Функциональный напиток на основе восстановленной сухой молочной сыворотки и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента — цинка
В последнее время появляются запросы на натуральные и сбалансированные в аспекте микро-, макроэлементного и нутриентного состава продукты питания, повышается спрос на функциональность продуктов питания.
Молочная сыворотка обладает высокой усвояемостью, содержит большое количество микроэлементов, таких как натрий, калий, кальций, магний, фосфор и хлор.
Интересной особенностью молочной сыворотки является тот факт, что она, являясь отходом производства, по сути представляет собой относительно дешевое вторичное сырье.
Рациональный способ внедрения молочной сыворотки — ее вторичное использование для изготовления продукта, несущего ценность для потребителя.
Меласса молочная представляет собой продукт, содержащий лактозу, лактулозу, в ее составе присутствуют магний, кальций, фосфор и другие микроэлементы, характерные для молочной продукции. Лактулоза, содержащаяся в мелассе, представляет собой изомер лактозы, который производится из вторичного молочного сырья, а польза заключается в повышении роста бифидобактерий в организме и противотоксичном эффекте. Мелассу молочную с лактулозой эффективно применяют для изготовления йогурта.
Еще один способ увеличения функциональности продуктов питания — применение биодоступных форм жизненно важных микроэлементов.
Хелатные комплексы являются наиболее оптимальными, имеют высокую степень усвояемости, в связи с чем их применение выглядит наиболее логичным для функциональных продуктов питания. Так, есть исследование, в результате которого был разработан функциональный напиток на основе молока, обогащенный хелатной формой аскорбатоизолейцината железа (II). Использование хелатного комплекса позволило повысить антиоксидантную активность напитка на 40%.
В данном исследовании рассматривается хелатный комплекс — никотинатолизинат цинка. Лизин является незаменимой аминокислотой, которая участвует в процессе создания гормонов, ферментов и антител в организме, в процессе формирования тканей и усвоения кальция, что напрямую влияет на состояние кожи и костей организма. Лизин наряду с цинком и никотиновой кислотой (3-пиридинкарбоксамидом) входит в состав лекарственных средств, применяемых для профилактики остеопороза у детей и подростков.
Никотиновая кислота участвует в процессах образования ферментов, способствует снижению уровня холестерина, улучшает белковый, углеводный и липидный обмен. Доказана эффективность применения никотиновой кислоты в сочетании с другими средствами при иммунокоррекции в процессе лечения сильных обморожений конечностей, при лечении и профилактике ишемической болезни сердца, лечении дислипидемии и атеросклероза сосудов нижних конечностей.
Цинк — эссенциальный микроэлемент, обладает высокими антиоксидантными свойствами, участвует в процессе работы нервной, иммунной, репродуктивной и других систем. При этом недостаточное потребление цинка в рационе человека может привести к анемии, циррозу печени и половой дисфункции. Экспериментально доказана эффективность применения цинка в сочетании с аминокислотой глицин в снижении симптомов стресса и тревожности.
Цель данной статьи — получение функционального напитка на основе восстановленной сухой молочной сыворотки и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка) для восполнения дефицита данного микроэлемента.
Материалы и методы исследования
Синтез тройного хелатного комплекса — 3-пиридинкарбоксамид, незаменимая аминокислота (L-лизин) и эссенциальный микроэлемент (цинк) — проводили с использованием следующих реактивов: 3-пиридинкарбоксамида (ч., АО «Ленреактив», г. Санкт-Петербург, Россия), L-лизина моногидрохлорида (ч., PanReac Applichem, г. Дармштадт), гидроксида бария 8-водного и сульфата цинка 7-водного (ч. д. а., «Интерхим», г. Санкт-Петербург, Россия).
Для синтеза тройного хелатного комплекса в фарфоровой ступке смешивали 1,904 г 3-пиридинкарбоксамида и 2,063 г L-лизина моногидрохлорида и перетирали в течение 5 мин. до однородной массы. На следующем этапе добавляли 4,875 г гидроксида бария 8-водного и перемешивали до однородной светло-белой пастообразной субстанции. Далее добавляли 30 мл дистиллированной воды и 4,5357 г сульфата цинка 7-водного, тщательно перемешивали и отстаивали в течение 20 мин. Полученный образец центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.
Исследование оптических свойств тройного хелатного комплекса проводили с помощью метода оптической спектроскопии на спектрофотометре СФ-56 (ОКБ «Спектр», Россия).
Компьютерное квантово-химическое моделирование тройного хелатного комплекса — 3-пиридинкарбоксамид, незаменимая аминокислота (L-лизин) и эссенциальный микроэлемент (цинк) — проводили в программе QChem на оборудовании Центра обработки данных (Schneider Electric, Франция) ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» с использованием молекулярного редактора IQmol.
Моделирование проводилось посредством хелатирования атома цинка 3-пиридинкарбоксамидом через функциональные группы (гидроксильная, аминогруппа) и L-лизином через гидроксильную группу и α-аминогруппу или ε-аминогруппу. Расчеты проводили со следующими параметрами: расчет — Energy, метод— B3LYP, базис — 6-31G*, convergence — 5, силовое поле — Chemical.
