Углеводно-белковый гель для спортивного питания и способ его получения на основе нанофильтрата-концентрата творожной сыворотки
CARBOHYDRATE-PROTEIN GEL FOR ATHLETIC NUTRITION AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF BASED ON CURD WHEY NANOFILTRATE-CONCENTRATE

Изобретение относится к молочной промышленности и касается производства специализированных продуктов для спортивного питания с использованием молочного сырья, а именно творожной сыворотки.
Изобретение относится к пищевым продуктам функционального назначения с повышенной массовой долей белка животного происхождения, за счет концентрирования белков творожной сыворотки методом нанофильтрации и обогащения основы концентратом сывороточных белков.
Большая часть пищевой продукции для спортивного питания относится к категории биологически активных добавок, использование которых в основном рационе питания спортсменов ограничено и не должно превышать 5-10% общей калорийности рациона [1].
Заявляемое изобретение предназначено для спортивного питания, а также для лиц с высокими физическими нагрузками и представляет собой готовый к употреблению специализированный функциональный продукт, который может использоваться в виде основного или дополнительного питания. Преимуществом изобретения является содержание полноценных белков только молочной сыворотки благодаря использованию в качестве основы продукта нанофильтрата-концентрата из творожной сыворотки и внесению концентрата сывороточных белков молока.
Известен белково-углеводный продукт для питания спортсменов (гейнер), а также людей, ведущих активный образ жизни. Данный продукт содержит мальтодекстрин, обезвоженный овсяный отвар, боярышник, цветочную пыльцу (обножку), шиповник и пергу. Изобретение позволяет повысить эффективность тренировок, восстановить силы после интенсивных физических нагрузок, а также способствует интенсивному наращиванию мышечной массы спортсменов и используется в комплексе для снижения веса [2]. Данный продукт называется белково-углеводным, но углеводный компонент в нем преобладает, также недостатком является относительно невысокое содержание белка в целом, и, в особенности, невысокое содержание биологически полноценного белка животного происхождения.
Известна сухая смесь для спортивного напитка, включающая мальтодекстрин, L-карнитин, фруктоолигосахариды, гуммиарабик, натуральную морскую соль, лактат кальция, сульфат магния, хлорид калия, витаминный и минеральный премиксы, вкусоароматическую добавку, фруктозу для добавления в питьевую или в минеральную воду [3].
Известен сухой специализированный белково-углеводный продукт для питания спортсменов, содержащий в массовых процентах сывороточные белки 15÷20, яичный белок 10÷12, молозиво сухое 4÷7, аминокислоту L-глутамин 1÷5, фруктозу 6÷10, комплекс растительных пищевых волокон, представляющий собой смесь гуммиарабика и фруктоолигосахаридов, взятых в соотношении по массе (30-70):(70-30) 1÷5, креатин моногидрат 3÷5, витаминный премикс 0,12÷0,15, минеральный премикс 2,02÷2,05, ароматические добавки 0,48÷0,62 и мальтодекстрин до 100. Данное изобретение позволяет получить продукт с повышенной пищевой ценностью, с усиленными антикатаболическими, иммуномодулирующими, детоксикационными и жиромобилизирующими свойствами [4].
Основной недостаток данных изобретений - сухая форма, то есть продукты представляют собой биологически активные добавки к пище, а не готовый к употреблению пищевой продукт. При высушивании утрачиваются ценные свойства многих биологически активных соединений, в частности, белков, иммуноглобулинов и пр. Также сухие препараты имеют высокую стоимость, что в дальнейшем значительно увеличивает цену готового продукта. Другим недостатком данных изобретений является возможность использования химически синтезированных консервантов, ароматизирующих и вкусовых веществ, которые могут быть противопоказаны ряду потребителей.
