Интенсификация процесса ферментации напитка на растительной основе комплексной закваской «Бифидо плюс»
Постоянное увеличение техногенной и антропогенной нагрузки на окружающую среду активно способствует снижению устойчивости человека к различным заболеваниям. Наряду с этим постоянные изменения в образе жизни и характере трудовой деятельности, структуре питания населения приводят к дисбалансу незаменимых нутриентов, дефициту витаминов, ряда макро- и микроэлементов, минорных биологически активных веществ пищи.
В связи с этим стала активно развиваться концепция оптимального здорового питания, направленного на максимальное удовлетворение индивидуальных потребностей организма в биологически активных соединениях и компонентах пищи, необходимых для нормального протекания физиологических процессов и поддержания здоровья. Соответственно, резко возрос спрос на разработку и производство функциональных и обогащенных незаменимыми факторами продуктов питания.
Продукты на безлактозной основе актуальны для людей с индивидуальными особенностями организма, в частности непереносимостью компонентов молока, либо в связи с личными пищевыми предпочтениями. Постоянно увеличивающийся спрос на такие напитки ведет к расширению рынка аналогов или заменителей молочных продуктов, и процент увеличения предложения, по прогнозам аналитиков, составит 12,5% в период с 2021 по 2028 год. Напитки на основе злаков обладают огромным потенциалом в качестве носителей функциональных соединений, таких как антиоксиданты, пищевые волокна, минералы, пребиотики и витамины.
Полезность овса, определяемая его химическим составом, с давних пор сделала его постоянным продуктом во многих рационах питания. В очищенном овсяном зерне содержится 40–50% крахмала, до 14% белка, 4–6% жира. Мировое производство зерна овса, по данным продовольственной сельскохозяйственной организации ООН, составило в 2021 г. около 22,5 млн т с площади 9,7 млн га. Основные производители овса в мире (млн т): Россия — 3,8, Канада — 2,8, Австралия — 1,9, Польша — 1,6, Испания — 1,2. Урожайность в России — 17,2 ц/га (в среднем) с площади 2,19 млн га.
Овсяный напиток — это водный экстракт овса, который обладает мягким молочным вкусом, содержит большое количество жирных кислот, белков, минералов, витаминов, пищевых волокон и различных микроэлементов, а также обеспечивает ряд преимуществ для здоровья, поскольку снижает уровень сахара в крови. Таким образом, овес является достойной альтернативой традиционному молоку.
Однако у растительного напитка есть определенные недостатки, в частности фитиновая кислота, присутствующая в заменителях молока из овса, связывается с необходимыми минералами и микроэлементами, создавая нерастворимые комплексы, препятствующие их усвоению. Сапонины препятствуют усвоению белка путем образования нерастворимых комплексов «сапонин — белок», устойчивых к перевариванию. Ингибиторы протеаз в растительном напитке также мешают перевариванию белка и крахмала, инактивируя пищеварительные ферменты. Эти антипитательные вещества препятствуют усвоению не только минеральных веществ, но и витаминов. Устранению указанных недостатков может способствовать ферментация, увеличивающая содержание белка растущими пищевыми микроорганизмами. Она улучшает растворимость растительного белка, аминокислотный состав и доступность.
Кроме того, злаки содержат микроорганизмы, способствующие самопроизвольному брожению. Если растительный напиток производится из этого сырья, повышается вероятность его загрязнения с препятствием развитию полезной микрофлоры. Таким образом, производство напитков из растительного сырья связано с высокой микробной контаминацией. В этом контексте пробиотическая ферментация, способствуя увеличению количества живых пробиотиков, обеспечивает тем самым микробиологическую безопасность напитка.
Необходимостью при выработке ферментированных продуктов остается выбор закваски, которая в немалой степен определяет активность ферментации и показатели качества готового продукта. Отобранные закваски посредством своих сложных ферментных систем генерируют летучие и нелетучие метаболиты, которые придают особые вкусовые качества ферментированным продуктам на основе злаков.
Так как растительная среда является нетипичной для развития молочнокислых бактерий, то изучение различных приемов для активизации молочнокислого брожения в такой среде, улучшения адаптации закваски является актуальным.
