Минеральная составляющая молока в составе спортивных напитков

УДК 637.1

А.Л. Новокшанова, Е.В. Топникова, Д.Б. Никитюк

МИНЕРАЛЬНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ МОЛОКА В СОСТАВЕ СПОРТИВНЫХ НАПИТКОВ

Преобладающий компонент молочной сыворотки - водная фаза - концентрирует все гидрофильные соединения молока, важнейшие из которых лактоза, свободные аминокислоты, витамины и минеральные соединения. Практически все минеральные соединения относятся к биогенным элементам с установленным механизмом действия и рекомендуемой суточной потребностью. Целесообразно использовать выгодное сочетание - большое содержание воды и растворимых в ней природных ингредиентов сыворотки в производстве спортивных напитков для устранения обезвоживания. Физико -химические характеристики сыворотки изучали стандартными методами. Удельную электрическую проводимость определяли кондуктометрическим методом, для исследования минеральной составляющей использовали потенцио-метрический метод. Осмотическую концентрацию пермеата определяли с помощью криоскопа-осмометра. Технологически значимые показатели сыворотки соответствовали требованиям стандарта и согласовывались с литературными данными. Установлено, что в среднем на долю минеральных веществ в сухом веществе сыворотки приходится до 12%. Среднее значение содержания К в творожной сыворотке составляет 128,01 мг/100 г, № - 44,97 мг/100 г, Ca - 54,25 мг/100 г и Mg - 6,26 мг/100 г. Удельная электропроводность в среднем равнялась 8,189 мСм/см3, осмоляльность - 361,07 ммоль/кг. Математическая обработка данных показала, что достоверной зависимости между концентрацией анализируемых минеральных элементов и осмоляльностью сыворотки нет, но установлена тесная взаимосвязь содержания К, Ca и Mg с показателем удельной электропроводности. На основании полученных математических моделей, с вероятностью не менее 95%, можно утверждать, что увеличение удельной электропроводности на 1 мСм/см3 обусловлено повышением содержания натрия на 7,45 мг%, калия - на 1,78 мг%, кальция - на 3,71 мг% и магния - на 0,96 мг%.

Ключевые слова: творожная сыворотка, удельная электропроводность, натрий, калий, кальций, магний.

A.L. Novokshanova, E.V. Topnikova, D.B. Nikitjuk MINERAL COMPOSITION OF MILK IN SPORTS DRINKS

The aqueous phase is the predominant component of whey; it concentrates all hydrophilic compounds of milk, the most important of which are lactose, free amino acids, vitamins and mineral compounds. Practically all mineral compounds belong to biogenic elements with established mechanism of action and recommended daily requirement. It is advisable to use an advantageous combination - a large water content and soluble natural ingredients of whey in the production of sports drinks to eliminate dehydration. Physicochemical characteristics of whey were studied by standard methods. The specific conductivity was determined by the conductometric method, the potentiometric method was used to study the mineral component. The osmotic concentration of permeate was determined by a cryoscope-osmometer. Technologically significant whey parameters met the standard requirements and were consistent with the literature data. It was established that on average the share of mineral substances in dry whey material is up to 12%. The average value of K content in curd whey is 128,01 mg/100 g, Na - 44,97 mg/100 g, Ca - 54,25 mg/100 g and Mg - 6,26 mg/100 g. The specific conductivity averaged 8,189 mS/cm3, osmolality - 361,07 mmol/kg. Mathematical data processing showed that there is no reliable dependency between the concentration of the analyzed mineral elements and whey osmolality, but a close correlation of the K, Na, Ca and Mg content with the specific conductivity index was established. On the basis of the mathematical models, with a probability of not less than 95%, it can be stated that the increase in the specific conductivity by 1 mS/cm3 is due to an increase in the sodium content by 7,45 mg%, potassium - by 1,78 mg%, calcium - by 3,71 mg% and magnesium - by 0,96 mg%.

Key words: curd whey, specific conductivity, sodium, potassium, calcium, magnesium.

