Оценка эффективности и оптимизация процесса ферментации овсяного напитка молочнокислыми микроорганизмами
В развитие исследований в области технологий производства пробиотических напитков на растительной основе, которые привлекательны для людей с индивидуальными особенностями организма либо с собственными пищевыми предпочтениями, актуальны тенденции производства напитков на овсяной основе.
Овес, как сырьевой ингредиент для растительных напитков, характеризуется рядом преимуществ, в том числе достаточно дешев, имеет богатый химический состав, менее аллергенен по сравнению с напитками на основе сои или орехов, произрастает в регионах, где выращивание сои или орехов не может быть применимо из-за погодных и сельскохозяйственных условий. Овес богат крахмалом, белком, клетчаткой (бета-глюканами), антиоксидантами, витаминами и полезными жирами.
Некоторые исследования показывают гипохолестеринемический эффект овсяных продуктов, приводящий к снижению уровня холестерина на 20–30% и ожидаемому общему эффекту снижения риска сердечно-сосудистых заболеваний именно благодаря содержанию в овсе бета-глюкана. Белки овса имеют более высокое содержание лизина, который является основной лимитирующей аминокислотой в злаках. Овес содержит большое количество ненасыщенных незаменимых жирных кислот, таких как олеиновая кислота (18:1) и линолевая кислота (18:2), которые оказывают значительное влияние на качество питания.
Одним из способов уменьшить дефицит сырья, улучшить срок хранения, питательность и вкус продукта является ферментация.
Процесс ферментации вызывает некоторые биохимические изменения в пищевом матриксе, что повышает биодоступность питательных веществ, усвояемость белков, продлевает срок хранения продукта. Благодаря ферментационным процессам можно разрабатывать функциональные пробиотические продукты питания, полезность которых для организма человека сегодня уже не вызывает сомнения.
Пробиотики представляют собой селективные жизнеспособные микробиологические пищевые добавки, вводимые в достаточном количестве, чтобы принести пользу для здоровья человека. Эти микроорганизмы можно использовать по отдельности или в сочетании для улучшения метаболизма лактозы, профилактики инфекций кишечного тракта, повышения иммунитета, снижения содержания холестерина в сыворотке крови, синтеза витаминов, экзополисахаридов и т. д.
Основными источниками пробиотиков для человека долгое время являлись молоко и кисломолочные продукты. Однако непереносимость лактозы, высокое содержание холестерина, аллергия на молочные белки и всё увеличивающееся количество вегетарианцев стали ограничивающими факторами для развития рынка молочных пробиотических продуктов.
Такая ситуация требует поиска альтернативных подходов к разработке пищевых продуктов — источников пробиотиков, в том числе на основе фруктов, овощей, круп, бобовых и т. д.
Цели исследования — оценка возможности ферментации овсяного напитка штаммами пробиотических молочнокислых микроорганизмов и поиск оптимальных режимов этого процесса.
Материалы и методы исследования
В качестве растительной основы взят напиток безалкогольный из растительного сырья «Молоко овсяное» марки «Здоровое меню» (ООО «Объединение “Союзпищепром”», Россия). В составе данного продукта вода, овсяная мука, рапсовое масло, карбонат кальция, фосфат кальция, регулятор кислотности — фосфат калия, витамин В2, соль йодированная.
В качестве пробиотический культуры использовали закваску Danisco Choozit MA 11 25 DCU (Danisco France SAS, Франция), включающую в себя Lactococcus lactis subsp. Lactis, Lactococcus lactis subsp. сremoris. Lactococcus lactis subsp. lactis — основной компонент любой мезофильной закваски, гомоферментативная бактерия, продуктом брожения которой является молочная кислота. Оптимальной температурой роста для него считается 28–32 °С, а максимальной — 40–42 °С. Lactococcus lactis subsp. сremoris обеспечивает нежный сливочный вкус готовому продукту, отвечает за образование сгустка сметанообразной консистенции, способного удерживать влагу.
Оценку процесса ферментации осуществляли по накоплению биомассы, результатам оценки титруемой и активной кислотности, накоплению молочной кислоты в образцах пробиотических напитков, наиболее вероятному числу пробиотических микроорганизмов.
Дополнительно оценили влияние функционального компонента на активность изменения указанных показателей. В качестве функционального ингредиента использовали растительный антиоксидант — флавон рутин, изготовитель — Now Foods (США), источник — цветы сафоры японской, чистота — 97–99%.