В качестве способов интенсификации процессов ферментации в растительной среде предлагаются введение пребиотика инулин и совместная УЗ-обработка среды и комплексной закваски «Бифидо плюс»на этапе заквашивания.
Инулин — это полисахарид растительного происхождения, хорошо растворяется в воде, не переваривается пищеварительными ферментами, является наиболее широко распространенным природным запасным веществом после крахмала. Данный полисахарид не влияет на уровень глюкозы в крови, поэтому может без опасения использоваться в рационе людей, больных диабетом, его употребление может способствовать снижению уровня липопротеинов низкой плотности.
В качестве пребиотика инулин и его производные обладают свойствами увеличения содержания полезных бифидобактерий и подавления влияния вредных патогенных бактерий, применяются в пищевой промышленности для улучшения питательных и функциональных свойств продуктов.
Существуют исследования, что некоторые физические факторы, в частности ультразвук, способны оказывать неспецифическое стимулирующее воздействие на живые организмы. К неспецифическим стимуляторам относятся незнакомые организму воздействия, на которые у организма нет стандартной программы реагирования и которые воспринимаются как сигнал возможного неблагоприятного развития событий. В качестве ответной реакции биологическая система, активизируя защитные механизмы, стремится повысить свою продуктивность. Ультразвук низкой интенсивности за счет возникновения кавитации может интенсифицировать трансмембранный перенос, вызывая изменения в структуре клеточных мембран и увеличивая их проницаемость, а также снижая диффузионные ограничения за счет акустических микропотоков вблизи клеточных поверхностей.
В связи с этим возможно, что возникающее при этом нарушение состава внутриклеточной среды и микроокружения клетки отразится на скорости биохимических реакций с участием закваски молочнокислых бактерий, весьма чувствительных к содержанию в среде тех или иных ионов, продуктов ферментативных реакций и некоторых других веществ.
Исследованиями Thi My Phuc Nguyen, Ljubić Anamarija, Jurić Anita также доказано влияние ультразвука на углеводный обмен при ферментации молока Bifidobacterium breve, Bifidobacterium infantis, Bifidobacterium animalis subsp. Bifidobacterium lactis и Bifidobacterium longum. Обработка ультразвуком ускоряла гидролиз лактозы и реакцию трансгалактозилирования в ферментированном молоке. Ультразвук стимулировал выработку основных органических кислот на более поздней стадии ферментации молока и в то же время снижал соотношение уксусной кислоты к молочной.
Эти факты позволяют предложить использование ультразвука в качестве интенсифицирующего фактора при ферментации растительного напитка комплексной закваской бифидобактерий.
Проблема многих растительных напитков заключается и в нестабильности их структуры, предрасположенности их к расслоению. Аналитический обзор показал, что молочнокислые микроорганизмы являются источником получения экзополисахаридов, которые используются в качестве натуральных и безопасных загустителей, эмульгаторов или стабилизаторов для улучшения текстуры пищевых продуктов.
Авторами доказан положительный эффект ферментации молочнокислой закваски с образованием органических кислот и экзополисахаридов, а также установлено, что экзополисахариды влияют на вязкоупругие свойства теста и благотворно влияют на его текстуру и срок хранения. Соответственно, в среде овсяного напитка образующиеся экзополисахариды могут положительно влиять на его структурные характеристики.
Цель исследований — оценка ультразвукового воздействия и введения пребиотика инулин на интенсивность процесса метаболизма комплексной закваски «Бифидо плюс» в растительной среде овсяного напитка.
Материалы и методы исследований
Исследования проводились на базе научной лаборатории ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)».
В качестве растительной основы был взят напиток овсяный «Овсяша» (ООО «Южная соковая компания», г. Белореченск, Россия). Состав образца: вода питьевая, овсяная мука, рапсовое масло, витаминно-минеральный премикс (витамин D2, витамин В2 (рибофлавин), кальций (трикальций фосфат), кальция карбонат), соль йодированная.
В качестве пробиотический культуры использовали закваску бактериальную «Бифидо плюс» (ТУ 10.89.19-019-27980966-2022, ООО «БакЗдрав», г. Москва), включающую в себя Streptococcus salivarius ssp. thermophilus, Bifidobacterium adolesсentis, Bifidobacterium bidum, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium longum ssp. longum, Bifidobacterium longum subsp. infantis, Bifidobacterium animalis ssp. lactis.