Известен углеводный гель для спортивного питания, содержащий воду, глюкозу и фруктозу, который дополнительно может содержать декстрозу и/или мальтодекстрины, минеральные вещества и/или электролиты, аминокислоты, а также одно или несколько соединений, выбранных из группы, состоящей из ароматических соединений. Углеводный гель предназначен для минимизации проблем, связанных с желудочно-кишечным трактом в процессе тренировок, а также для поддержания повышенного уровня сахара в крови и усиленного окисления экзогенных углеводов [5].
Недостатком этого изобретения является отсутствие описания вида используемого белка, что не позволяет составить заключение о пищевой ценности продукта. Также недостатком этого изобретения является отсутствие описания способа получения геля, поскольку разные макронутриенты в различной степени участвуют в формировании стабильной консистенции продукта.
Наиболее близким к заявленному способу является продукт с белком молочной сыворотки и способ его получения, имеющий соотношение сывороточного белка к казеину от около 90:10 до около 50:50. Способ включает микрофильтрацию сырьевого материала на основе молока для отделения сывороточного белка в микрофильтрационный пермеат и концентрат казеина в микрофильтрационный ретентат, ультрафильтрацию, по меньшей мере, части микрофильтрационного пермеата с получением ультрафильтрационного пермеата и концентрата сывороточного белка в виде ультрафильтрационного ретентата. Данный способ предусматривает составление композиции продукта с применением микрофильтрационного ретентата, ультрафильтрационного ретентата и нанофильтрационного пермеата, а также применение продукта для приготовления кисломолочных и/или подкисленных свежих продуктов, таких как йогурт, ферментированное молоко, вили, ферментированные сливки, сметану, творог, пахту, кефир и молочные напитки в таре очень малого объема [6]. Недостатком данного изобретения является многостадийность обработки сырья.
Преимуществом заявляемого продукта по отношению к приведенному является использование в композиции нанофильтрационного ретентата, обладающего более высокой биологической и пищевой ценностью, по сравнению с нанофильтрационным пермеатом, за счет концентрирования доли углеводного и белкового компонентов молочной сыворотки. Протеиновая составляющая заявляемого продукта представлена белками молочной сыворотки, которые имеют более высокую биологическую ценность по сравнению с казеином.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание для спортсменов и людей с повышенной физической активностью углеводно-белкового геля с улучшенной пищевой ценностью и способа его получения благодаря повышенному содержанию белка молочной сыворотки, добавленным углеводам разной молекулярной массы и некрахмальным полисахаридам в качестве загущающих агентов.
Решение поставленной задачи заключается в соединении молочной основы из нанофильтрата-концентрата молочной сыворотки, обогащенной концентратом сывороточных белков молока, с мальтодекстрином, фруктово-ягодным наполнителем, гидроколлоидами растительного или микробного происхождения, полном растворении всех ингредиентов при температуре (20±2)°С, пастеризации полученной смеси при температуре (92±2)°С с выдержкой 10-15 минут, дальнейшем охлаждении до (20±2)°С, фасовке продукта при этой температуре и последующем доохлаждении в холодильной камере до температуры (4±2)°С.
Достоинством заявляемого изобретения является использование нанофильтрата-концентрата молочной сыворотки, имеющего в своем составе широкий спектр биологически активных веществ при минимальной калорийности, что целесообразно в производстве продуктов спортивного питания. Переработка сыворотки при изготовлении творога относится к безотходным технологиям, решающим экологические проблемы использования компонентов молока, позволяет экономить основное и дополнительное сырье. Благодаря уникальному составу, относительной дешевизне и доступности сыворотки повышается качество и пищевая ценность производимого продукта.
Основной составной частью сухих веществ молочной сыворотки является лактоза, массовая доля которой составляет более 70% сухих веществ сыворотки. Усвояемость лактозы достигает от 98,0% до 99,7%, а медленное ее расщепление в организме способствует нормализации и поддержанию жизнедеятельности полезной микрофлоры в кишечнике человека, предупреждает развитие гнилостных процессов и аутоинтоксикации.