DOI: 10.17217/2079-0333-2018-44-50-55

Введение

Регидрационные напитки - это особая группа спортивной продукции. Они предназначены для сохранения водно-солевого баланса, устранения обезвоживания. Их основу составляет вода и необходимые для организма микро- и макрокомпоненты.

Цельное молоко, содержащее в среднем 87% воды, не может использоваться как регидраци-онный напиток, в силу особых требований к данному виду продукции. Однако водная фаза молока, богатая природными витаминами и минеральными веществами, может служить хорошим сырьем для производства регидрационных напитков.

Выделение водной фазы молока происходит традиционно при производстве молочных белковых продуктов - творога и сыра в виде молочной сыворотки. При оценке ее как сырья, используемого для дальнейшей переработки, в соответствии с требованиями стандарта [1] определяются органолептические, физико-химические и показатели безопасности. Из физико-химических показателей контролируется массовая доля сухих веществ, лактозы, хлористого натрия (для подсырной сыворотки), кислотность и температура. Это чисто прагматичный технологический подход, когда в сырье оценивают только производственно значимые показатели, которые достоверно будут влиять на критерии качества получаемых из него готовых продуктов.

Ценность молочной сыворотки как источника белков и углеводов давно не вызывает сомнений. Основные направления в переработке сыворотки преимущественно связаны с частичным или полным удалением избытка жидкости в производстве таких продуктов, как сгущенные и сухие сывороточные концентраты, сухая деминерализованная сыворотка, сухая безлактозная сыворотка, сухая сыворотка с наполнителями, блочная сыворотка (продукты с промежуточной влажностью), гранулированная сыворотка [2-7].

Однако преобладающий компонент цельной сыворотки - ее водная фаза - в полной мере не ценится. Водная фаза сыворотки концентрирует все гидрофильные соединения молока, важнейшие из которых - лактоза, свободные аминокислоты, витамины и минеральные соединения. Минеральная составляющая представлена такими элементами, как калий, натрий, кальций, магний, фосфаты, хлориды и др. Практически все они относятся к биогенным элементам с установленным механизмом действия и рекомендуемой суточной потребностью. Тем не менее в силу ряда причин цельная сыворотка, несмотря на все достоинства своего состава, с трудом завоевывает признание. Хотя есть успешные примеры такого использования сыворотки - напиток Ривелла, который стал национальной гордостью Швейцарии [8].

На наш взгляд, целесообразно использовать выгодное сочетание - большое содержание воды и растворимых в ней природных ингредиентов сыворотки - в производстве спортивных напитков для устранения обезвоживания. Тем более что сыворотка содержит те же минеральные элементы, что теряются при потоотделении и которые по этой причине включают в состав ре-гидрационных напитков [9, 10]. Только минеральные компоненты сыворотки являются не химически, а биологически синтезированными.

Знание количественного содержания минеральных элементов в сыворотке необходимо для проектирования состава продуктов с определенным уровнем осмоляльности. Поскольку большинство минеральных элементов сыворотки находится в ионизированном состоянии, они оказывают существенное влияние на показатель осмотической концентрации. Именно этот показатель является лимитирующим при введении дополнительных ингредиентов в разрабатываемые рецептуры регидрационных напитков.

В связи с изложенным изучение минеральной составляющей сыворотки представляет не только научно-теоретический, но и практический интерес.

Цель работы - исследование физико-химических показателей молочной сыворотки, полученной в процессе производства творога.

Объекты и методы исследований

Объектом исследования служила молочная сыворотка, получаемая при промышленном производстве творога.

Физико-химические характеристики сыворотки изучали общепринятыми стандартными методами. Удельную электрическую проводимость определяли кондуктометрическим методом.

Для исследования минеральной составляющей использовали потенциометрический метод с набором ионоселективных электродов для определения активности ионов №+, Ca2+, Mg2+. Осмотическую концентрацию сыворотки определяли с помощью криоскопа-осмометра [11]. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением программного пакета для статистического анализа STATISTICA.