Комбинация штаммов Streptococcus salivarius ssp. thermophilus отвечает за образование экзополисахаридов, которые играют роль натуральных природных загустителей и стабилизаторов консистенции в технологии производства кисломолочных продуктов, а также выполняют функции саморегуляторов процессов роста и размножения микроорганизмов. В составе закваски содержатся 6 штаммов бифидобактерий, которые находятся в симбиотическом взаимодействии и многократно усиливают эффективность готового продукта: Bifidobacterium adolesсentis, Bifidobacterium bidum обладают высокой антагонистичностью к ряду патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, включая стафилококки, кишечную палочку, шигеллы, дрожжеподобным грибам; Bifidobacterium breve поддерживает функции пищеварительной системы, при производстве пищевого продукта ферментирует олигосахариды и синтезирует уксусную и молочную кислоты, которые способны расщеплять трудноперевариваемые растительные волокна; Bifidobacterium longum способствует укреплению иммунитета, проявляет антагонистичность к болезнетворным бактериям; Bifidobacterium animalis синтезирует витамины B1, В2, В6, В12, фолиевую кислоту, витамин К, является «поставщиком» незаменимых аминокислот, в том числе триптофана, способствующего биосинтезу серотонина.
Адаптация и интенсивное развитие указанных штаммов молочнокислых бактерий в овсяном напитке будут способствовать его ферментации и выработке полноценного в пищевом отношении продукта, что и определяет актуальность и значимость проводимых исследований.
Ультразвуковая обработка применялась на этапе введения закваски в растительную среду. Для обработки использовали ультразвуковой низкочастотный генератор «Волна-Л» (модель УЗТА-0,63/22-ОЛ) с рабочим элементом погружного типа. Воздействие осуществлялось низкочастотным ультразвуком: частота — 22 ± 1,65 кГц, интенсивность — не менее 10 Вт/см². Режим обработки — мощность 325 Вт в течение 3 мин. Для ограничения нагревания среды при УЗ-воздействии емкость с растительным напитком помещалась в водяную баню, при этом температурный интервал воздействия не превышал 35 ± 2 ºС, что находится в оптимуме для бифидобактерий.
Инулин (ООО «ФармМикс», г. Нижний Новгород) вносили в количестве 5 г / 150 мл растительного молока. Сквашивание осуществлялось согласно рекомендации изготовителя закваски — 3 г / 1 л, температурный интервал — 35–37 °C.
Оценку процесса ферментации осуществляли по накоплению биомассы, количеству пробиотических микроорганизмов, результатам оценки титруемой кислотности, накоплению молочной кислоты, доле экзополисахаридов (ЭПС), вязкости продукта. В качестве способов активизации процесса ферментации использовали УЗ-воздействие и введение пребиотика в сквашиваемую среду.
Накопление молочнокислых бактерий в растительной среде на первом этапе устанавливали с помощью экспресс-теста «Петритест» (НПО «Альтернатива», Россия). Прирост биомассы микроорганизмов оценивали с использованием пробирочного биореактора RTS-1C (изготовитель BioSan, Латвия). Программное обеспечение биореактора BioSan выстраивало графически ферментативную кинетику процесса, основанную на определении интенсивности светорассеяния. В каждой контролируемой точке прибор фиксировал значение прироста биомассы микроорганизмов.
Титруемую кислотность определяли методом нейтрализации кислых солей, белков, свободных кислот и других кислых соединений раствором щелочи в присутствии индикатора фенолфталеин, активную кислотность — методом измерения разности потенциалов между измерительным электродом и электродом сравнения, погруженными в пробу ферментированного растительного напитка.
Содержание молочной кислоты определяли спектрофотометрически по методике, указанной в патенте 2639245С1, которая заключается в добавлении исследуемого раствора к раствору хлорида железа трехвалентного, взятого в концентрации 0,2%, и последующим измерением оптической плотности полученного раствора при длине волны 390 нм. Количественно концентрация молочной кислоты устанавливалась по калибровочному графику.