В рамках компьютерного квантово-химического моделирования рассчитывали полную энергию молекулярного комплекса (E), энергию высшей заселенной (EHOMO) и низшей свободной (ELUMO) молекулярных орбиталей. После вычисляли значения разности полной энергии L-лизина и тройного хелатного комплекса (∆E), химической жесткости (η), равной половине разницы низшей свободной и высшей заселенной молекулярных орбиталей.
На следующем этапе проводили оптимизацию методики синтеза тройного хелатного комплекса при различных концентрациях компонентов.
В качестве входных параметров рассматривали:
- концентрацию прекурсора цинка (ZnSO4 ∙7H2O), (C, моль/л);
- концентрацию L-лизина моногидрохлорида (C6H14N2O2 HCl) (C, моль/л);
- концентрацию 3-пиридинкарбоксамида (C6H5NO2) (C, моль/л).
В качестве выходного параметра рассматривали средний гидродинамический радиус частиц. Матрица многофакторного эксперимента представлена в таблице 1.
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием программы Statistica 12.0 и пакета прикладных программ Statistica Neural Networks.
Получение функционального напитка на основе восстановленной сухой молочной сыворотки и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка) проводилось посредством добавления 0,13 мл комплекса (данное количество содержит 30% от суточной дозы микроэлемента (цинка), потребляемой организмом) в раствор, содержащий 7,5% молочной сыворотки и 7,5% мелассы молочной.
На следующем этапе проводилась ультразвуковая обработка образцов при параметрах, представленных в таблице 2.
Затем полученные образцы исследовали методами кондуктометрии с помощью электрода Starter 300C (Ohaus, США), pH-метрии с помощью электрода ST320 (Ohaus, США).
Проводили исследование титруемой кислотности молочного напитка титриметрическим методом согласно ГОСТ 3624-92 (метод базируется на титровании молока раствором щелочи (гидроксидом натрия или калия) в присутствии индикатора фенолфталеина), среднего гидродинамического радиуса с помощью метода динамического рассеяния света на приборе Photocor-Complex (ООО «Антек-97», Россия).
Компьютерную обработку полученных результатов осуществляли с использованием программного обеспечения DynaLS.
Далее проводили расчет антиоксидантной активности образцов по следующей методике: раствор АБТС разбавляли дистиллированной водой до оптической плотности 0,70 ± 0,02 при 734 нм. С помощью метода оптической спектроскопии на спектрофотометре СФ-56 (ОКБ «Спектр», Россия) к 1,98 мл раствора АБТС добавляли 0,02 мл анализируемой пробы и через 3 мин. после смешивания измеряли оптическую плотность при 734 нм.
Затем была проведена дегустационная оценка следующих образцов:
- партия 1 — на основе восстановленной сухой молочной сыворотки и мелассы молочной (амплитуда УЗ-обработки 20%);
- партия 2 — на основе восстановленной сухой молочной сыворотки и мелассы молочной (амплитуда УЗ-обработки 60%);
- партия 3 — на основе восстановленной сухой молочной сыворотки и мелассы молочной (амплитуда УЗ-обработки 100%);
- партия 4 — на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка) (амплитуда УЗ-обработки 20%);
- партия 5 — на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка) (амплитуда УЗ-обработки 60%);
- партия 6 — на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка) (амплитуда УЗ-обработки 100%);
- партия 7 — на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и неорганической формы цинка — сульфата цинка.
Все исследования проведены в соответствии с ГОСТ Р ИСО 22935-2-2011. Количество привлекаемых экспертов ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» — 10. Исследования проводили на базе школы прикладных междисциплинарных исследований ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет».
Изготавливались 7 экспериментальных партий напитков по 5 образцов в каждой партии.
Результаты и обсуждение
На первом этапе исследовали оптические свойства тройного хелатного комплекса, в результате чего получены спектры поглощения тройного хелатного комплекса (рис. 1).
На основе полученных данных можно сделать вывод, что у полученного комплекса наблюдается полоса поглощения с максимумом поглощения в ультрафиолетовой области при λ = 260 нм.
На следующем этапе проводили компьютерное квантово-химическое моделирование тройного хелатного комплекса. Результаты компьютерного квантово-химического моделирования представлены в таблице 3.
На основе полученных данных установлено, что формирование тройного хелатного комплекса является энергетически выгодным (∆E > 1774 ккал/моль) и химически стабильным (0,027 ≤ η ≤ 0,030 эВ).
Установлено, что наиболее вероятной моделью является взаимодействие атома цинка с 3-пиридинкарбоксамидом через вторичную аминогруппу и карбоксильную группу и с L-лизином через карбоксильную группу и α-аминогруппу (рис. 2).
На следующем этапе проводили оптимизацию методики синтеза тройного хелатного комплекса при различных концентрациях компонентов. В результате получены тернарные поверхности отклика, описывающие зависимость оптической плотности максимума полосы поглощения при λ = 260 нм от концентрации компонентов (рис. 3).