Биологическая ценность молочной сыворотки обусловлена содержанием сывороточных белков. По данным ВОЗ сывороточные белки оптимально сбалансированы по аминокислотному набору, особенно серосодержащим аминокислотам: цистеину, метионину, благодаря чему белок сыворотки максимально усваивается в организме человека и создает хорошие возможности для регенерации белков печени, гемоглобина и белков плазмы крови. По содержанию незаменимых аминокислот и аминокислот с разветвленной цепью, таких как валин, лейцин и изолейцин, сывороточные белки превосходят все остальные белки животного и растительного происхождения.
Молочный жир в сыворотке находится в состоянии высокой степени дисперсности, что способствует более легкому эмульгированию, расщеплению и усвояемости.
Кроме основных компонентов в сыворотку переходят минеральные соли, небелковые азотистые соединения, витамины, ферменты, гормоны, иммунные тела, органические кислоты, то есть почти все соединения, обнаруженные в настоящее время в молоке.
Одно из перспективных направлений развития экономики и экологии молочной промышленности, дающее возможность получения качественно новых видов молочных продуктов, применимых для спортсменов и людей, ведущих активный образ жизни - использование баромембранных способов переработки молочной сыворотки. Энергоэффективным баромембранным методом концентрирования и частичного обессоливания растворов является нанофильтрация. Концентрирование в нанофильтрате сывороточных белков и лактозы позволяет использовать его в производстве спортивных продуктов, отличительным признаком которых является увеличение доли углеводного и белкового компонентов.
К функциональным свойствам концентратов сыворотки, полученным путем нанофильтрации относят высокий аминокислотный скор, антиоксидантную активность, легкую усвояемость, а также усиление синтеза белков организма человека, в частности белков мышечной массы.
Проведение нанофильтрации при низких температурах (не выше 10°С) позволяет сохранять нативные свойства сыворотки и получать сывороточные концентраты с массовой долей сухих веществ от 6% до 22%. За счет частичного удаления из сыворотки вместе с фильтратом части минеральных веществ и молочной кислоты эти концентраты обладают хорошими органолептическими показателями, обеспечивающими возможность использования их в составе большинства молочных продуктов. Физико-химические показатели нанофильтрата-концентрата сыворотки приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Физико-химические показатели нанофильта-концентрата сыворотки
Показатели
Значения
Массовая доля сухих веществ, %
18,0±1,0
Массовая доля белка, %
1,8±0,5
Массовая доля лактозы, %
13,0±0,8
Титруемая кислотность, Т
164,0±1,0
Активная кислотность, единицы рН
4,4±0,4
Повышение содержания сывороточных белков в заявляемом изобретении достигается внесением концентрата сывороточных белков (КСБУФ-80), содержащего 70-80% белка в 100 граммах сухого КСБУФ-80, что способствует формированию ощущения сытости, уменьшению калорийности потребляемой пищи, стимуляции сжигания жира и роста мышечной массы. Кроме того, белки животного происхождения способствуют оптимизации реакции на стресс и поддерживают здоровый уровень нейромедиаторов головного мозга, что особенно важно в период интенсивных физических и психоэмоциональных нагрузок.
Введение в состав композиции мальтодекстрина обеспечивает организм спортсмена энергией в течение длительного времени, улучшает процесс восполнения гликогена и поддерживает стабильный уровень глюкозы в крови. Применение мальтодекстрина в качестве углеводной составляющей продукта приводит к сглаженному и более продолжительному ответу со стороны глюкозы крови, увеличению уровня инсулина, и соответственно, стимуляции роста мышечных волокон.
Для получения продукта с присущей гелю консистенцией в качестве стабилизирующей добавки изучена возможность использования некрахмальных полисахаридов: каррагинана, конжаковой камеди, ксантановой камеди, гуммиарабика и пищевых волокон Citri-Fi. Все соединения относятся к натуральным гидроколлоидам, позволяют оказывать пребиотический эффект на позитивную аутофлору кишечника человека, улучшить функционирование желудочно-кишечного тракта и печени путем детоксикации аммиака и других азотистых шлаков, образующихся при высокобелковой диете и в результате тяжелых физических нагрузок, оказывают нормализующий эффект на уровень сахара и холестерина в крови, снижают гликемический индекс продукта.
