Biotechnological optimization of nutrient composition of fermented dairy drink

• G.A. Donskaya

AbstractThe receipt based on the results of carried out studies is substantiated and technology of the new fermented dairy drink containing whole milk and whey with inulin (Jerusalem artichoke extract) and optimizing initial mineral composition of raw material has been developed. The starters ascertaining optimal organoleptic properties of the drink have been selected. It has been established that Jerusalem artichoke and its derivatives in the form of syrups and extracts stimulate fermentative processes of technological microflora, with maximum activity observed with Jerusalem artichoke extract. Physical-chemical and microbiological characteristics of the drink have been defined during storage. The possibility to optimize the nutrient composition of fermented dairy product by means of introducing of Jerusalem artichoke extract into milk-protein base has been demonstrated. It has been calculated that consumption of 100 g of fermented dairy drink enriched with Jerusalem artichoke extract makes it possible to satisfy the physiological needs (recommended daily allowance – RDA) for babies from 0 to 3 months in vitamins B₁ , B₂ and B₆ by 25–35% and in minerals P, K, and Ca by 20, 68, 34, 26%. For adults receiving 250 g of fermented beverage meets RDA for vitamins B₁ , B₂ and B₆ by 10–19% and in the macronutrients P, K, Ca – by 25–35%. Designed fermented dairy drink supplemented with natural plant ingredient possesses increased antioxidant activity and may be recommended for mass consumption without any limitations.

Keywords:milk, whey, starter, inulin containing raw material, Jerusalem artichoke extract, fermented drink composition

Для поддержания здоровья, работоспособности и активного долголетия человека требуется постоянное обеспечение организма микронутриентами, необходимыми для обменных процессов, роста и развития организма. Они должны регулярно поступать с пищей в количествах, соответствующих физиологической потребности человека во все возрастные периоды его жизни [11]. Вместе с тем различные категории населения испытывают дефицит в витаминах, минеральных веществах, а также относящихся к разряду пребиотиков пищевых волокнах (ПВ).

Большинство обогащенных молочных продуктов, представленных на рынке, содержат отдельные микронутриенты или комплексы микронутриентов синтетического происхождения. Включение пребиотиков в продукты питания не требует специальных режимов, но значительно повышает функциональные свойства продукта [5]. В то же время молочные продукты с пребиотиками на отечественном рынке пока не нашли широкого распространения.

Наиболее распространенной группой являются пробиотические кисломолочные продукты [10].

Комбинация про- и пребиотиков в одном продукте усиливает благоприятный эффект, улучшая состав микрофлоры кишечника [8].

Известно, что кисломолочные продукты являются наиболее востребованными объектами для обогащения пробиотиками и коррекции нормальной микрофлоры кишечника. Однако длительное использование высоких доз пробиотических бактерий может привести к истощению адаптационных резервов организма [2, 14, 16]. Комбинация пробиотика в сочетании с инулинсодержащим топинамбуром будет стимулировать рост собственной микрофлоры кишечника [1].

Клинические испытания разработанного нами напитка кисломолочного со свекловичными ПВ показали, что потребление 200 г напитка пациентами гастроэнтерологического профиля ежедневно в течение 21 сут приводит к нормализации микрофлоры кишечника, улучшению структуры микробиоценоза, снижению содержания потенциально опасных микроорганизмов на фоне положительной динамики клинических симптомов [13].

Направленное конструирование ферментированного напитка основано на функциональных свойствах составляющих компонентов. Введение в рецептуру напитка молочной сыворотки обусловлено богатым минеральным и аминокислотным составом, уникальностью сывороточных белков, наличием в ней витаминов группы В, лактозы [15].

Содержащаяся в сыворотке лактоза, подвергаясь сбраживанию, препятствует образованию нерастворимых фосфорно-кальциевых солей, поддерживает в кишечнике низкие значения рН, способствует абсорбции кальция. Замена части молока сывороткой способствует увеличению содержания легкоусвояемых белков и одновременно решает проблему рационального использования вторичного молочного сырья.

