in cheese whey retentate, treated by electrochemical activation method, are established.
Key words: whey proteins, chemical and enzymatic hydrolysis, whey protein hydrolysates, prebiotic concentrates.
Храмцов Андрей Георгиевич -
академик РАН, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры прикладной биотехнологии
Северо-Кавказский федеральный университет г. Ставрополь Тел.: 8(8652) 33-03-18 E-mail: akhramtcov@ncfu.ru
Лодыгин Алексей Дмитриевич -
доктор технических наук, заведующий кафедрой
прикладной биотехнологии
Северо-Кавказский федеральный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8 (8652) 33-08-49
E-mail: allodygin@yandex.ru
Нестеренко Павел Григорьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры технологии мяса и консервирования Северо-Кавказский федеральный университет г. Ставрополь Тел.: 8 (8652) 77-95-89
Khramtsov Andrei Georgievich -
Full member (academician) of the Russian Academy of Sciences (RAS), Doctor of technical Sciences, Professor of Applied Biotechnology Department North Caucasus Federal University Stavropol
Tel.: 8 (8652) 33-03-18 E-mail: akhramtcov@ncfu.ru
Lodygin Aleksei Dmitrievich -
Doctor of technical Sciences, Head of Applied Biotechnology Department North Caucasus Federal University Stavropol
Tel.: 8(8652) 33-08-49 E-mail: allodygin@yandex.ru
Nesterenko Pavel Grigorievich -
Doctor of Sciences, Professor of Meat and Tinned Products Technology Department North Caucasus Federal University Stavropol
Tel.: 8(8652) 77-95-89
В настоящее время выделяют три основных направления использования вторичного молочного сырья, соответствующие различным уровням техники и технологии его переработки [14]:
- продукты с полным использованием сухих веществ (напитки, сгущенные и сухие концентраты);
- продукты на основе отдельных компонентов (молочный сахар, казеин и казеинаты, концентраты сывороточных белков, под-сырные сливки);
- производные компонентов молочного сырья (продукты гидролиза и биотрансформации белков молока, гидролизаты и дериваты лактозы).
На кафедре прикладной биотехнологии ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федераль-
ный университет» разработана концепция получения пребиотических концентратов с регулируемым углеводным, аминокислотным и минеральным составом, основанная на использовании методов глубокого фракционирования молочной сыворотки и обезжиренного молока баро- и электромембранными методами, направленной химической и биологической трансформации лактозы и белков молока [7, 15].
Выделение белкового комплекса из обезжиренного молока, молочной сыворотки и их смесей, изолирование отдельных фракций сывороточных белков, поли- и олигопептидных фрагментов способствует комплексному решению проблемы управляемого обогащения концентратов молочной сыворотки незаменимыми нутриентами с целью оптимизации показателей
в
Агроинженерия
39
пищевой и биологической ценности, амплификации пребиотических свойств.
Получение продуктов на основе отдельных компонентов вторичного молочного сырья традиционно основывается на методах центробежного разделения, коагуляции, кристаллизации [1]. Реальной альтернативой в настоящее время являются мембранные технологии. Примерами их успешного и масштабированного в условиях крупнотоннажного производства применения являются технологии получения на-тивных концентратов сывороточных белков и казеиново-альбуминовых концентратов (ультрафильтрация / диафильтрация), концентратов натурального казеина (безмембранный осмос с использованием полисахаридов). Данное направление реализовано на системном уровне научной школой под руководством член-корреспондента РАН, профессора В. В. Молоч-никова [4, 8, 9].
При рассмотрении ассортимента продуктов на основе отдельных компонентов молочной сыворотки следует отметить, что получение концентратов сывороточных белков является наименее проработанным направлением. К инновационным приоритетам относятся концентраты и изоляты сывороточных белков, а также их отдельных фракций, получаемые на принципах молекулярно-ситовой фильтрации (ультра- и нанофильтрация, гель-хроматография, безмембранный осмос) с возможной биотрансформацией и модификацией получаемых биокластеров.