Данные гидроколлоиды отличаются происхождением, физико-химическими свойствами, поэтому их эффекты, стабилизирующие структуру, проявляются по-разному.
Диетическое волокно Citri-Fi по химической природе относится к пектинам натурального происхождения. Данное пищевое волокно извлекается из клеточного материала высушенной апельсиновой мякоти путем механической обработки, без использования химических реагентов. При этом получается открытая и расширенная структурная ячейка апельсинового волокна, связывающая и сохраняющая значительное количество воды (1 часть волокна поглощает до 15 частей воды) на протяжении всего технологического процесса производства и хранения продукта [7].
Гидроколлоидами растительного происхождения являются гуммиарабик, конжаковая камедь и каррагинан.
Гуммиарабик получают из дерева акации, конжаковую камедь - из корня конжакакового куста, каррагинан - из красных водорослей класса Rodophyceae. Ксантановая камедь - гидроколлоид микробного происхождения, получаемый как результат брожения культуры Xanthmonans campestris на питательной среде, представляющей раствор питательных углеводов.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что углеводно-белковый гель для питания спортсменов и людей с физической активностью включает нанофильтрат-концентрат творожной сыворотки, концентрат сывороточных белков молока (КСБУФ-80), мальтодекстрин, фруктово-ягодный наполнитель, как источник низкомолекулярных углеводов и вкусоароматическую добавку, и в качестве стабилизаторов гидроколлоиды растительного или микробного происхождения. Указанный результат достигается за счет качественного и количественного подбора компонентов и технологических режимов получения геля, при этом достигается эффект синергизма гидроколлоидов и сведены до минимума возможные побочные явления и негативное взаимодействие компонентов смеси между собой.
В известных авторам источниках патентной и научно-технической информации не описано композиции и способа получения углеводно-белкового геля для спортивного питания, в основе которого используется нанофильтрат-концентрат творожной сыворотки, придающий продукту функциональные свойства за счет содержания большого количества биологически активных компонентов.
Авторами экспериментальным путем подобраны температурные и временные режимы способа получения углеводно-белкового геля функционального назначения, соотношения между макронутриентной основой, содержащей нанофильтрат-концентрат творожной сыворотки, КСБУФ-80, мальтодекстрин, фруктово-ягодный сироп, и гидроколлоиды некрахмальной природы (Citri-Fi, гуммиарабик, конжаковую камедь, каррагинан, ксантановая камедь).
Опытным путем при использовании ротационного визкозиметра авторы обнаружили, что с увеличением массовой доли сиропа более 10% снижалась вязкость продукта, консистенция становилась не интенсивно связной, жидковатой с отделением дисперсионной среды. При массовой доле сиропа 15% по окончании хранения структура продукта утрачивала гелеобразную консистенцию.
В то же время при внесении 10% фруктово-ягодного сиропа достигался выраженный вкус и запах НФ-концентрата, с умеренно сладким привкусом сиропа. Одновременно установлено, что при внесении в молочную основу 10% фруктово-ягодных сиропов «Клюква», «Брусника», «Черника» или «Малина» наблюдался цвет, не характерный для данного наполнителя, а цвет нанофильтрата-концентрата приобретал неприятный сероватый оттенок. Максимальную органолептическую оценку получали образцы с хорошим, чистым, кисломолочным вкусом, на конец предполагаемого срока хранения которых сохранялась желеобразная консистенция при использовании сиропов «Шиповник», «Шиповник и черная смородина», «Облепиха».
Таким образом, данные органолептической экспертизы и реологических исследований позволили установить оптимальное соотношение рецептурных ингредиентов для геля на основе нанофильтрата-концентрата. В таблице 2 приведена базовая рецептура углеводно-белкового геля для спортивного питания.