Известно, что к пребиотикам относятся пищевые компоненты, обеспечивающие при систематическом употреблении в составе пищевых продуктов благоприятное воздействие на организм человека в результате избирательной стимуляции роста или повышения биологической активности нормальной микрофлоры кишечника (ГОСТ Р52349-2005). Пребиотики, содержащие неусваиваемые в верхних отделах желудочнокишечного тракта полисахариды, служат субстратом для облигатных представителей защитной микрофлоры кишечника человека и способствуют их росту. Топинамбур в полной мере соответствует этому термину [3]. Основой полезных свойств топинамбура является его уникальный углеводный комплекс на основе фруктозы и ее полимеров. Инулин, входящий в состав топинамбура, - единственный природный полисахарид, на 95% состоящий из мономеров фруктозы. Показано, что инулин способствует размножению в пищеварительном тракте полезных микроорганизмов, снижает всасывание глюкозы из пищи, стимулирует синтез витаминов и активизирует иммунные механизмы защиты [6, 9]. По активности фермента пероксидазы топинамбур многократно превосходит многие овощи [4].

Целью работы являлась разработка рецептуры и технологии производства ферментированного продукта на основе молока и молочной сыворотки с включением инулинсодержащего пребиотика.

Материал и методы

Объектами исследования являлись топинамбур и его производные; стартовые культуры (закваски): мезофильный лактококк (Kd), термофильный молочнокислый стрептококк (TBп), ацидофильная закваска, вырабатываемые в ФГБНУ ВНИМИ, йогуртная закваска прямого внесения импортного происхождения ("Danisko", Дания); ферментированные молочно-растительные композиции на основе молока и молочной сыворотки с инулинсодержащими добавками - пребиотиками [порошок и сироп топинамбура производства "Терра" (РФ) по ТУ 9185-003-56857055-05].

Экстракцию порошка топинамбура в молоко проводили при температуре 852 о С. Пульпу удаляли путем фильтрации через лавсановый фильтр с целью дальнейшего использования при выработке пастообразных продуктов либо для реализации на корм сельскохозяйственным животным.

Молоко с экстрактом топинамбура (ЭТ) и сыворотку молочную пастеризовали раздельно, охлаждали до температуры заквашивания. В охлажденную смесь вносили закваски. Сквашивание проводили в условиях термостата при температуре 42±2 °С.

Содержание сухих веществ в порошке топинамбура определяли на влагомере AND (Япония), содержание растворимых и нерастворимых веществ - методом горячей водной диффузии (гидромодуль 1:5; Т 85 °С). Инулин определяли методом жидкостной хроматографии. Суммарное содержание водорастворимых антиоксидантов - антиоксидантную активность (АОА) - амперометрическим методом с использованием прибора "Цвет-Яуза-01-АА" (НПО "Химавтоматика", РФ); окислительно-восстановительный потенциал (Eh) - вольтамперометрическим методом на иономере "Эксперт 01-100" ("Эконикс-эксперт", РФ) путем прямого измерения э.д.с. электродной системы.

Физико-химические показатели ферментированного напитка определяли стандартизованными методами в лаборатории технохимического контроля под руководством к.т.н. Е.А. Юровой.

Массовую долю жира определяли по ГОСТ 586790, белка - по ГОСТ 30648.2-99, лактозы - поляриметрическим методом. Содержание витаминов С - по ГОСТ 30627.2, В₁ - по ГОСТ 30627.5-98, В₂ - по ГОСТ 30627.6-98, В₆ - по МР 01-19/137-17-95. Содержание магния (Mg) определяли по МВИОР 2-03-009-90, кальция (Ca) - титриметрическим методом, железа (Fe) - по ГОСТ 26928, фосфора (Р) - по ГОСТ Р51473, калия (K), марганца (Mn), цинка (Zn) и меди (Cu) - методом атомноадсорбционной спектроскопии.

Органические кислоты определяли методом потенциометрического титрования; активную кислотность - на иономере "Эксперт 01-100". Микробиологические исследования проведены Т.Е. Блиновой и А.Н. Здоровцовой.

