Введение к работе
Актуальность темы исследования. Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года предусматривает направление глубокой переработки зерна на принципах биотехнологии, позволяющих производить высокотехнологичные продукты, спрос на которые на мировом рынке с каждым годом растет. Особое внимание уделяется развитию производства и пищевого инжиниринга пробиотических продуктов, что является необходимым элементом для формирования в России рынка здорового питания.
Среди зерновых культур соя выделяется уникальным составом, оптимальным соотношением аминокислот, высоким содержанием витаминов, макро- и микроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот. Использование продуктов переработки сои во многом обусловлено их функциональными свойствами, в соответствии с которыми они применяются как обогатители, заменители, наполнители и как аналоги натуральных пищевых продуктов.
Вместе с тем известно, что бобы сои, обладая высокой пищевой и биологической ценностью, характеризуются наличием антиалиментарных компонентов: ингибиторов протеаз, лектинов, фитатов, сапонинов, алкалоидов, олигосахаридов. Среди них, как правило, выделяют две основные группы: белки-лектины и олигосахариды.
В литературе приводятся сведения об инактивации группы антипитательных веществ, с применением температурной обработки, жёстких детергентов и ферментативного гидролиза, меняющих природу белков, вызывающих денатурационные изменения (Бегеулов М.Ш., 2006).
При этом традиционным сырьем служат семена, находящиеся в состоянии покоя. В таких семенах снижена интенсивность дыхания и обмена веществ, сравнительно невелико содержание витаминов и микроэлементов, а запасные вещества находятся в виде клеточных полимеров – структурных и запасных белков, жиров и углеводов. Тогда, как в прорастающих семенах активизируются эндоферменты, гидролизующие сложные запасные вещества на более простые (пептиды, аминокислоты, ди- и моноглицериды, жирные кислоты, простые сахара), многие из которых приобретают биологическую активность, кратно возрастает содержание витаминов, синтезируемых зародышем.
Несмотря на достаточно широкий ассортимент бактериальных препаратов с бифидобактериями и целевых пищевых продуктов, содержащих их в своем составе, их активизация в преобладающем большинстве случаев является проблемной, так как данные микроорганизмы характеризуются сложными потребностями в питательных веществах. Для нормального роста и развития бифидобактерий большое значение имеет присутствие ростовых веществ, в качестве которых используют белки, витамины (пантотеновая кислота, биотин, рибофлавин), минеральные вещества (железо, кобальт, магний, фосфор, калий), растительные компоненты (обезжиренная соя, тростниковый сахар, экстракт картофеля).
Степень разработанности темы. Данные литературы показывают целесообразность использования продуктов переработки сои в функциональных продуктах (Забодалова Л.А., 2000; Бархатова Т.В., 2003; Артюхова С.В., 2006). Это связано с присутствием в соевом сырье, помимо высококачественных белков, дополнительных бифидогенных факторов - олигосахаридов, и других компонентов, проявляющих по отношению к представителям рода Bifidobacterium селективные свойства. Сведений об использовании гидролизатов из прорастающих семян сои в качестве субстрата для выращивания бифидобактерий нами не найдено.
Цель и задачи исследований. На основании вышесказанного целью исследований является: разработка технологии гидролизата сои с эффективными бифидогеными свойствами на основе биотрансформации полипептидного состава и антипитательных компонентов семян, и оценка возможности его применения в функциональных напитках.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- выбор условий проращивания семян сои in vitro и возможности тестирования по физиологическому состоянию;
- определение динамики пептидного состава белкового комплекса при смене физиологических фаз, выбор фазы запуска гидролиза лектинов;
- исследование динамики активности ингибиторов протеаз при набухании и запуске прорастания;
- определение технологических параметров обработки биоактивированных семян для получения гидролизата сои;
- культивирование B. bifidum-1 и выбор эффективных композиций на основе гидролизата сои;
- исследование возможности использования гидролизата сои в технологии напитков функциональной направленности.
Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой Минобразования РФ «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования», а также в соответствии с тематикой НИР кафедры «Химия и биотехнология» в рамках научных исследований по теме «Научные основы технологии и биотехнологии переработки семян двудольных сельскохозяйственных растений и получения продуктов с заданными свойствами».
Научная новизна. Выявлена динамика изменений белкового комплекса по пептидному составу и активности ингибиторов трипсина и химотрипсина, содержания витаминов семян сои по стадиям проращивания, выделена физиологическая фаза проращивания с эффективной биотрансформацией компонентов – 36-42 ч инкубации от достижения критической влажности.
Обоснованы параметры обработки пророщенных семян сои и получен гидролизат со сниженными антипитательными свойствами.
Доказана эффективность использования гидролизата сои в качестве питательной среды для культивирования и выявлена динамика роста B. bifidum - 1 на субстрате гидролизата и смеси гидролизат : коровье молоко. Культуральные свойства обусловлены присутствием бифидостимулирующих субстанций семян сои, обеспечиваемых прорастанием и расщеплением клеточных полимеров. Полученный гидролизат содержит биологически активный белковый комплекс, пептиды, свободные аминокислоты, лецитин, растворимые сахара, пищевую диетическую клетчатку, биогенные макро- и микроэлементы, витамины, фитогормоны.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан метод биотрансформации компонентов семян сои путём проращивания с выделением эффективной физиологической фазы по снижению активности лектинов и трипсинингибиторов. Получен гидролизат сои со сниженными антипитательными свойствами для культивирования B. bifidum - 1. Обоснован подбор заквасочных культур, использующих гидролизат сои, подбор рецептур и технологических параметров получения продуктов йогуртных нового поколения.