Таблица 2 - Рецептура углеводно-белкового геля для спортивного питания
Ингредиент
Содержание, %
Нанофильтрат-концентрат творожной сыворотки
Остальное до 100
КСБУФ-80
5,0-10,0
Фруктово-ягодный наполнитель (сироп)
10,0
Мальтодекстрин
5,0
Пищевое волокно Citri-Fi
1,0-3,0
Гуммиарабик
0,1-0,2
В таблице 3 представлены показатели пищевой и энергетической ценности углеводно-белкового геля.
Таблица 3 - Пищевая и энергетическая ценность углеводно-белкового геля на основе нанофильтрат-концентрата творожной сыворотки
Наименование продукта
Содержание в 100 г
Энергетическая ценность(калорийность), кДж/ккал
белка
жира
углеводов
Углеводно-белковый гель на основе нанофильтрата-концентрата творожной сыворотки
5,0-9,0
0,5
21,0, в т.ч. сахарозы 7,0
110,0-130,0/460,0-550,0
Способ производства углеводно-белкового геля для спортивного питания на основе нанофильтрата-концентрата творожной сыворотки включает подогрев нанофильтрата-концентрата творожной сыворотки до температуры (20±2)°С, внесение согласно рецептуре: концентрата сывороточных белков КСБУФ-80, мальтодекстрина, фруктово-ягодного сиропа, гидроколлоидов. Дальнейшее перемешивание смеси при (20±2)°С в течение 15-20 минут до полного растворения всех ингредиентов и последующую пастеризацию смеси в течение 10-15 минут при (92±2)°С. После выдержки продукт охлаждают до температуры (20±2)°С, и подают на розлив. Упакованный продукт направляют в холодильную камеру для охлаждения до температуры (4±2)°С, после чего технологический процесс считается законченным и продукт готов к реализации.
Технологическая схема производства белково-углеводного геля представлена на фигуре 1.
Источники информации:
1. Воробьева В.М. Классификация и характеристика специализированных продуктов для питания спортсменов / В.М. Воробьева, Л.Н. Шатнюк, И.С. Воробьева и др. // Вопросы питания. - 2010. - № 6 (79). - С. 64-68.
2. Пат. 2592573 Российская Федерация, МПК A23L33/10 / Белково-углеводный продукт для спортивного питания (гейнер) / Лапшина Е.В., Тыщенко Е.А., Попова Д.Г., Дымова Ю.И., Сычугова А.О.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» - №2015129309/13А; заявл. 16.07.2015; опубл. 27.07.2016.
3. Пат. 2428063 Российская Федерация. МПК A23L2/39 / Сухая смесь для спортивного напитка / Токаев Э.С., Краснова И.С.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Академия-Т» - №2010112818/13А; заявл. 05.04.10; опубл. 10.09.11.
4. Пат. 2463800 Российская Федерация, МПК A23J 3/08(2006.01), A23J 1/08(2006.01), A23L 2/39(2006.01) / Сухой специализированный белково-углеводный продукт для питания спортсменов / Токаев Э.С., Бастриков И.А.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Академия-Т» - №2009135307/10А; заявл. 23.09.09; опубл. 20.10.12.
5. Пат. 2454086 Российская федерация, МПК A23L1/09, A23L1/302, A23L1/305, A61К31/7004 / Углеводный гель для спортивного питания и его применение / Аскер Ёукендруп, Трент штелленгверф, Эрик Залтас; заявитель и патентообладатель НЕСТЕК С.А.  (СН) - №2010140380/10А; заявл. 10.04.12; опубл. 27.06.12.
6. Пат. 2575610 Российская Федерация, МПК А23К1/08, А23J3/08, A23C9/142, A23C21/06/ Продукт с белком молочной сыворотки и способ его получения / Харью Матти, Хейно Антти, Тиканмяки Ретта, Тоссавайнен Олли; заявитель и патентообладатель ВАЛИО ЛТД - №2012121886/10А; заявл. 25.10.2010; опубл. 20.02.2016.
7. Губина, И. В. Волокна «Цитри-Фай» / И. В. Губина // Молочная промышленность. - 2015. - № 3. - С. 77-78.