БЕЛКОВО-ПЕПТИДНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ ЛИЦ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ИНТЕНСИВНЫМ ФИЗИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ
PROTEIN-PEPTIDE MODULE FOR PRODUCTION OF FUNCTIONAL AND SPECIALISED FOOD PRODUCTS FOR PERSONS EXPERIENCING INTENSIVE PHYSICAL STRAIN

Изобретение относится к пищевой и биотехнологической промышленности, а именно к получению белково-пептидных модулей с высокой пищевой и биологической ценностью и регулируемым аминокислотным составом, используемых для производства продуктов функционального и специализированного питания для лиц, подверженных интенсивным физическим нагрузкам.
Основными причинами роста хронических неинфекционных заболеваний (прежде всего алиментарно-зависимых), занимающих ведущее место в структуре заболеваемости и смертности населения в мире, являются постоянные, круглогодичные дефициты эссенциальных, то есть незаменимых, макро- и микронутриентов в рационах питания.
Многочисленные зарубежные и отечественные исследования показали, что продукты питания обладают не только питательной ценностью, но и регулируют многочисленные функции и биохимические реакции организма. В этой связи большое значение приобрело не только рациональное питание, но и здоровое, или так называемое функциональное, питание.
Важнейшую роль в сохранении человеческого здоровья играет обеспечение организма легкоусвояемыми полноценными белками и незаменимыми аминокислотами. Известно, что у лиц, подверженных интенсивным физическим нагрузкам, потребность в белке возрастает в 2-4 раза и достигает в отдельных случаях 3-4 г белка на 1 кг массы тела, или 300-400 г белка в сутки.
Анализ уровня техники показал, что в последнее время очень активно развивается направление переработки натурального протеиносодержащего сырья с целью получения белковых пищевых концентратов для последующего обогащения ими продуктов питания.
Известны способы получения белковых пищевых продуктов из дрожжей (патент РФ 2113806), крови убойных животных (патенты РФ 2016510, 2126215), растительных белков (патент РФ 2277815), молока и молочной сыворотки (патент РФ 92001191), рыб (патенты РФ 2041717, 2075944) и морских гидробионтов (патенты РФ 2065707, 2053779), мумиеобразных веществ (патент РФ 2111680), спилка шкур (патенты РФ 2181009, 2181548) и другого органического сырья.
Известны также многочисленные способы получения пищевых белковых гидролизатов из мяса с/х. животных и птицы и протеиносодержащих отходов его переработки (патенты РФ 2112397, 2132142, 2181548, 2226841, 94001136; А.Д.Неклюдов и др. Получение гидролизатов из мясокостного сырья. Мясная индустрия, 1998, №6, с.42-43).
Недостатками данных способов получения является получение конечных белковых продуктов с невысокими потребительскими свойствами и биологической ценностью, что ограничивает возможности их использования для обогащения продуктов массового потребления.
Известна белковая композиция для приготовления сухих концентратов, включающая мясокостную и рыбную муку, а также белковый мясной гидролизат (патент РФ 2044497), применение которой в составе пищевых продуктов сильно ограничено вкусовыми свойствами. Биологическая ценность этой композиции также невысока.
Наиболее перспективным направлением, интенсивно развивающимся в мире, является создание и использование в качестве составных компонентов для изготовления функциональных продуктов питания готовых модулей пищевых веществ. Разработка и использование подобных модулей пищевых веществ позволяет «конструировать» любые пищевые продукты с заданными функционально-технологическими и физиологическими свойствами. Это направление уже получило широкое применение в пищевой промышленности разных стран, особенно в Японии и Германии.
Пищевые модули создаются для облегчения изготовления широкого ассортимента специализированных продуктов питания, повышения их пищевой и биологической ценности и увеличения сроков хранения.
В настоящее время пищевые модули чаще всего используются:
- для быстрого получения в различных условиях продуктов полного энтерального и восстановительного питания с регулируемым химическим составом, а также заменители женского молока;
- в качестве дополнительных источников питания больных людей;
- в составе биологически активных добавок к пище в питании отдельных категорий населения, относящихся к «группам риска»;
- для обеспечения специального, направленного или профилактического питания некоторых групп населения, нуждающихся в повышенном или сниженном поступлении в организм отдельных пищевых веществ.
Важнейшей характеристикой любого продукта функционального питания является полноценный белково-аминокислотный состав. В связи с этим вопрос разработки высококачественных белковых модулей (белков и их гидролизатов с регулируемым составом) в настоящее время приобрел особую актуальность.