Результаты и обсуждение

В процессе подбора заквасочных культур в белково-углеводную основу (молоко + сыворотка) вводили инулинсодержащие пребиотики в виде порошка, сиропа или ЭТ. В работе использовали топинамбур, районированный в Молдавии. Исследования показали, что в порошке топинамбура содержится 92,15% сухих веществ, 2,53% нерастворимых веществ, 17,25% растворимых веществ, в том числе углеводов - 15,53%, инулина - 11,25%.

Для сквашивания молочно-растительных композиций (МРК) использовали одноштаммовые биокультуры (Kd, TBп), их композиции, йогуртную закваску прямого внесения в сочетании с ацидофильной палочкой.

Выбор оптимальных композиций пробиотических культур при моделировании ферментированного напитка проводили по градиентам титруемой кислотности, окислительно-восстановительного потенциала (Eh), массовой доли АОА и органолептическим показателям.

Результаты исследований показали, что все инулинсодержащие добавки - порошок, экстракт и сироп топинамбура - стимулируют процессы сквашивания молочной смеси. Однако более интенсивные процессы ферментации относительно контроля происходят в МРК с ЭТ. Через 3,5 ч сквашивания титруемая кислотность в контроле составляла 45 °Т, в МРК с порошком топинамбура - 58 °Т, с сиропом топинамбура - 50 °Т, с ЭТ - 73 °Т.

Наибольшей кислотообразующей способностью обладает термофильный молочнокислый стрептококк (ТВп) и композиция из йогуртной закваски и ацидофильной палочки. По органолептическим показателям лучшими свойствами обладают напитки, сквашенные заквасками (Кd + ТВп) или йогуртной закваской с ацидофильной палочкой. Значения окислительно-восстановительного потенциала этих напитков были несколько ниже контроля и находились на уровне свежего молока, обладающего слабовосстановительными свойствами (табл. 1).

Известно, что при снижении Eh идет более интенсивное развитие анаэробных микроорганизмов, сопровождающееся уменьшением содержания кислорода и образованием ферментов, катализирующих восстановительные реакции.

Суммарное содержание АОА в композициях с ЭТ превышало контрольные значения практически в 2 раза.

В дальнейшей работе для ферментации молочной основы с ЭТ применяли йогуртную закваску в сочетании с ацидофильной палочкой. Некоторые физико-химические показатели ферментированного напитка с ЭТ представлены в табл. 2.

На рисунке показаны изменения макро- и микроэлементного состава в ферментированном напитке при внесении ЭТ. Очевидно, что внесение инулинсодержащей пребиотической добавки в виде ЭТ не только стимулирует процессы ферментации, но и обогащает молочную основу минеральными веществами, в том числе K, Mg, Fe, Cu соответственно на 18, 25, 68, 56%.

Доля витаминов и минеральных веществ от суточной нормы физиологической потребности в 100 г ферментированного напитка с ЭТ, найденная расчетным путем [7], показана в табл. 3.

Из данных табл. 3 следует, что потребление 100 г ферментированного напитка с ЭТ удовлетворяет суточную норму физиологической потребности для новорожденных в витаминах группы В на 20-33%, в макроэлементах K, Ca, Mg и P - на 20-68%.

Для взрослого населения прием 250 г ферментированного напитка с ЭТ удовлетворяет суточную норму физиологической потребности в витаминах В₁, В₂ и В₆ на 10-19%, в макроэлементах Р, К, Са - на 25-35% соответственно.

Для обоснования сроков годности определяли санитарно-микробиологические показатели ферментированного напитка в процессе хранения.

Результаты исследований представлены в табл. 4.

Установлено, что бактерии группы кишечной палочки, листерии, стафилококки, патогенные микроорганизмы, дрожжи и плесени на протяжении всего периода хранения отсутствовали.

Параллельно с микробиологическими исследованиями велось наблюдение за органолептическими свойствами и сохранностью товарного вида продуктов. Органолептические характеристики представленных на хранение образцов напитков не претерпевали заметных изменений в течение всего срока наблюдения и характеризовались как свойственные доброкачественному продукту данного вида: вкус и запах чистый, консистенция и цвет, характерные для йогурта, выработанного термостатным способом. Члены дегустационной комиссии при определении органолептических показателей с использованием 5-балльной шкалы оценили ферментированный напиток с ЭТ в 4,9 балла.