Результаты и их обсуждение

По органолептическим характеристикам сыворотка представляла собой однородную жидкость зеленовато-желтого цвета с видимой мутностью. Она отличалась кислым привкусом и запахом, имела явно выраженный вкус сыворотки, а также обладала длительным выраженным послевкусием. В целом внешний вид, консистенция, вкус и запах свойственны творожной сыворотке и соответствуют требованиям стандарта [1]. Показатели, оцениваемые при переработке сыворотки и опытные данные их значений, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Пищевая ценность и технологические показатели сыворотки творожной

Контролируемый показатель Требования стандарта Данные

опытные литературные [4]

Массовая доля сухих веществ, % не менее 5,5 6,04 ± 0,30 4,2-7,4

Плотность, кг/м3 1020-1030 1023,0 ± 1,0 1020,0-1030,0

Массовая доля белка, % не контролируется 0,80 ± 0,20 0,50-1,40

Массовая доля жира, % не контролируется 0,06 ± 0,02 0,05-0,40

Массовая доля лактозы, % не менее 3,5 4,14 ± 0,20 3,20-5,10

Минеральные вещества, % не контролируется 0,71 ± 0,20 0,70

Титруемая кислотность, °Т не более 70 60,2 ± 3,5 50,0-85,0

Активная кислотность, рН не контролируется 4,17 ± 0,40 4,40

Очевидно, что технологически значимые показатели экспериментальных проб сыворотки полностью удовлетворяли требованиям стандарта и хорошо согласовывались с литературными данными. Также из этих данных следует, что в среднем на долю минеральных веществ в сухом

веществе сыворотки приходится до 12%. Содержание основных составных компонентов сухого молочного остатка творожной сыворотки представлено на рис. 1.

В ходе исследования количественного состава ряда минеральных элементов установлено, что среднее значение содержания К в творожной сыворотке составляет 128,01 мг/100 г, N - 44,97 мг/100 г, Ca - 54,25 мг/100 г и Mg - 6,26 мг/100 г. Удельная электропроводность в среднем равнялась 8,189 мСм/см, осмоляльность -361,07 ммоль/кг Н2О, а интервалы физико-химических показателей представлены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-химические и органолептические показатели творожной сыворотки

Показатель Значения

опытные литературные [4, 12, 13, 14]

Осмоляльность, ммоль/кг Н2О 350,00-389,00 376,50

Удельная электропроводность, мСм/см3 7,55-8,66 7,40

Содержание натрия, мг/100 г 40,34-48,39 5,00

Содержание калия, мг/100 г 126,57-128,91 102,00

Содержание кальция, мг/100 г 52,02-55,86 84,00

Содержание магния, мг/100 г 5,36-6,74 10,00

1 2

Лактоза Белок  Минеральные вещества Жир  Прочее

Рис. 1. Состав сухого молочного остатка творожной сыворотки

Математическая обработка полученных данных показала, что достоверной зависимости между концентрацией анализируемых минеральных элементов и осмоляльностью сыворотки нет. Это можно объяснить тем, что осмотическая концентрация отражает суммарный вклад всех низкомолекулярных водорастворимых соединений сыворотки. Как видно из рис. 1, на долю минеральных соединений в общей массе сухого молочного остатка приходится гораздо меньше, чем на долю молочного сахара. Кроме лактозы на осмоляльность сыворотки также влияет наличие небелковых азотистых соединений, таких как свободные аминокислоты, мочевина, креатин, аммиак, а также водорастворимые витамины и пр.

Однако установлена тесная взаимосвязь содержания К, Ca и Mg с показателем удельной электропроводности. Значения парных линейных коэффициентов корреляции (табл. 3) указывают на наличие прямой и весьма тесной корреляционной зависимости между удельной электропроводностью и содержанием этих элементов. Графически зависимости представлены на рис. 2. Полученные модели являются статистически значимыми и достоверными на 5%-ном уровне значимости, что подтверждено критериями Стьюдента и Фишера.

На основании полученных моделей (табл. 3), с вероятностью не менее 95%, можно утверждать, что увеличение удельной электропроводности на 1 мСм/см3 обусловлено повышением содержания натрия на 7,45 мг%, калия - на 1,78 мг%, кальция - на 3,71 мг% и магния -на 0,96 мг%.