Традиционные промышленные способы получения концентратов молочных белков с регулируемым уровнем протеолиза основаны на направленном ферментативном гидролизе казеина и/или сывороточных белков молока [11, 13]. Биологически полноценные гидролизаты молочного белка получают путем применения комбинаций протеаз животного происхождения и препаратов микробного синтеза, в частности панкреатина и протослубина [5].
Применительно к проблематике получения производных компонентов молочной сыворотки можно выделить две группы продуктов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом [2, 7]:
- пребиотические (бифидогенные) концентраты с лактулозой, обогащенные гидро-лизатами сывороточных белков;
- концентраты молочной сыворотки с регулируемым уровнем гидролиза лактозы и протеолиза.
Применение процесса гидролиза сывороточных белков в технологии пребиотических концентратов, обогащенных лактулозой, обусловлено возможностью оптимизации их состава по источникам азотного питания, доступным для бифидобактерий. Биотрансформация сывороточных белков открывает новые возможности совершенствования технологии и физиологически функциональных свойств би-фидогенных углеводных концентратов. Это об-
условлено следующими теоретическими предпосылками [7]:
- совместимость технологических процессов изомеризации лактозы в лактулозу по механизму L-A трансформации и ферментативного гидролиза сывороточных белков с использованием препаратов щелочных протеаз;
- усиление пребиотического эффекта за счет синэргетического действия бифидо-генных олигосахаридов и гидролизатов сывороточных белков на пробиотические микроорганизмы.
Управляемое обогащение бифидогенных концентратов гидролизатами сывороточных белков в настоящее время реализуется по двум направлениям [3, 6]:
- оптимизация параметров процесса изомеризации лактозы в лактулозу по механизму L-A трансформации (температура, рН, продолжительность процесса, метод регулирования рН) с целью достижения заданного уровня щелочного гидролиза сывороточных белков;
- создание композиций на основе молочной сыворотки с лактозой, частично изо-меризованной в лактулозу, и энзиматиче-ских гидролизатов сывороточных белков, выделяемых методом ультрафильтрации.
Для получения гидролизатов сывороточных белков возможно использование натуральной несоленой подсырной сыворотки. Также благоприятной средой для проведения гидролиза сывороточных белков являются нетрадиционные виды молочного белково-углеводного сырья, а именно концентрат, полученный методом ультрафильтрации подсырной сыворотки.
При получении сиропов и концентратов лактулозы наиболее распространенным методом трансформации лактозы является ее щелочная изомеризация. Технологические параметры изомеризации лактозы в лактулозу в молочном белково-углеводном сырье (температура 70-90 оС, рН 10,0-11,0) способствуют протеканию химического гидролиза сывороточных белков, что способствует увеличению «внешней» бифидогенности получаемых концентратов [12].
Таким образом, представляется возможным совмещение процессов изомеризации лактозы в лактулозу и гидролиза сывороточных белков при использовании в качестве исходного сырья подсырной сыворотки. Данный процесс может быть реализован в технологии сгущенных и сухих бифидогенных концентратов для детского и диетического питания. Значительный интерес представляет возможность регулирования пищевой и биологической ценности бифидо-генных концентратов за счет обогащения ферментативными гидролизатами сывороточных белков.
При разработке инновационной технологии получения ферментативных гидролизатов сы-
вороточных белков рекомендуется использование процесса электрохимической активации с целью регулирования рН субстрата - жидкого концентрата сывороточных белков, снижения энергии активации процесса ферментативного катализа, повышения выхода продуктов проте-олиза и сокращения расхода ферментного препарата.
Ферментативный гидролиз сывороточных белков был изучен применительно к технологии получения следующих групп продуктов [2, 7, 10]:
- белковых концентратов на основе ультраконцентрата (ретентата) молочной сыворотки с регулируемым уровнем протеоли-за;
- комплексных продуктов гидролиза лактозы и белков вторичного молочного сырья на основе технологических фракций, получаемых при его мембранном фракционировании;
- бифидогенных концентратов с усовершенствованными пребиотическими свойствами, обогащенных незаменимыми ну-триентами.