Анализ полученных данных показал, что концентрации исходных реагентов оказывают значимое влияние на оптическую плотность комплекса. Увеличение концентрации сульфата цинка приводит к уменьшению оптической плотности, в то время как увеличение концентрации 3-пиридинкарбоксамида — к увеличению оптической плотности. Однако концентрация L-лизина гидрохлорида не влияла на оптические свойства комплекса. Установлено, что оптимальными концентрациями компонентов являются: C (ZnSO4) = 0,376 моль/л, C (C6H5NO2) = 0,545 моль/л, C (C6H14N2O2) = 0,528 моль/л.
Далее были исследованы физико-химические показатели молочных напитков на основе комплекса: 3-пиридинкарбоксамид, незаменимая аминокислота (L-лизин) и эссенциальный микроэлемент (цинк). Результаты исследования представлены в таблице 4.
Установлено, что полученные значения активной кислотности образцов молока находятся в допустимом диапазоне согласно ГОСТ Р 56833-2015. Увеличение электропроводности образцов связано с добавлением комплекса, с увеличением числа свободных ионов и молекул после УЗ-обработки с различной амплитудой.
Установлено, что титруемая кислотность образцов увеличивается при повышении амплитуды УЗ-обработки как в чистых молочных напитках, так и в обогащенных. Стоит отметить, что антиоксидантная активность при обогащении молочного напитка носит непрямолинейный характер и варьируется от 0,25 до 0,84%, однако образцы напитков, не обогащенных хелатным комплексом эссенциального микроэлемента (цинка), обладают меньшим значением антиоксидантной активности.
Гидродинамический радиус образцов, обогащенных никотинатолизинатом цинка, находится в диапазоне 120–200 нм, что меньше, чем у контрольных образцов (190–250 нм). Данный факт связан с наличием хелатного комплекса, препятствующего процессу коагулирования белковых структур.
При обработке дегустационных листов представленных образцов были получены средние оценки в баллах (табл. 5).
В результате органолептической оценки экспериментальных образцов молочных напитков было установлено, что партия 6 обладает чистым, приятным, слегка сладковатым вкусом и запахом. Полученные результаты дегустационных испытаний позволили членам комиссии рекомендовать для внедрения на предприятиях молочной промышленности образец функционального молочного напитка из партии 6 на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (амплитуда УЗ-обработки — 100%) — никотинатолизината цинка.
Выводы
В рамках данной работы разработан функциональный молочный продукт на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка).
На первом этапе были исследованы оптические свойства комплекса, в результате определена его полоса поглощения. Далее было проведено компьютерное квантово-химическое моделирование, в результате которого установлена оптимальная модель взаимодействия 3-пиридинкарбоксамида, L-лизина и атома цинка. На следующем этапе проведена оптимизация методики синтеза в зависимости от различного содержания компонентов, в результате чего определены оптимальные концентрации сульфата цинка, незаменимой аминокислоты (L-лизина) и 3-пиридинкарбоксамида.
Затем были получены образцы функциональных напитков на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка) при различных параметрах УЗ-обработки. У данных образцов были исследованы физико-химические свойства, проведена дегустационная оценка, в результате которой установлено, что для внедрения на предприятиях молочной промышленности рекомендовано использовать функциональный напиток на основе восстановленной сухой молочной сыворотки, мелассы молочной и тройного хелатного комплекса эссенциального микроэлемента (цинка), который подвергался УЗ-обработке с максимальной амплитудой, так как он обладает повышенными дегустационными характеристиками, чем остальные представленные образцы.
Об авторах
Константин Васильевич Костенко1; кандидат технических наук, и. о. руководителя школы прикладных междисциплинарных исследований, доцент кафедры технологии машиностроения и технологического оборудования Инженерного института
kvkostenko@ncfu.ru; https://orcid.org/0000-0001-8779-359X
Андрей Владимирович Блинов1; кандидат технических наук, доцент кафедры физики и технологии наноструктур и материалов
blinov.a@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-4701-8633
Филипп Андреевич Пойдун1; лаборант кафедры технологии машиностроения и техносферной безопасности инженерного института
fapoidun@ncfu.ru; https://orcid.org/0009-0003-6654-027X
Максим Александрович Пирогов1; лаборант научно-исследовательской лаборатории керамики и технохимии научно-лабораторного комплекса «Чистые зоны» физико-технического факультета
pirogov.m.2002@gmail.com; https://orcid.org/0000-0001-9217-6262
Александр Михайлович Серов1; студент кафедры физики и технологии наноструктур и материалов
Sanyka_stavzan@mail.ru; https://orcid.org/0009-0001-2929-4191
Максим Борисович Ребезов2, 3; доктор сельскохозяйственных наук, профессор, главный научный сотрудник2;доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры биотехнологиии пищевых продуктов3
rebezov @ya.ru; https://orcid.org/0000-0003-0857-5143
1Северо-Кавказский федеральный университет, ул. им. Пушкина, 1, Ставрополь, 355002, Россия
2Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наук, ул. им. Талалихина, 26, Москва, 109316, Россия
3Уральский государственный аграрный университет, ул. им. Карла Либкнехта, 42, Екатеринбург, 620075, Россия
УДК637.04 + 664.154
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-389-12-158-165