Таблица 3

Результаты корреляционно-регрессионного анализа зависимостей между удельной электропроводностью сыворотки

Зависимая переменная (у) - содержание вещества, мг% Уравнение регрессии Коэффициент корреляции

Калий ух = 1,78 • х + 113,5 0,982

Натрий ух = 7,45 • х - 16,07 0,995

Кальций ух = 3,71 • х + 23,83 0,989

Магний ух = 0,96 • х - 1,63 0,969

С одной стороны, это вполне очевидно, поскольку электропроводность растворов обусловлена наличием в них носителей электрических зарядов - ионов электролитов. С другой стороны, даже в растворе отдельных электролитов электрическая проводимость зависит от нескольких факторов, таких как подвижность анионов и катионов, их заряд, температура раствора и пр. В биологических жидкостях, подобных молоку или сыворотке, влияние на электрическую проводимость оказывают и другие полярные соединения, например, свободные аминокислоты, анионы неорганических кислот, низкомолекулярные ионизированные соединения. Кроме этого, поскольку молочная сыворотка представляет собой полидисперсную систему, на показатель электрической проводимости влияют такие параметры, как степень дисперсности фаз и их концентрация: изменение содержания сухих веществ, наличие коллоидной и эмульсионной фаз, взаимное влияние ионизированных частиц, и т. д.

Несмотря на такие сложные взаимосвязи, изменение электрической проводимости лежит в основе многих методов анализа, применяемых в молочной промышленности, в частности для подсчета клеток, диагностики субклинических маститов, определения размеров жировых шариков в молоке. Например, увеличение содержания жира в молоке благодаря большому размеру эмульсионных частиц создает некоторые препятствия движению заряженных частиц. В результате уменьшения подвижности ионов наблюдается и снижение электрической проводимости при увеличении содержания жира в продукте. Также именно на уменьшении потока ионов основаны методы подсчета соматических клеток благодаря определению электрической проводимости молока. Не только электропроводность, но и другие критерии в сложных многокомпонентных объектах принимаются за точку отсчета при определении тех или иных показателей. Например, в требованиях того же стандарта на сыворотку молочную допускается перерасчет массовой доли сухих веществ по показателю плотности.

7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 Удельная электропроводность мСм^см

56,5

56,0

55,5

55,0

о: 54,5

с 54,0

0) X т 53,5

О) 53,0

X

52,0

51,5

.'лф?'

о с . .. -

о

7,8 8,0 8,2 8 4

Удельная электропроводность мСмсм

6,6 6,4 6,2 6 0

5,8 5,6 5,4 5,2 ..--'о О.

о

8,0

8,4

Удельная электропроводность мСм^см

г

Рис. 2. Диаграммы рассеяния для натрия (а), калия (б), кальция (в), магния (г) и удельной электропроводности

б

а

в

В современных анализаторах молока показатель удельной электропроводности измеряется автоматически, а определение концентрации минеральных элементов требует дополнительного лабораторного оборудования, которое не предусмотрено в производственных условиях молочных заводов, поскольку содержание минеральных элементов не контролируется действующим стандартом. Применяемые в исследовательских целях методы определения минеральных элементов в молоке и молочных продуктах основаны на разных принципах, и результаты этих анализов могут существенно отличаться. Например, классические методы озоления учитывают общую массу макро- или микроэлемента, присутствующего в продукте, и органически связанного, и растворимого, в то время как различные потенциометрические методы регистрируют только ионизированные формы минералов.

Выводы

Таким образом, можно считать, что высокая достоверность полученных зависимостей позволяет использовать данные уравнения для определения концентраций К, Са и Mg в сыворотке по показателю ее удельной электропроводности. Эта информация представляет интерес не только при проектировании рецептурных формул спортивных напитков, но и при глубокой промышленной переработке сыворотки. Во-первых, потому, что минеральная составляющая вносит определенный вклад в характеристику органолептических показателей, придавая сыворотке солоноватый вкус. Именно по этой причине целое направление переработки сыворотки - деминерализация — связано с удалением минеральных элементов. Во-вторых, содержание минеральных элементов в сыворотке влияет на технологические процессы ее глубокой переработки мембранными методами. Поэтому экспресс-оценка минерального состава исходной сыворотки по показателю удельной электропроводности может быть весьма полезной на практике.