С целью изучения влияния режимов изомеризации лактозы на глубину гидролиза белков молочной сыворотки была реализована серия экспериментов с использованием в качестве объекта исследований натуральной творожной сыворотки. Процесс изомеризации лактозы в лактулозу осуществлялся при температурах 75, 80 и 85 °С и значениях рН на уровне (10,8 ± 0,1).
На рисунке 1 представлены графические и математические модели, иллюстрирующие закономерности образования продуктов щелочного гидролиза сывороточных белков в процессе изомеризации лактозы в лактулозу.
Анализ экспериментальных данных показывает, что максимальная степень щелочного гидролиза сывороточных белков достигается на уровне (37,5-39) % в интервале темпера-
тур (80-85) °С и продолжительности термоста-тирования (22-26) минут. Снижение концентрации аминного азота и степени гидролиза белков творожной сыворотки при термостати-ровании в течение (30-40) минут объясняется взаимодействием продуктов реакции с редуцирующими углеводами по механизму реакции Майара, что подтверждается снижением концентрации лактулозы и увеличением оптической плотности.
Таким образом, для обеспечения эффективного гидролиза сывороточных белков и высокого выхода лактулозы при изомеризации лактозы в творожной сыворотке необходимо лимитировать продолжительность термостатирования при температуре (80-85) °С. Методы определения аминного азота и оптической плотности могут быть рекомендованы для оперативного контроля накопления побочных продуктов изомеризации лактозы в лактулозу.
При изучении закономерностей ферментативного гидролиза сывороточных белков под действием препарата панкреатина в качестве объекта исследований использовался ретен-тат молочной сыворотки, полученный методом ультрафильтрации. Ретентат подсырной сыворотки подвергался электрохимической активации на лабораторной установке до достижения заданных значений рН в интервале от 7,5 до 9,5. Ферментный препарат вводился после установления значений рН и температуры субстрата. Ферментация осуществлялась при температуре 50 °С. Эффективность гидролиза оценивалась по нарастанию аминного азота в исследуемых образцах по сравнению с контролем - ретентатом подсырной сыворотки, подвергнутым электрохимической активации (рисунок 2) [2].
Математические модели, описывающие закономерности ферментативного гидролиза белков в ретентате подсырной сыворотки, подвергнутом электрохимической активации, приведены в таблице 1.
Продолжительность, мин.
Рисунок 1 - Динамика изменения степени гидролиза сывороточных белков в процессе изомеризации лактозы в творожной сыворотке при температурах: 1 - 75 °С, 2 - 80 °С, 3 - 85 °С
Продолжительность ферментации, ч
Рисунок 2 - Динамика изменения степени гидролиза белка под действием панкреатина в электроактивированном ретентате подсырной сыворотки при рН среды: 1 - 7,5; 2 - 8,0, 3 - 8,5; 4 - 9,0; 5 - 9,5
в
естник АПК
41
Таблица 1 - Кинетические модели зависимости степени ферментативного гидролиза белков в ретентате подсырной сыворотки от продолжительности ферментации при постоянных значениях рН
рН субстрата Кинетическое уравнение, достоверность аппроксимации Номер формулы
7,5 y = -0,0691x3 + 1,6782x2 - 5,8995x + 9,3071, R2 = 0,9943 (5.1)
8,0 y = -0,0595x3 + 1,4548x2 - 3,8394x + 6,9143, R2 = 0,9963 (5.2)
8,5 y = -0,0531x3 + 1,1884x2 - 0,2833x + 4,6714, R2 = 0,9961 (5.3)
9,0 y = -0,0445x3 + 0,8844x2 + 2,5874x + 0,4571, R2 = 0,9994 (5.4)
9,5 y = -0,0627x3 + 1,3844x2 - 1,947x + 7,0643, R2 = 0,9987 (5.5)
Анализ экспериментальных данных показы- ферментации (6-12) часов. Максимальные для
вает, что при варьировании рН ретентата молоч- каждого значения степени гидролиза белка при
ной сыворотки в изученном интервале макси- постоянных значениях рН ретентата достигают-
мальные значения концентрации аминного азота ся в интервале (14-16) часов от момента ино-
и степени гидролиза белка достигаются в диапа- куляции субстрата. В целом результаты рас-
зоне значений (8,5-9,0). При дальнейшем уве- смотренной серии экспериментов подтвердили
личении рН субстрата наблюдается частичная эффективность использования метода элек-
инактивация протеолитических ферментов, вхо- трохимической активации ретентата молочной
дящих в состав препарата панкреатина. сыворотки при получении концентратов сыво-
Наиболее интенсивное нарастание аминно- роточных белков с регулируемым уровнем про-
го азота наблюдается при продолжительности теолиза.
