Подписаться на нашу рассылку

    Комментарии

    Молочный продукт, обогащенный тройным марганецсодержащим комплексом

    В организме человека происходит большое количество сложных физических и химических процессов, таких как метаболизм углеводов, белков, жиров, внутриклеточные энергетические процессы, рост костной, а также соединительной ткани, свертывание крови. Все эти процессы объединяет потребность в наличии различных микронутриентов, таких как Co, Mn, Se, I, Cr и т. д..

    На данный момент одна из актуальных проблем — дефицит микроэлементов с высокой биологической доступностью, которые отвечают за нормальное функционирование различных процессов в организме человека и обеспечивают защиту организма от негативных факторов окружающей среды, а также предотвращают развитие ряда болезней. Недостаток микроэлементов приводит к развитию хронических заболеваний, снижению умственной и физической активности.

    Согласно исследованиям, в почве средней и южной Сибири наблюдается низкое содержание марганца, из-за чего продукты растительного происхождения имеют дефицит Mn. Одна из ключевых функций марганца — участие в метаболизме инсулина, у людей с сахарным диабетом наблюдается дефицит этого микроэлемента в крови.

    Для восполнения дефицита марганца можно скорректировать рацион питания и увеличить количество потребляемой пищи с высоким содержанием марганца, а также включить в рацион биологически активные добавки и витаминно-минеральные комплексы.

    Другим способом восполнения дефицита марганца является потребление продуктов питания, обогащенных хелатными формами эссенциального микроэлемента марганца. Например, молочные продукты, обогащенные марганецсодержащим комплексом.

    Современные исследования показали, что применение в качестве хелаторов эссенциальных микроэлементов органических соединений (аскорбиновая кислота, незаменимые аминокислоты) является эффективным способом повышения усвояемости микроэлементов.

    Цель данного исследования — получение молочного продукта, обогащенного тройным марганецсодержащим комплексом — аскорбатоизолейцинатом марганца.

    Материалы и методы исследования

    Синтез и исследование образцов аскорбатоизолейцината марганца проводили на базе кафедры физики и технологии наноструктур и материалов физико-технического факультета ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» в январе 2024 года.

    Работу проводили с использованием следующих реактивов: L-изолейцин (ч., PanReac Applichem, г. Дармштадт, Германия), аскорбиновая кислота (ч. д. а., «ЛенРеактив», г. Санкт-Петербург), гидроксид бария и сульфат марганца (ч. д. а., «Интерхим», г. Санкт-Петербург).

    Для синтеза аскорбатоизолейцината марганца (II) смешивали L-изолейцин с аскорбиновой кислотой в мольном соотношении 1:1. Затем к полученной смеси добавляли гидроксид бария, дистиллированную воду и сульфат марганца (II). Из полученного раствора удаляли сульфат бария центрифугированием при 3000 об/мин в течение 5 мин.

    Для изучения функциональных групп в полученных образцах использовали ИК-спектроскопию. Исследование проводили на ИК-спектрометре ФСМ-1201 с преобразованием Фурье (ООО «Инфраспек», г. Санкт-Петербург). Диапазон измерений составлял 400–4400 см-1.

    Для исследования фазового состава образцы исследовали методом рентгенофазового анализа на рентгеновском дифрактометре PANalytical Empyrean (корпорация Spectris, Великобритания).

    Компьютерное квантово-химическое моделирование аскорбатоизолейцината марганца проводили в программе QChem с использованием молекулярного редактора IQmo. Расчет осуществлялся на оборудовании центра обработки данных (Schneider Electric, Франция) ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет». Расчеты проводили со следующими параметрами: расчет — Energy, метод — HF, базис — 6-31G, convergence — 5, силовое поле — Chemical.

    Для исследования стабильности аскорбатоизолейцината марганца при различных значениях технологических параметров проводили многофакторный эксперимент, который включал в себя три входных параметра и три уровня варьирования.

    В качестве входных параметров рассматривали активную кислотность среды (pH), время перемешивания (τ, мин.), температуру раствора (t, °С).

    В качестве выходного параметра выступало изменение значения окислительно-восстановительного потенциала (∆ Eh). Значение окислительно-восстановительного потенциала определяли методом редоксиметрии. 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.

    Обогащение молока с жирностью 3,2% (АО «МКС», г. Ставрополь, Россия) хелатным комплексом эссенциального микроэлемента марганца c аскорбиновой кислотой и L-изолейцином проводили из расчета 30% от суточной нормы потребления марганца (3 мг).

    Исследование среднего гидродинамического радиуса мицелл казеина проводили методом динамического рассеяния света (DLS) на приборе Photocor-Complex (ООО «Антек-97», Россия). Компьютерную обработку полученных результатов осуществляли с использованием программного обеспечения DynaLS.

    Исследование ζ-потенциала и электропроводности проводили методом акустической и электроакустической спектроскопии на установке DT-1202 (Dispersion Technology Inc., США). Активную кислотность среды определяли на рН-метре-(иономере) «Эксперт-001» (ООО «Эконикс-Эксперт», Россия).