Из уровня техники известны белковые модули, выпускаемые молочной промышленностью: казециты, казеинаты, копреципитаты и др. В последнее время более перспективным способом белковых модулей является применение мембранной технологии, которая позволяет не только сохранять нативные свойства белков, входящих в состав этих модулей, но и получать на их основе продукты, аминокислотный состав которых наиболее близок к белкам женского молока. Наиболее ярким примером этого подхода являются технологии получения «Белка сухого пищевого молочного» (ТУ 1002-02-33-87) и «Гидролизатов белка пищевого молочного» (ТУ 1002-02-78-88), в составе которых использовались концентраты молочных сывороточных белков и казеина.
Известна белковая пищевая смесь, содержащая белки сыворотки молока, казеина и изолята белка сои (патент РФ 92001310), а также белково-минеральный модуль на основе концентрата молочных белков (патент РФ 92001191).
Недостатками данных белковых концентратов являются некоторые ограничения по их использованию в конечных продуктах и возможная аллергенность.
Наиболее близким техническим решением для заявляемого изобретения является белковая добавка для производства мясных продуктов, описанная в заявке на патент РФ 2091044, МПК A23L 1/31.
Белковая добавка включает молочные белки, белки плазмы крови, растительный белок из чечевицы, а также протосубтилин Г10Х при следующем соотношении компонентов, мас.%: белки чечевицы - 35-45; плазма крови - 35-45; сухое обезжиренное молоко - 15-25; протосубтилин Г10Х - 0,45-0,55. Добавка применяется для улучшения биологических и функциональных свойств конечных продуктов, а также их удешевления.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокая биологическая ценность добавки, ограниченный спектр использования для обогащения конечных продуктов, а также возможность проявления аллергических реакций.
Главной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание универсального белкового пищевого модуля в виде композитной смеси, сбалансированной по составу незаменимых аминокислот, максимально приближенной к составу белка - эталона, принятого международной организацией ФАО/ВОЗ, а также белков женского молока, для производства продуктов функционального и специализированного питания.
Задача изобретения достигается тем, что белково-пептидный модуль для производства продуктов функционального и специализированного питания для лиц, подверженных интенсивным физическим нагрузкам, представляющий собой белковый гидролизат, полученный путем ферментативного гидролиза животного сырья на основе протеиносодержащих отходов, полученных при производстве продукции из сельскохозяйственных животных, характеризующийся следующим соотношением компонентов, мас.%:
- Аминокислоты - 5-15%;
- Пептиды не выше 3000 Да - 55-70;
- Полипептиды выше 3000 Да - 15-35.
Белково-пептидный модуль дополнительно содержит белковый компонент, выбранный из ряда: концентраты и/или изоляты белков сыворотки молока, белки сыворотки и/или плазмы крови, гемоглобин крови, концентраты и/или изоляты белков бобовых или их смеси при следующем соотношении, мас.%:
- Белково-пептидный модуль - 15-45;
- Белковый компонент - 55-85.
Основным компонентом белково-пептидного модуля является гидролизат мясных белков, который производится с помощью направленного ферментативного гидролиза мясного сырья из птицы и сельскохозяйственных животных. Технология позволяет получить полностью растворимый и легкоусвояемый пищевой белок. За счет обработки ферментами белки мяса частично расщепляются, подобно тому, как это происходит в пищеварительном тракте человека. Это способствует тому, что содержание доступного белка в продуктах, приготовленных на основе такого белкового концентрата и усвоение белка из них гораздо выше, чем из мяса.
Способ получения белкового гидролизата из протеинсодержащего животного сырья предусматривает предварительное измельчение сырья до частиц размером 1-5 мм, помещение сырья в реактор, разбавление дистиллированной водой в соотношении от 1:2 до 1:3 и нагревание до 37-55°С, перемешивание полученной реакционной смеси, добавление в смесь протеолитических ферментов животного, растительного или микробиального происхождения, осуществляют гидролиз сырья в течение 2-3 часов при диапазоне pH от 2 до 7, раствор гидролизата сливают из реактора, подвергают дальнейшей очистке путем фильтрации, сепарирования и концентрирования для отделения твердого осадка и жира, после чего высушивают с применением низкотемпературной распылительной или сублимационной сушки с получением целевого продукта.
Эксперименты, проведенные в НИИ скорой помощи имени Н.В.Склифосовского, подтвердили высокую пищевую и биологическую ценность гидролизата животного белка и доказали возможность использования этого продукта в качестве единственного белкового компонента для энтерального питания у больных с различными нарушениями желудочно-кишечного тракта и обмена веществ в целом.