Массовую долю ЭПС оценивали модифицированным сернокислотным методом. В основе метода — цветная реакция моносахаридов с фенолом в присутствии концентрированной серной кислоты. Вязкость пробиотических напитков на растительной основе определялась с помощью вибрационного анализатора вязкости SV AND (изготовитель A&D Company, Япония) за счет погружаемого зонда в исследуемую среду.
Определение и подсчет пробиотических микроорганизмов состоят в высеве функциональных пищевых продуктов и ингредиентов, которые могли бы содержать пробиотические микроорганизмы в определенных концентрациях в питательные среды, и их культивировании при оптимальных для роста условиях, а также в последующем определении их культурально-морфологических свойств и подсчете количественного содержания в продукте (по методике ГОСТ Р 56139). Общая доверительная вероятность результатов исследования — 0,95.
Результаты и обсуждение
На первом этапе оценки провели экспресс-тест на наличие молочнокислых бактерий в среде растительного напитка.
При внесении в пробирку с жидкостью теста (рис. 1а) исследуемого раствора бактериальный рост способствовал изменению его окраски, в связи с чем результат (рис. 1б) интерпретировался как положительный. Лактобактерии в жидкости присутствовали.
При благоприятном протекании процесса адаптации в растительной среде должно происходить активное накопление биомассы микроорганизмов. Результаты оценки данного показателя (рис. 2, 3) свидетельствуют о влиянии условий развития микроорганизмов на кривую роста бактериальной культуры.
На первой стадии (в лаг-фазе) культура адаптируется к новой среде обитания. Активизируются ферментные системы, возрастает количество нуклеиновых кислот, клетка готовится к интенсивному синтезу белков и других соединений. Клетки не размножаются, концентрация живых клеток постоянна и равна количеству внесенных клеток. В длительности лаг-фазы устанавливается разница в зависимости от условий ферментации, внесение инулина способствует ее сокращению на 0,85 ± 0,05 ч., воздействие УЗ-обработки увеличивает лаг-фазу на 2,1 ± 0,2 ч. Затем во всех образцах наступает непродолжительная фаза ускорения роста. Эта фаза характеризуется началом деления клеток, увеличением общей массы и постоянным увеличением скорости роста культуры.
При выравнивании процессов жизнедеятельности микроорганизмов в стационарной фазе увеличение объемов накопления биомассы в образце пробиотического напитка, подвергнутого УЗ-воздействию, относительного контрольного образца составляет 60–313% на разных временных этапах. Воздействие инулина дает положительную динамику, доля увеличения объемов накопления биомассы в таком образце пробиотического напитка составляет 28– 44% относительно контрольного образца (рис. 3).
Данные результаты согласовываются с исследованиями Д.А. Дурникина, М.М. Силантьевой, доказывающими возможность интенсификации процесса накопления биомассы бактерий (продуцентов молочной кислоты) обработкой ультразвуком.
Последующая оценка титруемой кислотности пробиотических напитков и содержания в них молочной кислоты позволяет отметить возможность активизации сквашивания растительной среды введением инулина и воздействием ультразвука, интенсификация биохимических процессов по титруемой кислотности составляет от 3 до 15%, по накоплению молочной кислоты — от 38,7 до 68%.
Приведенные результаты характеризуют активное развитие комплексной закваски «Бифидо плюс» в растительной среде овсяного напитка.
При определении и подсчете пробиотических микроорганизмов было установлено, что все исследуемые образцы можно отнести к функциональным продуктам с пробиотиками. В связи с тем, что содержание пробиотических микроорганизмов в них находилось в пределах 5,2 × 107.
Оценка содержания ЭПС в исследуемых образцах пробиотических напитков также показала зависимость их накопления от дополнительных способов воздействия на штаммы Streptococcus thermophilus и Bifidobacterium при заквашивании (рис. 5).
Внесение инулина активизирует выработку экзополисахаридов на 27,3%, УЗ-обработка — на 58,8% относительно контрольного образца.
Микроорганизмы синтезируют широкий спектр углеводов, таких как накопительные полимеры (гликогены), расположенные в цитоплазме, или структурные полимеры (гликаны), которые образуют часть микробной оболочки. Микробные полисахариды можно разделить на три категории, состоящие из структурных, внутриклеточных и внеклеточных полисахаридов (также известных как экзополисахариды — ЭПС).