Литература
1. Альтернативные варианты переработки молочной сыворотки / А. Г. Храмцов, П. Г. Нестеренко, И. А. Евдокимов [и др.] // Молочная промышленность. 2014. № 11. С. 44-48.
2. Донской Н. С. Разработка ресурсосберегающей биотехнологии концентратов молочной сыворотки с регулируемым углеводным и аминокислотным составом : дис.... канд. техн. наук: 05.18.04, 05.18.07 / Донской Никита Сергеевич. Ставрополь : СевероКавказский государственный технический университет, 2010. 123 с.
3. Инновационные технологии продуктов на основе биокластеров молочной сыворотки : учебное пособие / А. Д. Лодыгин, А. Г. Храмцов, Д. Н. Лодыгин [и др.]. Ставрополь : СевКавГТУ, 2010. 143 с.
4. Концентраты белков молока: выделение и применение / В. И. Трухачев, В. В. Молочников, Т. А. Орлова, Р. И. Раманаускас. Ставрополь : АГРУС, 2009. 152 с.
5. Ксеназ М. В. Применение протеиназ для усвояемости пищевых белков // Известия вузов. Пищевая технология. 2002. № 1 С. 52-55.
6. Лодыгин А. Д., Храмцов А. Г., Донской Н. С. Методы гидролиза сывороточных белков молока // Сб. науч. тр. / Сев-КавГТУ. Серия «Продовольствие». 2010. № 6. С. 19-21.
7. Лодыгин А. Д. Разработка инновационных технологии пребиотических концентратов на основе вторичного молочного сырья : дис.. д-ра техн. наук: 05.18.04 / Ло-
References
1. Alternative conceptions of whey processing / A. G. Khramtsov, P. G. Nesterenko, I. A. Ev-dokimov // Dairy Industry. - 2014. - № 11. -p. 44-48.
2. Donskoy, N. S. Development of resource-recovery biotechnology of whey concentrates with adjusted carbohydrate and amino acid composition / PhD Thesis: 05.18.04, 05.18.07 / Donskoy Nikita Sergeevich. -Stavropol: North-Caucasus state technical university, 2010. - 123 p.
3. Innovative technologies of products on the base of whey bioclusters (handbook) / A. D. Lodygin, A. G. Khramtsov, D. N. Lodygin et. al. - Stavropol: NCSTU, 2010. - 143 p.
4. Dairy protein concentrates: recovery and application / V. I. Trukhachev, V. V. Molochnik-ov, T. A. Orlova, R. I. Ramanauskas. - Stavropol: AGRUS, 2009. - 152 p.
5. Ksenaz M. V. Application of proteinases for food proteins utilization / M. V. Ksenaz // News of Higher Educational Institutions. Food Technology. - 2002. -№ 1 - p. 52-55.