Высокое содержание в продукте коллагеновых белков, содержащих большое количество оксипролина и других биологически активных соединений (креатина, глютамина, гиалуроновой кислоты, гликозаминогликанов, хондроитинсульфата и т.д.), оказывает дополнительное положительное влияние на мышечную активность и опорно-двигательный аппарат людей, подверженных интенсивным физическим нагрузкам.
Гидролизат мышечных белков богат разнообразными азотсодержащими соединениями небелковой природы, в том числе креатином. Этот компонент существенно увеличивает синтез АТФ в клетках и улучшает энергетическую обеспеченность организма.
Мясные гидролизаты богаты также ценнейшими микроэлементами: железом, магнием, фосфором, цинком. Гемовое железо улучшает состав крови и оксигенацию тканей, в первую очередь, головного мозга, что повышает работоспособность и отдаляет наступление утомления. Магний отвечает за нормальную работу нервных клеток, помогает справиться с усталостью, снимает раздражительность, улучшает сон. Фосфор укрепляет опорно-двигательную систему и зубы. Цинк полезен для работы мозга. Все это улучшает эмоциональный настрой и повышает работоспособность человека в целом.
В отличие от других белковых гидролизатов, хорошие органолептические свойства предлагаемых гидролизованных белков позволяют вводить их в готовые продукты в больших количествах и широко использовать такие продукты в качестве белкового питания в рационах людей.
Белковые гидролизаты расщепляются и всасываются в желудочно-кишечном тракте в течение часа (тогда как, например, продолжительность переваривания мяса составляет от 5 до 8 часов). Высокая скорость усвоения и метаболизма гидролизата куриного белка стимулирует аутогенную гормональную систему и усиливает процессы анаболизма, в том числе прирост мышечной массы, а также синтез и обновление белков всех тканей и органов. В то же время, для переваривания гидролизатов организм затрачивает значительно меньше ферментов, что экономит его пластические и энергетические ресурсы. Все это обусловливает быстрое ощущение сытости и прилив сил.
Мясные гидролизаты содержат полный набор незаменимых аминокислот, что свидетельствует об их высокой биологической ценности (табл.1). В большинстве из получаемых гидролизатов сумма незаменимых аминокислот и содержание каждой их них (аминокислотный скор) значительно выше, чем в стандартном белке, принятом ФАО/ВОЗ.
Таблица 1
Аминокислотный состав сухих мясных гидролизатов из различных видов сырья, г на 100 г белка.
Аминокислота
Стандарт ФАО/ВОЗ
Виды сырья
Желудки кур
Ноги + головы
Шеи
Крылья
Костный остаток
Куриный
Говяжий
Лизин
5,5
10,2
8,7
8,5
8,7
4,2
4,0
Изолейцин
4,0
4,2
4,1
4,1
4,0
1,2
1,4
Лейцин
7,0
8,1
6,6
7,7
7,9
3,0
3,1
Метионин + цистин
3,5
3,7
3,1
3,8
3,5
1,1
0,8
Триптофан
1,0
1,3
1,1
1,4
1,4
0,7
0.5
Фенилаланин + тирозин
6,0
7,0
6,4
7,0
6,8
2,7
2,8
Треонин
4,0
4,6
4,0
4,2
4,5
1,7
1,6
Валин
5,0
5,5
5,6
6,1
6,2
4.2
3,7
Сумма:
36,0
44,6
39,6
42,8
43,0
18,8
17,9
Важнейшим преимуществом является реальная возможность получения гидролизатов с заданным или регулируемым аминокислотным составом за счет соответствующего подбора исходного сырья и режимов технологического процесса, а также изменения соотношений используемых протеолитических ферментов.
Для получения белковых модулей с регулируемым аминокислотным составом, дополнительно к мясным гидролизатам, целесообразно использовать концентраты и/или изоляты сывороточных молочных белков, полученные методами ультра - и диафильтрации, белки сыворотки и/или плазмы крови, гемоглобин крови, а также концентраты и изоляты белков бобовых (сои, гороха, чечевицы и др.).
При подборе компонентов смеси (таблица 2) ставилась задача с помощью нижеприведенной формулы добиться не только максимальной близости смеси белков с эталоном, но и превысить его по отдельным незаменимым аминокислотам. Это превышение позволяет использовать полученные белковые модули для эффективного обогащения продуктов питания, имеющих низкую исходную пищевую и биологическую ценность и несбалансированный аминокислотный состав.
