Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПРОДУКТЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГОПИТАНИЯ НА МОЛОЧНОЙ ОСНОВЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1 Концепция функционального питания 10
1.2 Продукты функционального питания на молочной основе 12
1.2.1 Жидкие белковые продукты функционального питания 19
1.2.2 Сухие белковые продукты функционального питания 20
1.2.3 Энзиматический метод получения безлактозных продуктов 22
1.3 Непереносимость коровьего молока и молочных продуктов 24
1.4 Биохимические свойства различных видов молока 29
1.5 Сравнительный состав казеиновой фракции
различных видов молока 32
1.6 Способы удаления лактозы при производстве
безлактозных продуктов 32
1.7 Получение растворимых форм белковых продуктов 35
ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Организация работы и методы планирования эксперимента 40
2.2 Методы физико-химических исследований 43
2.2.1 Определение динамической вязкости 44
2.2.2 Определение краевого угла смачивания сухих молочных продуктов методом «лежачей капли» 45
2.2.3 Определение плотности сухих молочных продуктов пикнометрическим методом 47
2.2.4 Определение лактозы методом тонкослойной хроматографии 47
2.2.5 Определение белков в экстракте 48
2.3 Методы гистологических исследований 49
2.3.1 Фиксация материала 49
2.3.2 Заливка материала в застывающие среды 50
2.3.3 Методы окрашивания 50
2.4 Методы статистической обработки 51
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Исследование процесса экстракции лактозы из сухого коровьего молока 53
3.2 Разработка безотходной технологии функциональных продуктов 59
3.3 Исследование процесса экстракции лактозы из сухого козьего молока 61
3.4 Оптимизация растворения казеиновой фракции в солях 64
3.5 Разработка биотехнологии гипоаллергенных продуктов для функционального питания 66
3.5.1 Конструирование сухого безлактозного продукта для функционального питания на основе казеиновой фракции коровьего молока 66
3.5.2 Разработка сухого гипоаллергенного продукта на основе казеиновой фракции козьего молока 70
3.5.3 Проектирование сбалансированных функциональных продуктов на основе безлактозных полуфабрикатов 75
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ БЕЗЛАКТОЗНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
4.1 Определение остаточного содержания лактозы в безлактозных продуктах 82
4.1.1 Определение лактозы методом газожидкостной хроматографии 82
4.1.2 Определение лактозы методом тонкослойной хроматографии 85
4.2 Исследование вязкости безлактозных продуктов 86
4.3 Исследование микроструктуры сухих белковых продуктов при помощи светооптической микроскопии
4.4 Предклинические испытания гипоаллергенных продуктов
4.5 Управление качеством функциональных продуктов на основе принципов ХАССП
Выводы
Список литературы
- Продукты функционального питания на молочной основе
- Организация работы и методы планирования эксперимента
- Исследование процесса экстракции лактозы из сухого коровьего молока
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современная нутрициология и диетология предполагают позитивное действие на организм и на его физиологические функции за счет исключения из пищевого рациона аллергенных нутриентов и обогащения биологически-активными добавками.
В настоящее время в России, как и во всех странах развитого мира, происходит значительное изменение отношения людей, и в особенности социально активных слоев населения, к функциональному питанию. Становится все более понятным, что именно функциональное питание определяет работоспособность человека в современном обществе и, соответственно, уровень жизни и благополучия, и является наиболее удобной, естественной формой обеспечения организма человека необходимыми нутриентами.
Настораживают результаты исследований в России, указывающие на хронический дефицит белковых компонентов в питании у лиц пожилого возраста. Это стало причиной роста в последние годы алиментарно-зависимых заболеваний. За последние 10 лет в 3,3 раза возросло число людей, страдающих нарушениями системы пищеварения, таких как непереносимость молока и галактоземия (Тутельян В.А.,2001, Мухина Ю.Г., 2004).
Непереносимость лактозы - тяжелое нарушение обмена веществ, обусловливающее значительные трудности в подборе продуктов питания. В результате полного или частичного нерасщепления лактозы происходит нарушение всасывания и переваривания пищи, что, в конечном итоге, приводит к диарее. Не менее тяжким нарушением является непереносимость отдельных белковых фракций молока, в частности asi -казеина, приводящая к аллергии, а также галактоземия и нарушение всасывания галактозы.