    Титруемую кислотность молока определяли титриметрическим методом согласно ГОСТ 3624. Метод базируется на титровании молока раствором щелочи (гидроксидом натрия или калия) в присутствии индикатора фенолфталеина. Исследования органолептических свойств проводили в соответствии с ГОСТ 28283.

    Результаты и обсуждение

    На первом этапе полученный образец аскорбатоизолейцината марганца исследовали методом рентгенофазового анализа. Результаты исследований представлены на рисунке 1.

    Анализ дифрактограммы показал, что образец комплекса эссенциального микроэлемента с аскорбиновой кислотой и L-изолейцином (незаменимой аминокислотой) обладает аморфной структурой. Для исследования процесса взаимодействия L-изолейцина, аскорбиновой кислоты и марганца проводили квантово-химическое моделирование, в результате которого получили распределение электронной плотности, значения полной энергии молекулярной системы и абсолютной химической жесткости. Полученные данные представлены на рисунке 2 и в таблице 2.

    Анализ полученных данных показал, что энергетически выгодной является молекулярная система комплекса аскорбатоизолейцината марганца, в котором взаимодействие происходит через карбоксильную группу и α-аминогруппу L-изолейцина и через C2 и C3 атомы аскорбиновой кислоты. Данная молекулярная система обладает наименьшей энергией (E = — 2264,757 ккал/моль).

    Стоит отметить, что все варианты взаимодействия обладают значением химической жесткости η ≥ 0,100 эВ.

    Для подтверждения результатов моделирования образцы исследовали на ИК-спектрометре с преобразованием Фурье. Результаты исследований представлены на рисунке 3.

    Анализ ИК-спектра аскорбиновой кислоты показал, что в области от 3150 до 3560 см-1 присутствуют полосы на 3525 см-1, 3410 см-1, 3315 см-1 и 3220 см-1, которые характерны для валентных колебаний O-H групп. Полосы на 3030 и 2918 см-1 принадлежат CH2-группе. Полосы на 634, 719и 1755 см-1 соответствуют колебаниям C = O. Полоса на 1670 см-1 соответствует колебаниям C = С. Полосы на 1498 см-1, 1365 см-1, 1197 см-1, 990 см-1 соответствуют деформационным колебаниям CH2-группы. Полоса на 1220 см-1 соответствует деформационным колебаниям CH-группы. Полосы на 1278, 1392 и 1448 см-1 соответствуют деформационным колебаниям C-O-H, наблюдаемых у С2, С3, С5, С6 атомов аскорбиновой кислоты. Полосы на 1075, 1112, 1144 и 1330 см-1 соответствуют деформационным колебаниям C-OH, наблюдаемых у С2, С3, С5, С6 атомов аскорбиновой кислоты. Полосы на 756, 871, и 1755 см-1 соответствуют колебаниям C = С.

    Анализ ИК-спектра Lизолейцина показал, что в спектре присутствуют характерные для аминокислот полосы колебаний на 1512 см-1 и 1610 см-1, соответствующие деформационным колебаниям NH3+ группы. Установлено, что полосы колебаний на 1325 см-1 и 1579 см-1 соответствуют колебаниям COO группы. В области до 1300 см-1 присутствуют деформационные колебания -СН2 и -СН3 групп. В области от 2500 до 3200 см-1 присутствуют валентные колебания NH3+, -СН2 и -СН3 групп.

    В ИК-спектре аскорбатоизолейцината марганца наблюдается уменьшение интенсивности полос на 1512 см-1, на 1610 см-1, соответствующих деформационным колебаниям NH3+ группы, и на 1325 см-1, на 1579 см-1, соответствующих колебаниям COO группы, характерных для Lизолейцина. Наблюдается уменьшение интенсивности полос на 1112, 1144 и 1330 см-1, соответствующих деформационным колебаниям C-OH, на 1278, 1392 и 1448 см-1,соответствующих деформационным колебаниям C-O-H аскорбиновой кислоты. Таким образом, можно сделать вывод о том, что образование аскорбатоизолейцината марганца происходит через ОН группы аскорбиновой кислоты и через COO и NH3+ группы аминокислот.

    Полученные результаты ИК-спектроскопии согласуются с данными компьютерного квантово-химического моделирования.

    На следующем этапе исследовали стабильность аскорбатоизолейцината марганца. В результате обработки экспериментальных данных получили зависимости изменения значения окислительно-восстановительного потенциала (∆ Eh) от рН, температуры и времени экспозиции. Полученные зависимости представлены на рисунке 4.

    Анализ изменения значения окислительно-восстановительного потенциала (∆ Eh) от рН, температуры и времени экспозиции показал, что на стабильность тройного комплекса эссенциального микроэлемента марганца с аскорбиновой кислотой и L-изолейцином (незаменимой аминокислотой) значительное влияние оказывают все параметры (рН, температуры и времени экспозиции). Установлено, что при увеличении рН, температуры и времени экспозиции происходит увеличение ∆ Eh, что свидетельствует о потере стабильности комплекса и его разрушении.

    Параметры, при которых наблюдается стабильность образцов, соответствуют наименьшим значениям ∆ Eh: рН = 3–7, t = 25–60°, τ = 5–15.