Таблица 2
Сравнительная биологическая ценность важнейших белоксодержащих продуктов питания и содержание в них незаменимых аминокислот (г/100 г белка)
Пищевые продукты
Белок, %
Изолейцин
Лейцин
Валин
Метионин + Цистин
Фенилаланин + Тирозин
Триптофан
Треонин
Лизин
Итого
Эталонный
белок
100
4,0
7,0
5,0
3,5
6,0
1,0
4,0
5,5
36,0
ФАО/ВОЗ
Женское
1,5
5,2
10,5
5,3
4,3
7,0
1,5
5,4
9,4
48,6
молоко
Мясной
90
4,1
7,2
6,0
3,3
6,6
1,3
4,2
8,7
41,4
гидролизат
Белки
сыворотки
90
5,0
10,6
4,9
5,1
5,6
1,8
6,6
9,0
48,5
молока
Белки
плазмы
90
0,9
13,2
8,7
2,6
10,7
1,4
4,8
9,7
52,0
крови
Белки сои
34,9
5,2
7,7
6,0
3,1
7,7
1,3
4,0
6,0
41,0
Массовую долю j-й незаменимой аминокислоты в белке смеси Cj представляли в виде:
,
i,j
i
где a - массовая доля j-й незаменимой аминокислоты в белке i-го компонента смеси, m-массовая доля белка в i-м компоненте смеси,
j
i
n
min
min
j
min
1
n
min
n
а j-й незаменимой аминокислоты в эталонном белке - b. Расход аминокислот на метаболические нужды определяли как произведение вектора b=(b, …, b) на C, где C=Min (cj/bj, j=1…n) - минимальный скор j-й аминокислоты. Аминокислоты, расходуемые на энергетические нужды, выражали в виде вектора d=(c-C b, …, c-C b) и минимизировали.
В результате моделирования можно получить композитные белково-пептидные смеси, состоящие из мясного гидролизата и других животных и растительных белков в их следующем соотношении (мас.%): - белково-пептидный модуль - 15-45, компонент или смесь компонентов - 55-85. Эти соотношения позволяют использовать данные белково-пептидные модули как в составе монопродуктов, где они являются единственными источниками белка, так и в сложных композитных смесях в сочетании с другими белками животного и растительного происхождения.
И в том, и в другом случаях введение в рецептуры конечных продуктов белково-пептидных модулей, содержащих белковые компоненты в соотношениях приведенного выше диапазона, позволяет обеспечить гарантированное содержание в функциональных продуктах питания физиологически адекватного уровня незаменимых аминокислот, аминокислотный скор которых составит около 100%, то есть максимально приближенный не только к стандарту ФАО/ВОЗ, но и к белкам женского молока.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Получение белково-пептидного пищевого модуля.
Для выработки белковых мясных гидролизатов взвешивают 400 кг голов, ног, крыльев и шей цыплят-бройлеров, промывают горячей водой (60-65°С). Обработанное сырье измельчают на волчке через решетку с диаметром отверстий 3-5 мм. Затем сырье загружают в реактор объемом 1,5 куб.м, с эмалированным покрытием, мешалкой и рубашкой для нагрева паром под давлением, и смешивают с питьевой водой, имеющей температуру не выше 65°С, в соотношении 1:2. В реактор вносят поваренную соль в количестве 2,5 кг и выдерживают смесь при непрерывном перемешивании при температуре 50-55°С в течение 15-20 минут.
3
3
3
В реактор добавляют при перемешивании 30-40 дм питьевой воды, разбавленной концентрированной соляной кислотой в соотношении 1:1. Продолжая перемешивать, вводят свиной пищевой пепсин и пектофоетидин П10Х по два литра каждого. Ферментативный гидролиз проводят в течение 1-1,5 часов при температуре 52-55°С. При необходимости проводят корректировку значения pH в диапазоне 3,0-3,4 растворами соляной кислоты или двууглекислого натрия. После проведения гидролиза проводят нейтрализацию смеси путем введения 80-100 дм 10% раствора двууглекислого натрия до pH 6,0-6,5. Далее в смесь вносят 10 дм раствора протосубтилина Г10Х и выдерживают при температуре 50-55°С и постоянном перемешивании в течение 1-1,5 часов, а затем повышают температуру в реакторе до 92-95°С и выдерживают 30-40 минут.
Полученный жидкий гидролизат очищают от жира и твердого остатка с помощью фильтрации и сепарирования, после чего концентрируют и высушивают с применением низкотемпературной распылительной или сублимационной сушки.
Полученный белково-пептидный модуль содержит, мас.%:
- Аминокислоты - 15;
- Пептиды не выше 3000 Да - 55;
- Полипептиды выше 3000 Да - 30.
Пример 2. Получение белково-пептидного пищевого модуля.