ЭПС представляют собой высокомолекулярные биополимеры, синтезируемые внеклеточно или внутри клеток после секреции во внеклеточную среду без взаимодействия с клеточными мембранами. Исследованиями доказано, что бактериальные ЭПС обладают потенциалом защиты бактериальных клеток от неблагоприятных условий окружающей среды, включая высыхание, осмотический стресс и экстремальный уровень pH. ЭПС могут способствовать колонизации клеток в различных средах посредством адгезии поверхностей, образования биопленки и агрегации клеток. Некоторые штаммы бифидобактерий способны синтезировать и высвобождать ЭПС в окружающую среду. Такие штаммы можно легко обнаружить после прямого макроскопического наблюдения за колониями, растущими на поверхности культуральной среды.
Помимо присущим ЭПС функциональным характеристикам, таким как антиоксидантная, противоопухолевая, иммуномодулирующая, антибактериальная, гипогликемическая, гипотензивная, снижающая уровень холестерина активность и способность способствовать колонизации пробиотиков в кишечнике хозяина, полимеры помогают улучшить текстуру, вкус во рту и вязкость ферментированного молока, а также являются эффективными заменителями жира, предотвращая синерезис или отделение сыворотки.
Факт положительного влияния увеличивающегося количества ЭПС в продукте на консистенцию готового продукта подтверждается результатами оценки вязкости образцов. Относительно контрольного образца с вязкостью 3,1 мПа*с обработка ультразвуком сквашиваемой среды увеличивала вязкость на 45,2%, внесение пребиотика инулин — на 25,8%.
В связи с этим активизация выработки ЭПС является положительным фактором развития комплексной закваски «Бифидо плюс» в растительной среде овсяного напитка и может способствовать дальнейшим исследованиям по моделированию процесса их накопления в связи с возможностью таким образом повысить стабильность пробиотических напитков на растительной основе, что в настоящее время очень актуально.
Выводы
Таким образом, результаты исследований подтверждают возможность использования растительного напитка на овсяной основе для ферментации комплексной закваской «Бифидо плюс», включающей в себя штаммы бактерий Streptococcus salivarius ssp. thermophilus, Bifidobacterium adolesсentis, Bifidobacterium bidum, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium longum ssp. longum, Bifidobacterium longum subsp. infantis, Bifidobacterium animalis ssp. lactis.
В результате протекающих биотехнологических процессов происходит изменение титруемой кислотности, увеличивается доля молочной кислоты, накапливается биомасса молочнокислых бактерий и ЭПС, что характеризует активную адаптацию молочнокислых бактерий в растительной среде. Стимулирующее действие на биотехнологические процессы оказывают УЗ-обработка и внесение пребиотика инулин. В частности, внесение инулина сокращает лаг-фазу на 0,85 ± 0,05 ч., воздействие УЗ-обработки увеличивает ее на 2,1 ± 0,2 ч. При этом увеличение в последующем объемов накопления биомассы в образце пробиотического напитка, подвергнутого УЗ-воздействию, составило 60–313%, воздействию инулина — 28–44%. Введение инулина и воздействие ультразвука активизируют изменение титруемой кислотности на 3–15% (в среднем), накопление молочной кислоты — на 38,7–68%, накопление ЭПС — на 27,3–58,8% относительно контрольного образца. В связи с этим введение в растительную систему пребиотика инулин и УЗ-обработки в качестве технологического этапа являются способами, перспективными для дальнейших исследований.
Об авторах
Наталия Викторовна Попова; кандидат технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий
nvpopova@susu.ru; https://orcid.org/0000-0003-4309-891X
Ксения Сергеевна Каменева; сотрудник управления научной
и инновационной деятельности
ksyushenka.kameneva@mail.ru; https://orcid.org/0009-0001-8705-3222
Андрей Константинович Васильев; сотрудник управления научной
и инновационной деятельности
mbz2018vak72@susu.ru; https://orcid.org/0000-0001-8481-7656
Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080, Россия
УДК 664+579.676
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-383-6-132-138