Сквашивание осуществлялось согласно рекомендации изготовителя закваски (3 г/л), температурный интервал — 37–45 °C.
Количество вносимой добавки рутина рассчитывалось исходя из рекомендуемых норм его потребления на порцию продукта (100 мл) с учетом требований ГОСТ 55577.
Прирост биомассы микроорганизмов оценивали с использованием пробирочного биореактора BioSan (BioSan Ltd., Латвия). Программное обеспечение биореактора BioSan выстраивает графически ферментативную кинетику процесса, основанную на определении интенсивности светорассеяния. В каждой контролируемой точке прибор фиксирует значение прироста биомассы микроорганизмов.
Титруемую кислотность определяли методом нейтрализации кислых солей, белков, свободных кислот и других кислых соединений раствором щелочи в присутствии индикатора фенолфталеина, активную кислотность — методом измерения разности потенциалов между измерительным электродом и электродом сравнения, погруженными в пробу ферментированного растительного напитка.
Содержание молочной кислоты определяли спектрофотометрически (с применением спектрофотометра СФ56, Россия) по методике патента 2639245С1, которая заключается в добавлении исследуемого раствора к 0,2%-ному раствору хлорида железа трехвалентного, с последующим измерением оптической плотности полученного раствора при длине волны 390 нм. Количественно концентрация молочной кислоты устанавливается по калибровочному графику.
Для установления оптимальных технологических режимов производства ферментированных (пробиотических) напитков была внедрена методика композиционного планирования, основанная на двухфакторном анализе. Температура и время ферментации были выбраны в качестве переменных, а содержание молочной кислоты — в качестве контролируемого показателя, который косвенно может свидетельствовать о полноте протекания процесса адаптации пробиотических микроорганизмов в системе растительного напитка. Были использованы три температурных режима ферментации (28 °С, 32 °С и 36 °С) в течение 12, 16 и 20 часов.
Определение и подсчет пробиотических микроорганизмов проводили по методике ГОСТ Р 56139. Метод основан на высеве ряда разведений 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 с последующим определением их культурально-морфологических свойств и подсчете количественного содержания в продукте. Количество пробиотических микроорганизмов выражали через единицы НВЧ (наиболее вероятное число микроорганизмов).
Морфологию микроорганизмов изучали путем светлопольной микроскопии фиксированного мазка, окрашенного метиленовым голубым (увеличение ×1500). Дополнительно проводили оценку соответствия органолептических показателей полученного пробиотического напитка на растительной основе требованиям ГОСТ Р 70650.
Результаты и обсуждение
При благоприятном протекании процесса адаптации в растительной среде должно происходить накопление биомассы микроорганизмов. Результаты оценки данного показателя свидетельствовали о положительном протекании биотехнологического процесса возможности развития молочнокислой закваски в растительной среде (рис. 1).
Отмечается положительное влияние вносимого функционального компонента — флавона рутина — на активизацию процесса накопления биомассы, что связано с лучшей адаптацией закваски в растительной среде (рис. 2).
Рисунки 1 и 2 демонстрируют темпы прироста биомассы микроорганизмов и указывают на то, что без добавления рутина темп прироста биомассы лактобактерий в течение первых четырех часов снижается и последующее время колеблется в диапазоне 0,05–0,2 (h-1). При внесении рутина характер течения этого процесса меняется. В течение первого часа процесса ферментации происходит адаптация молочнокислых микроорганизмов к питательной среде. В последующем темп прироста биомассы колеблется в диапазоне 0,2–0,3 (h-1).
В целом прирост биомассы молочнокислых бактерий без внесения рутина составил 150%, а при внесении — 230% за 12 часов ферментации. Это свидетельствует о способности закваски молочнокислых бактерий адаптироваться в растительной среде, причем внесение функционального ингредиента в расчетном количестве активизирует процесс адаптации и развития молочнокислых бактерий. Это наглядно демонстрируют результаты микроскопии образцов (рис. 3).
Анализ микроскопии с учетом атласа микроорганизмов (МУ 2.3.2.2327) показывает присутствие как Lactococcus lactis subsp. lactis, так и Lactococcus lactis subsp. сremoris, причемболее активное развитие культуры молочнокислых микроорганизмов наблюдалось в образце с рутином. Это послужило основанием в дальнейших исследованиях использовать именно этот образец напитка.