Производству безлактозных молочных продуктов за рубежом уделяется большое внимание, однако, в России этот вопрос освещался лишь некоторыми исследователями (Шаманова Г.П., 1987, Кунижев СМ.,1988).
В настоящее время из-за рубежа поступает много функциональных продуктов, однако не все они обладают гарантированным качеством и, как правило, имеют высокую цену, поэтому остро стоит проблема расширения ассортимента отечественных продуктов для функционального питания.
Таким образом, обобщение разрозненной информации по биотехнологии функциональных молочных продуктов на основе козьего и коровьего молока является необходимым в современных условиях, что позволит создать белковые продукты с новыми качественными характеристиками.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы -разработка биотехнологии гипоаллергенных продуктов для функционального питания на молочной основе.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-разработать эффективный способ экстракции лактозы из сухого молока и провести анализ физико-химических свойств белковой и небелковой фракций;
-изучить возможности создания безотходной биотехнологии путем комплексной переработки экстракта при производстве функциональных продуктов;
-обосновать принципы создания новых видов функциональных продуктов на основе казеиновых фракций коровьего и козьего молока, провести их предклинические испытания;
-предложить рецептуры для сбалансированных продуктов и осуществить их апробацию в полупромышленных условиях;
-разработать схему контроля качества производства согласно современным требованиям GMP и НАССР.
Научная новизна. Выполненная работа представляет собой современное комплексное исследование, направленное на детальное изучение процесса экстракции лактозы из козьего и коровьего молока, изучение физико-химического состава и реологических характеристик отдельных фракций с целью их применения в производстве функциональных продуктов.
Впервые получена сухая безлактозная гипоаллергенная белково-
витаминная основа, обладающая высокой растворимостью. На примере гипоаллергенных белково-витаминных полуфабрикатов разработаны принципы конструирования сбалансированных продуктов для функционального питания.
Подана заявка на способ получения сухого безлактозного гипоаллергенного молочного продукта, обогащенного йодом и селеном.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные рецептуры и технологии новых видов безлактозных препаратов на основе фракций козьего и коровьего молока прошли апробацию на базе ФГУП НИИКИМ и рекомендованы для промышленного внедрения.
Анализ и обобщение результатов, теоретических и экспериментальных исследований позволил разработать технологические схемы получения безлактозных продуктов на основе казеиновых фракций козьего и коровьего молока. Обоснованы технологические режимы, обеспечивающие получение продукта в лабораторных и производственных условиях с заданными свойствами при минимальных потерях сырья, энергетических и материальных затратах.
Предложена блок-схема производственного контроля безлактозных продуктов согласно основным положениям ХАССП (системы контроля качества в контрольных точках) и ГОСТ ИСО 14644-1-2002 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-оптимальные параметры экстракции лактозы из сухого козьего и коровьего молока в полупромышленных условиях;
- результаты изучения физико-химических и реологических свойств
функциональных продуктов;
возможность создания безотходной биотехнологии путем комплексной переработки экстракта при производстве функциональных продуктов;
использование сухого козьего и коровьего молока в качестве основного источника сырья при производстве продуктов для функционального питания;
- использование белково-витаминных полуфабрикатов в функциональном питании.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях:
2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Современные достижения биотехнологии» (Ставрополь 2002 г.); Международная научно-практическая конференция «Проблемы экологической безопасности и сохранения природно-ресурсного потенциала» (Ставрополь 2004 г.); IV Научно-практическая конференция Физическая культура и спорт Ставрополья: состояния и перспективы (Ставрополь 2004 г.); IX Пущинская конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2005 г.); V Международный салон инвестиций и инноваций (получена бронзовая медаль за биотехнологию продуктов энтерального питания , Москва, ВВЦ, 2005 г.); III Московский международный Конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (получена серебренная медаль за биотехнологию гипоаллергенных безлактозных продуктов, Москва, 2005 г.), 50 научная конференция «Университетская наука - региону» Проблемы развития биологии на Северном Кавказе (Ставрополь 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 18 таблиц. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, двух глав собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Список литературы включает 308 источников, в том числе 122 на иностранных языках. Приложение содержит заявку на выдачу патента, технические условия и технологические инструкции на производство сухих гипоаллергенных безлактозных продуктов и акты испытаний.