Проведенные микробиологические исследования и наблюдения за состоянием органолептических характеристик ферментированного напитка позволили установить срок годности продукта при температуре 4±2 °С - 30 сут от момента окончания технологического процесса.

В результате проведенных исследований разработаны рецептура и технология производства ферментированного напитка с ЭТ. Показано, что введение в молочную основу экстракта инулинсодержащего топинамбура позволяет оптимизировать нутриентный состав продукта, повышая в нем содержание магния, калия и железа без внесения синтетических компонентов.

Потребление разработанного напитка с прои пребиотиками будет способствовать нормализации микрофлоры кишечника, защите клеток от окислительного стресса. Относительно невысокая энергетическая ценность напитка (50-75 ккал в 100 мл в зависимости от жирности молока) позволяет рекомендовать его для массового потребления без каких-либо ограничений.

Литература

1. Богачев В.Н., Голубкина Н.А., Донская Г.А. Перспективы развития функциональных молочных продуктов, обогащенных порошком топинамбура // Материалы IV Российской НПК "Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными природными ресурсами и создания функциональных продуктов". - М.: РАЕН, 2007. - С. 72.

2. Доронин А.Ф., Шендеров Б.А. Функциональное питание. - М.: Грант, 2002. - С. 74 .

3. Калиничева М.В. Топинамбур и функциональное питание // Материалы VI МНПК "Топинамбур и другие инулинсодержащие растения - проблемы возделывания и использования". - Тверь: ТГСХА, 2006. - С. 83.

4. Кожухова М.А., Хрипко И.А., Лысенко С.Е., Меркулова Е.П. Биохимические особенности клубней топинамбура как объекта холодильного консервирования // Материалы VI МНПК "Топинамбур и другие инулинсодержащие растения - проблемы возделывания и использования". - Тверь: ТГСХА, 2006. - С. 86.

5. Леонидов Д.С. Пребиотики: "Стратегия развития продуктов для здоровья". Ингредиенты/производство. - М., 2011. - С. 66-67.

6. Магомедов И.М. О перспективе производства продуктов функционального питания на базе комплекса из амаранта и топинамбура // Материалы IV НПК "Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными природными ресурсами и создания функциональных продуктов". - М.: РАЕН, 2007. - С. 76.

7. МР 2.3.1.2432-08. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения РФ.

8. Понамарев А.Н., Мельникова Е.И., Богданова Е.В., Самойлова М.А. Инулинсодержащая композиция для молокосодержащих продуктов // Мол. пром-сть. - 2012. - № 8. - С. 80-81.

9. Решетник Л.А., Кочнев Н.К., Спасич Т.А., Гончарова Н.Н. Пищевая ценность топинамбура, произрастающего в Прибайкалье // Материалы МНПК "Топинамбур - многофункциональная биотехнологическая культура XXI века". - М.: СГУ, 2011. - С. 86-93.

10. Смирнова Е.А., Кочеткова А.А. Рынок функциональных продуктов. // Мол. пром-сть. - 2011. - № 2. - С. 63-66.

11. Спиричев В.Б., Шатнюк Л.Н. Обогащение пищевых продуктов микронутриентами: современные медико-биологические аспекты // Пищ. пром-сть. - 2000. - № 7. - С. 98-101.

12. Тутельян В.А. О нормах физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации // Вопр. питания. - 2009. - Т. 78, № 1. - С. 4-15.

13. Флуер Ф.С., Кузнецова Г.Г., Батищева С.Ю. и др. Влияние обогащенных пектином пищевых продуктов на свойства потенциально патогенных представителей микрофлоры толстой кишки // Вопр. питания. - 2006. - № 4. - С. 46-49.

14. Хавкин А.И., Жихарева Н.С. Использование пребиотиков в терапии синдрома раздраженного кишечника // Рус. мед. журн. - 2006. - Т. 14, № 19. - С. 2-3.

15. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки. - М.: ДеЛи принт, 2004. - С. 13.

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.