Белково-пептидный пищевой модуль вырабатывается из мясного гидролизата (полученного в примере 1) путем смешения с концентратами и/или изолятами белков сыворотки молока, и/или белками сыворотки и плазмы крови, и/или концентратами и изолятами белков бобовых при соотношении, мас.%:
Белково-пептидный модуль - 45,
Белковый компонент - 55.
В таблице 3 приведены рецептуры некоторых белково-пептидных пищевых модулей.
Таблица 3
Рецептуры белково-пептидных пищевых модулей
№ п/п
Наименование компонента
Количество, кг на 100 кг продукта
№1
№2
№3
1.
Гидролизат мясной
15
45
25
2.
Белки сыворотки молока
75
20
65
3.
Белки плазмы крови
10
20
5
4.
Изолят соевого белка
-
15
5
В таблице 4 приведены показатели аминокислотного скора предлагаемых белково-пептидных пищевых модулей.
Таблица 4
Аминокислотный состав белково-пептидных пищевых модулей.
Аминокислота
Стандарт ФАО/ВОЗ
Белково-пептидные пищевые модули
А
С
№1
№2
№3
А
С
А
С
А
С
Лизин
5,5
1,0
9,0
1,6
7,7
1,4
8,0
1,5
Изолейцин
4,0
1,0
4,4
1,1
3,3
0,9
4,2
1,1
Лейцин
7,0
1,0
10,3
1,5
8,2
1,2
9,2
1,3
Метионин + цистин
3,5
1,0
4,6
1,3
3,1
0,9
4,0
1,1
Триптофан
1,0
1,0
1,7
1,7
1,3
1,3
1,5
1,5
Фенилаланин + тирозин
6,0
1,0
6,3
1,1
7,0
1,2
6,5
1,1
Треонин
4,0
1,0
6,0
1,5
4,1
1,0
5,2
1,3
Валин
5,0
1,0
5,2
1,0
5,7
1,1
5,2
1,0
Сумма
36,0
-
47,5
-
40,4
-
43,8
-
- А - содержание аминокислоты, г/100 г белка;
- С - аминокислотный скор, %/% относительно справочной шкалы ФАО/ВОЗ.
Данные таблицы 4 свидетельствуют о высокой биологической ценности предлагаемых белково-пептидных пищевых модулей, что позволяет использовать их для получения широкого спектра конечных продуктов функционального и специализированного питания.
Следует подчеркнуть, что разработанные белково-пептидные модули содержат значительное суммарное количество разветвленных аминокислот - валина, лейцина и изолейцина, которые необходимы для эффективного восстановления белков мышечной ткани - актина и миозина. Например, в модуле №1 их сумма составляет 19,9 г, а в модулях №2 и №3 - 17,2 г и 18,6 г соответственно, что выше, чем в стандарте ФАО/ВОЗ (16,0 г), и соответствует наиболее ценным источникам полноценного пищевого белка - яйцам (20,5 г), мясу птицы (17,2 г) и коровьему молоку (20,7 г) - в пересчете на 100 г белка.
Данные таблицы 5 свидетельствуют о том, что добавление в конечные продукты 30 г пищевых модулей (или 25 г в пересчете на белок) позволяет при минимальном потреблении продуктов функционального питания (100-200 г) обеспечить организм человека значительным (более 50%) количеством незаменимых аминокислот.
Таблица 5
Сравнительная оценка потребления незаменимых аминокислот с белково-пептидными модулями (в пересчете на 25 г белка)
Аминокислоты
Рекомендуемый уровень суточного потребления, г/сутки
Белково-пептидные модули
№1
№2
№3
от рекомендуемого суточного потребления
г
%
г
%
г
%
Лизин
4,1
2,3
56
1,9
46
2,0
49
Метионин + цистин
1.8
1,2
67
0,8
44
1,0
56
Треонин
2,4
1,5
63
1,0
42
1,3
54
Триптофан
0,8
0,4
50
0,3
38
0,4
50
Фенилаланин + тирозин
4,4
1,6
36
1,8
41
1,6
36
Валин
2,5
1,3
52
1,4
56
1,3
52
Изолейцин
2,0
1,1
55
0,8
40
1,0
50
Лейцин
4,6
2,6
57
2,1
46
2,3
50
Исходя из данных, представленных в таблицах 4-5, можно заключить, что белково-пептидные модули имеют полноценный аминокислотный состав с аминокислотным скором около 1,0, что делает их пригодными для обогащения многих разновидностей продуктов функционального и специализированного питания.
Потребление пищевых продуктов, обогащенных разработанными белково-пептидными модулями, позволяет обеспечить среднесуточные потребности человека в незаменимых аминокислотах, в том числе при интенсивных физических нагрузках.