Продукты функционального питания на молочной основе
При разработке и применения адекватных диет в Российской Федерации, учитывающих патогенетические и метаболические особенности организма человека, при профилактике различных заболеваний, используются продукты заданного и модифицированного состава (Смирнов В.В., Иванов В.Н., 1986; Шаманова ГЛ., 1987).
В итоге значительно расширились возможности построения диетического
рациона с использованием функциональных продуктов, это способствует повышению эффектности диетотерапии при целом ряде заболеваний, а также обеспечению лечебно-профилактического питания различных категорий потребителей (Харитонов В.Д. с соавт., 1991).
Основными принципами создания молочных функциональных продуктов являются элиминация, обогащение и «шунтирование» (Мухина Ю.Г. с соавт., 2004).
Простой пример элиминации - это экстракция лактозы из продуктов, предназначенных для людей с непереносимостью молочного сахара и, таким образом, снять проблемы желудочно-кишечного тракта (Labayen L, 2001) (рисунок 1).
Рисунок 1 - «Шунтирование» и элиминация при профилактике некоторых заболеваний детей (Мухина Ю.Г. с соавт., 2004). «Шунтирование» основано на замене в рационе того или иного продукта или пищевого вещества на сходные с ними, например, можно заменить белки молока (при пищевой непереносимости и пищевой аллергии) на белки сои или белковые гидролизаты. Наряду с этими, «шунтирующими» или «элиминирующими» продуктами, существуют также смеси, напротив, содержащие дополнительные компоненты, оказывающие влияние на функции желудочно-кишечного тракта, и в том числе, на двигательную активность кишечника и функционирование пищеводно-желудочного сфинктера, в частности, неперевариваемые полисахариды, витамины, а также замена молочного жира растительными маслами (рисунок 1). Функциональные продукты на молочной основе условно делятся по назначению (патологиям), возрастным категориям. По способу введения они разделены на продукты для перорального, энтерального и парентерального питания. По виду продукты делятся на сухие и жидкие, в отдельную группу выделены жидкие продукты с пробиотическими свойствами (Касьянов Г.И. с соавт., 2001; Meance S. et al., 1999). По содержанию белка и агрегатному состоянию молочные продукты для функционального питания делятся на следующие категории (Крашенинин П.Ф. с соавт, 1988):
Организация работы и методы планирования эксперимента
Работа выполнялась автором в период с 2002 по 2005 гг. на базе Научно -образовательного центра «Технологии живых систем» Ставропольского государственного университета и ОАО «Вита» в рамках государственной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по темам: «Оптимизация биотехнологии получения препаратов биостимулирующего действия на основании переработки молочного сырья» и «Разработка биотехнологии получения корректирующих добавок на основе фракционирования козьего молока» (№ гос. регистрации 01.960007945).
При оценке состава и свойств объектов определяли следующие показатели: концентрацию водородных ионов - потенциометрическим методом; содержание белков и углеводов - фотометрическим методом на биохимическом анализаторе живых систем BTS-310, а также на фотоэлектрокалориметре КФК-2; определение содержания лактозы в безлактозных продуктах - методами ГЖХ и тонкослойной хроматографии; микробиологические показатели - по общепринятым методам микробиологического исследования; определение сухих веществ молочных продуктов - методом объемного титрования на титраторе Фишера Е551; микроскопирование - методом светооптическои микроскопии на микроскопе «МИКМЕД-2»; содержание макро- и микроэлементов - методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборе PERKIN-ELMER 2280; математическое планирование и обработка данных - с применением дробного многофакторного эксперимента и методов математической статистики на ЭВМ, с использованием программ «Z-lab», «Total-lab» и «Statistica 6.0»; кратность опытов n = 3-6, коэффициент вариации во всех случаях не превышал 10%. Объектами исследований служили козье и коровье молоко, отдельные его фракции, а также безлактозные продукты.