    Далее проводили обогащение молока тройным марганецсодержащим комплексом и исследовали влияние концентрации данного соединения на физико-химические параметры дисперсной фазы молока. Использовали концентрацию аскорбатоизолейцината марганца — 0,05 моль/л. Результаты исследований представлены в таблице 3.

    Анализ полученных данных показал, что изменение концентрации практически не оказывает влияния на электропроводность образцов и заряд мицелл казеина дисперсной фазы молока. Однако концентрация тройного марганецсодержащего комплекса влияет на средний гидродинамический радиус мицелл казеина, титруемую кислотность и рН. При концентрации 0,00005 моль/л, 0,0005 моль/л и 0,005 моль/л значения среднего гидродинамического радиуса мицелл казеина, титруемой кислотности и рН значительно не отличаются от значений контрольного образца. При увеличении концентрации до 0,05 моль/л средний гидродинамический радиус мицелл казеина увеличивается до 300 нм, титруемая кислотность увеличивается до 28,5 оТ, а рН образца уменьшается до 6,23.

    Таким образом, для обогащения аскорбатоизолейцинатом марганца необходимо использовать концентрации 0,005 моль/л и меньше.

    На заключительном этапе исследований проводили органолептическую оценку молока, обогащенного аскорбатоизолейцинатом марганца. Результаты исследований представлены в таблице 4.

    Анализ результатов показал, что значения показателей (запах и вкус) молока, обогащенного аскорбатоизолейцинатом марганца, превышают значения показателей контрольного образца и образца, обогащенного неорганической формой железа — сульфатом марганца.

    Выводы

    В данной статье проведен синтез тройного комплекса эссенциального микроэлемента марганца c аскорбиновой кислотой и L-изолейцином (незаменимой аминокислотой). С помощью метода рентгенофазового анализа установили, что комплекс обладает аморфной структурой.

    В результате моделирования определили оптимальную модель взаимодействия: через карбоксильную группу и α-аминогруппу L-изолейцина и через C2 и C3 атомы аскорбиновой кислоты (E = — 2264,757 ккал/моль). Данные ИК-спектроскопии подтвердили выводы квантово-химического моделирования.

    В рамках исследования стабильности аскорбатоизолейцината марганца установлено, что при увеличении рН, температуры и времени экспозиции происходит увеличение ∆ Eh, что свидетельствует о потере стабильности комплекса и его разрушении. Параметры, при которых наблюдается стабильность образцов, соответствуют наименьшим значениям ∆ Eh: рН = 3–7, t = 25–60, τ = 5–15.

    Исследовали влияние концентрации на физико-химические параметры дисперсной фазы молока. Установили, что для обогащения аскорбатоизолейцинатом марганца необходимо использовать концентрации 0,005 моль/л и меньше. При данных концентрациях наблюдаются следующие значения: рН — 6,7–6,8, титруемая кислотность — от 18 до 20,5 оТ, средний гидродинамический радиус — около 30 ± 5 нм.

    Органолептическая оценка образцов показала, что значения показателей (запах и вкус) молока, обогащенного аскорбатоизолейцинатом марганца, превышают значения показателей контрольного образца (АО «МКС», г. Ставрополь, Россия) и образца, обогащенного неорганической формой железа — сульфатом марганца.

    Об авторах

    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

    Зафар Абдулович Рехман1; ассистент кафедры физики и технологии наноструктур и материалов

    zafrehman1027@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-2809-4945

    Алексей Алексеевич Гвозденко1; ассистент кафедры физики и технологии наноструктур и материалов

    gvozdenko.1999a@gmail.com; https://orcid.org/0000-0001-7763-5520

    Алексей Борисович Голик1; ассистент кафедры физики и технологии наноструктур и материалов

    lexgooldman@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-2580-9474

    Андрей Ашотович Нагдалян1; кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории пищевой и промышленной биотехнологии

    geniando@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-6782-2821

    Максим Борисович Ребезов2, 3

    • доктор сельскохозяйственных наук, кандидат ветеринарных наук, профессор, главный научный сотрудник2;

    • доктор сельскохозяйственных наук, кандидат ветеринарных наук, профессор кафедры биотехнологии и пищевых продуктов3

    rebezov @ya.ru; https://orcid.org/0000-0003-0857-5143

    1 Северо-Кавказский федеральный университет, ул. им. Пушкина, 1, Ставрополь, 355002, Россия

    2 Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наук, ул. им. Талалихина, 26, Москва, 109316, Россия

    3 Уральский государственный аграрный университет, ул. им. Карла Либкнехта, 42, Екатеринбург, 620075, Россия

    УДК 637.04 + 661.871
    DOI: 10.32634/0869-8155-2024-382-5-117-123

    Журнал «Аграрная наука»

    Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии

    0 Комментарий
    Межтекстовые Отзывы
    Посмотреть все комментарии
      ПОДПИШИТЕСЬ
      БЕСПЛАТНО
      на электронную версию журнала «Аграрная наука» и получайте ежемесячно pdf на свой e-mail.

        Нажимая на кнопку Вы соглашаетесь с политикой обработки персональных данных