Литература

1. ГОСТ Р 53438-2009. Сыворотка молочная. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2010. — 8 с.

2. Евдокимов И.А. Современное состояние и перспективы переработки молочной сыворотки // Молочная промышленность. - 2006. - № 2. - С. 34-36.

3. Евдокимов И.А. Сухая сыворотка. Современное состояние и перспективы переработки молочной сыворотки // Переработка молока. - 2011. - № 9. - С. 4.

4. Храмцов А.Г. Феномен молочной сыворотки. - СПб.: Профессия, 2011. - 802 с.

5. Крупин А.В., Остроумов Л.А., Разумникова И.С. Разработка технологии производства напитков вторичного молочного сырья // Достижения науки и техники АПК. - 2009. - № 7. - С. 64-65.

6. Деминерализация молочной сыворотки для производства продуктов с пониженной ал-лергенностью / Н.Л. Потураева, О.В. Кригер, Т.В. Подлегаева, Т.М. Дроздова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. - № 8. - С. 24-26.

7. Буянова И.В., Бардокина Н.В. Концентрирование молочной сыворотки и ее использование в пищевой промышленности // Пищевые инновации и биотехнологии: материалы Междунар. научн. конф. / ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». - 2015. - С. 44-45.

8. Пакен П. Функциональные напитки и напитки специального назначения. - СПб.: Профессия, 2010. - 496 с.

9. Колеман Э. Питание для выносливости. - Мурманск: Тулома, 2005. - 192 с.

10. Минеральный состав углеводно-электролитных напитков, витаминно-минеральных комплексов и биологически активных добавок для спортсменов / Д.Б. Никитюк, А.Л. Новокшанова, С.В. Абросимова, К.М. Гаппарова, А.Л. Поздняков // Вопросы питания. - 2012. - Т. 81, № 4. -С.71-76.

11. ГОСТ Р 55578-2013. Продукты пищевые специализированные. Метод определения осмо-ляльности. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2014. - 8 с.

12. Евдокимов И.А., Дыкало Н.Я., Пермяков А.В. Электродиализ молочной сыворотки. -Георгиевск: ГТИ (филиал) СевКавГТУ, 2009. - 248 с.

13. Новокшанова А.Л., Ожиганова Е.В. Изучение осмоляльности творожной сыворотки при разработке рецептуры регидрационного напитка // Научное обозрение. - 2012. - № 6. - С. 14-17.

14. Тепел А. Химия и физика молока. - СПб.: Профессия, 2012. - 832 с.

Информация об авторах Information about the authors

Новокшанова Алла Львовна - ФГБОУ ВО «Вологодская ГМХА»; 160555, Россия, Вологда; кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии молока и молочных продуктов; alnovokshanova@gmail.com

Novokshanova Alla Lvovna - FSBEI HE Vologda State Dairy Farming Academy; 160555, Russia, Vologda; Candidate of Technical Sciences Associate, Docent; Associate Professor of Milk Technology and Dairy Products Chair; alnovokshanova@gmail.com

Топникова Елена Васильевна - ВНИИМС - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН; 152613, Россия, Углич; доктор технических наук, врио директора; topnikova.l@yandex.ru

Topnikova Elena Vasilevna - All-Russian Research Institute of Butter and Cheese Making - Branch of V. M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of RAS; 152613, Russia, Uglich; Doctor of Technical Sciences, Deputy Director; topnikova.l@yandex.ru

Никитюк Дмитрий Борисович - Федеральный исследовательский центр питания и биотехнологии; 109240, Россия, Москва; член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, профессор, заведующий лабораторией спортивной антропологии и нутрициологии, директор ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»; nikitjuk@ion.ru

Nikitjuk Dmitry Borisovich - Federal Research Centre of Nutrition and Biotechnology; 109240, Moscow, Russia; Corresponding Member of RAS, Head of Sports Anthropology and Nutrition Laboratory, Doctor of Medical Sciences, Professor, Director of Federal Research Centre of Nutrition, Biotechnology and Food Safety; nikitjuk@ion.ru