Для ряда исследований дана графическая интерпретация экспериментальных данных. Эксперименты проводили в соответствии со схемой исследований, представленной на рисунке 7.
На первом этапе изучали современные технологии производства функциональных продуктов на молочной основе. Обосновали основные принципы создания функциональных продуктов для людей, страдающих лактазной недостаточностью и непереносимостью некоторых белковых фракций молока. Исследованы способы получения безлактозных продуктов из натурального коровьего молока и предложены новый способ экстракции
лактозы из сухого коровьего и козьего молока. На втором этапе проведена оптимизация процесса экстракции лактозы из сухого коровьего и козьего молока при различных температурных режимах, а также исследована возможность получения быстрорастворимых белковых продуктов с помощью лимоннокислого натрия или двууглекислого натрия.
Оптимизация процесса экстракции лактозы позволила исключить эмпирический подход при составлении рецептур новых продуктов, повысить качество белковой фракции и исключить излишний расход экстрагента.
На третьем этапе проводился анализ физико-химического состава белковой и небелковой фракций. Для создания безотходной биотехнологии рассматривалась возможность использования экстракта при производстве функциональных продуктов. Проводились исследования промывных вод на остаточное содержание лактозы. Следующий этап связан связан с исследованием новых продуктов. На данном этапе исследовалась микроструктура сухих функциональных продуктов, проводились предклинические испытания продуктов, создана технологическая схема производства с учетом современных систем качества.
Исследование процесса экстракции лактозы из сухого коровьего молока
Существующие методы удаления лактозы из молока основаны на отделении сыворотки из натурального коровьего молока. Используемый альтернативный способ получения безлактозного продукта функционального питания напрямую из сухого исходного сырья -сухого обезжиренного коровьего или козьего молока для применения в промышленности не рассматривался. Согласно этому способу, из сухого обезжиренного коровьего или козьего молока распылительной сушки удалялась лактоза с помощью специально подобранных растворителей, а также минеральные соли и другие низкомолекулярные вещества. Экстракция проводилась с использованием органических кислот и кислой сыворотки при температуре 25, 40 и 55С.
На рисунке 10 показана зависимость коэффициента светопропуекания (Т, %) от концентрации лимонной кислоты (Слк, масс. %) при различных температурах.
При проведении экстракции одновременно контролировались несколько входных (температура t, С; концентрация экстрагента С;, %) и выходных параметров (концентрация водородных ионов рН; массовая доля сухих веществ в осадке и фугате СВ, масс. %; коэффициент светопропу екания Т, %; оптическая плотность D, ед; количество белка в осадке и фугате Б, %), позволяющих максимально полно характеризовать процесс.
Увеличение температуры способствует ускорению процесса экстракции, о чем свидетельствует смещение кривых в сторону уменьшения количества лимонной кислоты и увеличения коэффициента светопропускания фугата.
Установлен оптимум внесения лимонной кислоты 0,54-0,55 % при t=25uC, 0,45-0,46 % при t=40 С и 0,36-0,37 % при t=55 С, которые позволяют экстрагировать лактозу непосредственно в пределах значений изоэлектрической точки казеина рН 4,6-4,7. Дальнейшее увеличение внесения лимонной кислоты приводит к перезарядке мицелл казеина, переходу белка в сыворотку и характеризуется уменьшением коэффициента светопропускания.
Увеличение температуры экстракции приводит к изменению органолептических характеристик белкового осадка, поэтому, в зависимости от вида конечной продукции, рекомендуются соответственные режимы экстракции. Например, при производстве пастообразных продуктов, рекомендуется проводить экстракцию при температуре 25 С, так как белок имеет более нежную консистенцию, если же требуется получить продукцию, содержащую растворенный белок, прибегают к экстракции при температуре 55 С.
На рисунке 11 приведены данные экстракции лактозы из сухого обезжиренного коровьего молока, который характеризуется количеством вносимой лимонной кислоты (ось Z), концентрации водородных ионов (ось X) и концентрацией сухих веществ (ось Y) в надосадочной жидкости (фугате).