Разработана техническая документация на гидролизат сои ТУ 9146-231-02069036-2011, ТУ ТИ 9146-231-02069036; продуктов йогуртных молокосодержащих ТУ 9226-190-02069036-2013, ТУ ТИ 9226-190-02069036.
Получены патенты РФ № 2338432 «Способ получения растительного напитка», РФ № 2312506, «Способ производства кисломолочного продукта».
Производственная апробация работы осуществлялась в условиях ОАО «Молочный комбинат «Орловский», ООО «Урицкий молокозавод» по технической документации. Расчет экономической эффективности подтвердил целесообразность практического использования разработок.
Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций, дипломном проектировании по специальности 240902 «Пищевая биотехнология» Госуниверситета – УНПК.
Методология и методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на базе применения сравнительного, системного и структурного подходов, статистического анализа и синтеза, графического моделирования. Положения теории основываются на известных фундаментальных и прикладных научных достижениях, сопряженных с предметом исследования.
Исследования выполнялись в аккредитованной испытательной лаборатории ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», в творческом сотрудничестве со специалистами лабораторий Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур» (ГНУ ВНИИ ЗБК г. Орел), ФГУ «Орловский референтный центр Россельхознадзора», а также в производственных лабораториях: ООО «Орловский завод по производству солода», ОАО «Молочный комбинат «Орловский», ООО «Урицкий молокозавод» и др. Структурная схема исследований приведена на рисунке 1.
Объектами исследования служили семена сои урожая текущего года, покоящиеся и прорастающие при инкубировании в лабораторных условиях, которые исследовались по товарным свойствам, физиологическому потенциалу, морфологическим признакам, биохимическим характеристикам и состоянию белкового комплекса. Статистическим методом осуществлялся выбор технологических параметров обработки пророщенных семян для получения гидролизата со сниженными антипитательными свойствами. Культивирование B. bifidum-1 и выбор эффективных композиций на основе полученного гидролизата осуществляли эмпирическим методом. Наблюдения проводились методом микроскопирования и регистрации изменений морфологических признаков и подсчёта колоний. Все определения проводили не менее чем в трех повторностях, трех серий экспериментов. В диссертации представлены средние результаты серии экспериментов, обеспечивающие 95 % точности по статистическим критериям.
Применение гидролизата сои в технологии напитков функциональной направленности
1 этап
4 этап
этап
Биотрансформация компонентов семян сои при прорастании по физиологическим фазам
Подбор соотношения гидролизат сои: молоко
Исследование динамики сквашивания
2 этап
Технология гидролизата сои со сниженными
антипитательными свойствами
Подбор заквасочных культур
Определение технологических параметров обработки биоактивированных семян
биоактивированных семян
3 этап
Исследование динамики белкового и витаминного комплексов при прорастании семян сои
Анализ научной, патентной и технической информации,
постановка цели и задач исследований
Исследование ФТС гидролизата
Разработка рецептуры
Культивирование B. bifidum-1 и выбор эффективных композиций на основе гидролизата сои
Разработка методики прорастания и тестирования семян по физиологическим стадиям
Исследование качества напитков и способности к хранению
Выбор бакпрепарата, содержащего B. bifidum-1
Культивирование B. bifidum-1 на гидролизате сои
Сравнение активности роста B. bifidum-1 на гидролизате сои и смеси гидролизата и молока (1:1)
Производственные испытания. Разработка технической документации. Определение экономической эффективности производства
Рисунок 1. - Структурная схема исследований
Положения, выносимые на защиту:
- методологические подходы к выбору условий проращивания in vitro семян сои и регистрации физиологических фаз;
- выявленные закономерности биотрансформации белкового и витаминного комплексов семян на ранних сроках проращивания;
- повышение пищевой ценности прорастающих семян по снижению антипитательных компонентов и обогащению витаминного состава;
- технологические параметры обработки биоактивированных семян сои для получения питательного гидролизата;
- эффективность культивирования B. bifidum-1 на гидролизате и смеси его с коровьим молоком;
- технологии напитков функциональной направленности на основе полученного гидролизата.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-практических конференциях и конгрессах, в том числе: всероссийской научно-практической конференции "Инновационные технологии обеспечения безопасности питания и окружающей среды" (Оренбург, 2007), V международной научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания 2007» (Москва, 2007), V международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2007), всероссийской молодёжной научно-практической конференции: «Биотехнология растительного сырья» (Иркутск, 2007, 2009), II международном конгресс-партнеринге по биотехнологии и биоэнергетике «ЕвразияБио» (Москва, 2010), международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты создания биосферосовместимых систем» (Орёл, 2012), ІI международной виртуальной интернет - конференции «Биотехнология. Взгляд в будущее» (Казань, 2013), на ежегодных отчетных научных конференциях Госуниверситета - УНПК по итогам научно-исследовательской работы за 2006-2012 гг.
Основные положения диссертации изложены в 19 работах, в том числе 2 патентах, в журналах, рекомендованных ВАК РФ опубликованы 4 статьи.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, экспериментальных результатов и их обсуждения, выводов и библиографического списка, содержащего 170 источников. Работа изложена на 98 страницах машинописного текста и включает в себя 28 таблиц, 26 рисунков и приложений.