Развитие молочнокислой микрофлоры в пищевой системе сопряжено с рядом изменений, таких как рост титруемой кислотности в результате молочнокислого брожения, снижением значений рН, в результате частичного распада белка. Интенсивность этих процессов в значительной степени зависит от режимов процесса ферментации. Авторами была предпринята попытка оценить влияние температуры и продолжительности процесса ферментации на изменение ключевых показателей — титруемой кислотности и рН (рис. 4).
Полученные значения показали, что развитие микроорганизмов используемой заквасочной культуры в системе растительного напитка происходит в целом стабильно. Выбранные режимы ферментации не вызвали резких скачков в значениях оцениваемых показателей. Вместе с тем наблюдались незначительное снижение титруемой кислотности и рост значений рН при увеличении температуры процесса до 36 ℃, что может косвенно свидетельствовать о снижении уровня активности микроорганизмов.
Для оптимизации процесса ферментации овсяного молока молочнокислыми микроорганизмами был применен двухфакторный регрессионный анализ. Температура и время ферментации были выбраны в качестве переменных, а в качестве контролируемого показателя было выбрано содержание молочной кислоты, наиболее полно иллюстрирующего процесс адаптации пробиотических микроорганизмов в системе растительного напитка. Результаты оценки содержания молочной кислоты в напитках, ферментируемых при различных режимах, приведены в таблице 1.
В результате планирования и решения задачи оптимизации с использованием программного обеспечения MATHCAD 15.1 были получены поверхность отклика и описывающее ее уравнение, что позволило сократить количество экспериментов, необходимых для определения оптимального сочетания факторов (рис. 5).
Данные (рис. 5) свидетельствуют, что с учетом физического смысла величин рациональными условиями для создания пробиотических напитков на овсяной основе будет 16,7 часа при температуре 34,7 °С.
Для напитка, полученного с учетом установленного рационального режима, была проведена оценка количества пробиотических культур микроорганизмов по методике ГОСТ Р 56139 путем определения показателя НВЧ.
Полученные результаты показали, что их количество в вырабатываемом образце напитка на растительной основе составило 3,8–5,2 × 107. Это позволяет отнести такой напиток к функциональным продуктам с пробиотиками и свидетельствует о способности микроорганизмов используемой закваски Lactococcus lactis subsp. Lactis, Lactococcus lactis subsp. сremoris адаптироваться и развиваться в растительной среде овсяного напитка.
Была проведена оценка органолептических показателей готового пробиотического растительного напитка как наиболее важных для конечного потребителя (табл. 2).
По органолептическим показателям отмечается полное соответствие стандарту. Напиток характеризуется по внешнему виду однородностью и гомогенной структурой, без расслоений и образования осадка, цвет — приятный, со слабым желтоватым оттенком, вкус и запах — характерные для овсяного напитка, со слегка кисловатым привкусом, что свидетельствует о протекании процесса сквашивания растительного напитка молочнокислыми бактериями.
Выводы
Таким образом, результаты исследований подтверждают возможность использования растительного напитка на овсяной основе для ферментации молочнокислыми бактериями Lactococcus lactis subsp. Lactis, Lactococcus lactis subsp. сremoris.
В результате протекающих биотехнологических процессов происходит изменение титруемой и активной кислотности, увеличивается доля молочной кислоты, накапливается биомасса молочнокислых бактерий. Стимулирующее действие на эти процессы оказывает внесение рутина.
Количество пробиотических микроорганизмов в вырабатываемом образце напитка на растительной основе составляет 5,2 × 107, что позволяет отнести его к функциональным продуктам с пробиотиками.
Об авторах
Наталия Викторовна Попова, кандидат технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий
nvpopova@susu.ru; https://orcid.org/0000-0003-4309-891X
Ирина Валерьевна Калинина, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры пищевых и биотехнологий
kalininaiv@susu.ru; https://orcid.org/0000-0002-6246-9870
Андрей Константинович Васильев, сотрудник управления научнойи инновационной деятельности
mbz2018vak72@susu.ru; https://orcid.org/0000-0001-8481-7656
Ксения Сергеевна Каменева, сотрудник управления научнойи инновационной деятельности
ksyushenka.kameneva@mail.ru; https://orcid.org/0009-0001-8705-3222
Южно-Уральский государственный университет, пр. Ленина, 76, Челябинск, 454080, Россия
УДК 664+579.676 DOI: 10.32634/0869-8155-2024-379-2-127-132
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