6. Lodygin, A. D. Methods of whey proteins hydrolysis / A. D. Lodygin, A. G. Khramtsov, N. S. Donskoy // Proceedings of NCSTU. Series "Foodstuffs", No 6, Stavropol: NCSTU, 2010. - p. 19-21.
7. Lodygin, A. D. Development of innovative technology of prebiotic concentrates on the base of secondary dairy raw materials / Doctoral Thesis: 05.18.04 / Lodygin Aleksei Dmi-trievich. - Stavropol: North-Caucasus state technical university, 2012. - 333 p.
дыгин Алексей Дмитриевич. Ставрополь : Северо-Кавказский государственный технический университет, 2012. 333 с.
8. Концентрат натурального казеина / В. В. Молочников, Т. А. Орлова, Л. А. Остроухо-ва [и др.] // Молочная промышленность. 2008. № 12. С. 57-58.
9. Молочников В. В., Орлова Т. А., Суюнчев О. А. Переработка молочного сырья с применением полисахаридов по технологии «Био-Тон» // Пищевая промышленность. 1996. № 5. С. 34-35.
10. Пономарев В. А. Разработка технологии пищевого пребиотического концентрата из вторичного молочного сырья : дис.... канд. техн. наук: 05.18.04 / Пономарев Владислав Алексеевич. Ставрополь : СевероКавказский федерльный университет, 2013. 120 с.
11. Просеков А. Ю., Бабич О. О. Особенности получения смеси аминокислот из белков молочной сыворотки // Актуальные проблемы техники и технологии переработки молока : сб. науч. тр. с международным участием / Сибирский НИИ сыроделия СО РАСХН. Барнаул, 2008. Вып. 5. С. 161165.
12. Рябцева С. А. Технология лактулозы. М. : ДеЛи принт, 2003. 232 с.
13. Свириденко Ю. Я., Абрамов Д. В., Свири-денко Г. М. Гидролизаты термокоагули-рованных белков молочной сыворотки // Молочная промышленность. 2006. № 6. С. 66.
14. Храмцов А. Г. Феномен молочной сыворотки. СПб. : Профессия, 2011. 804 с.
15. Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д. Биотрансформация нанокластеров молочной сыворотки. Ставрополь : СевКавГТУ, 2010. 106 с.
8. Molochnikov, V. V. Native casein concentrates / V. V. Molochnikov, T. A. Orlo-va, L. A. Ostroukhova // Dairy Industry. -2008. - № 12. - p. 57 - 58.
9. Molochnikov, V. V. Переработка молочного сырья с применением полисахаридов по технологии «Био-Тон» / V. V. Molochnikov, T. A. Orlova, O. A. Suyunchev // Food Industry. - 1996. - № 5. - p. 34 - 35.
10. Ponomarev, V. A. Development of technology of food prebiotic concentrate from secondary dairy raw materials / PhD Thesis: 05.18.04 / Ponomarev Vladislav Alekseevich. - Stavropol: North-Caucasus federal university, 2013. - 120 p.
11. Prosekov, A. Yu. Peculiarities of amino acid mixture from whey proteins reception / A. Yu. Prosekov, O. O. Babich // Topical issues of milk processing technique and technology: collection of scientific articles. Issue 5. - Barnaul: Siberian Scientific-Research Institute of Cheesemaking, 2008. - p. 161165.
12. Ryabtseva, S. A. Lactulose technology / S. A. Ryabtseva. - Moscow : DeLi print, 2003. - 232 p.
13. Sviridenko, Yu. Ya. Hydrolysates of thermo-coagulated whey proteins / Yu. Ya. Sviridenko, D. V. Abramov, G. M. Sviridenko // Dairy Industry. - 2006. - № 6. - p. 66.
14. Khramtsov, A. G. Phenomenon of Whey / A. G. Khramtsov. - Saint Petersburg: Profession, 2011. - 804 p.
15. Khramtsov, A. G. Biotransformation of whey nanoclusters / A. G. Khramtsov, A. D. Lody-gin. - Stavropol : NCSTU, 2010. - 106 p.
