СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ С ГАЛАКТООЛИГОСАХАРИДАМИ
METHOD FOR PRODUCTION OF FUNCTIONAL ADDITIVE WITH GALACTOOLIGOSACCHARIDES

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано при производстве продуктов функционального назначения.
Галактоолигосахариды (ГОС) относятся к группе пребиотиков, которые благоприятно влияют на организм человека, осуществляя избирательную стимуляцию роста полезных кишечных бактерий. Чаще всего ГОС получают биотехнологическим путем с использованием ферментных препаратов или культур микроорганизмов [Тенденции развития способов получения галактолигосахаридов / Храмцов А.Г., Родная А.Б., Лодыгин А.Д., Рябцева С.А. // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - Краснодар, КубГТУ, 2011. - с. 5-8]. В основе промышленных способов получения ГОС лежит реакция трансгалактозилирования, осуществляемая ферментом бета-галактозидазой в концентрированных растворах лактозы, причем реакция протекает параллельно с гидролизом лактозы. К микроорганизмам, способным вырабатывать бета-галактозидазы, относятся различные виды бактерий, мицелиальных и почкующихся грибов (плесеней и дрожжей), при этом дрожжи достаточно широко применяются для получения ГОС [Применение дрожжей - продуцентов бета-галактозидаз для получения галактоолигосахаридов из лактозосодержащего сырья / Храмцов А.Г, Рябцева С.А., Панфилова А.А., Родная А.Б., Лодыгин А.Д. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 8. - с.36-39].
Известен способ получения концентрата ГОС на основе раствора молочного сахара и пермеата молочной сыворотки (Патент РФ № 2379903), предусматривающий следующие операции: приготовление воды с рН 6,5±0,5 методом электроактивации, растворение в ней лактозы, внесение в раствор лактозы препарата дрожжевой или бактериальной β-галактозидазы, ферментацию, сгущение, инактивацию фермента и охлаждение полученного концентрата. Недостатком данного способа, как и других способов с использованием ферментных препаратов, является их высокая стоимость, что отражается на себестоимости готового продукта.
Запатентован способ получения высокоочищенных галактоолигосахаридов, в котором используются две культуры - В. singularis и Saccharomyces sp., причем ферментация проводится в реакторе с поточной системой перекрестных микрофильтрационных полых волокон [ЕР патент № 2252699]. К недостаткам данного способа относится сложность технологии и ее аппаратурного оформления, в том числе для глубокой очистки продукта. Все это существенно повышает стоимость готового продукта.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ производства продукта, обогащенного галактоолигосахаридами и β-галактозидазой, ферментированного с использованием Streptococcus thermophilus [патент FR № 19940010468]. Технологический процесс проходит в следующей последовательности: коровье молоко, растительные жиры и лецитин гомогенизируют при 75°С, затем добавляют витамины; затем смесь гомогенизируют при 115°С, концентрируют до 43% сухих веществ и добавляют гидролизат казеина. В готовую смесь вносят 5% культуры клеток S. thermophilus от объема смеси. Раствор ферментируют в течение 5 ч 30 мин при 44°С, потом охлаждают до 20°С, после чего высушивают в распылительной сушилке, где температура на входе 165°С, а на выходе ниже 90°С. К недостаткам данного способа относится низкий выход ГОС (2-6% от исходной лактозы), а также использование сложной питательной среды, содержащей гидролизат казеина, что приводит к удорожанию готового продукта.
Технический результат предлагаемого способа заключается в получении пищевой добавки для функционального питания с повышенным содержанием ГОС, обогащенной витаминами группы В и β-галактозидазами. Для достижения высокого выхода ГОС, обогащения добавки витаминами группы В и β-галактозидазами дрожжевого происхождения предлагается использовать на первом этапе производства лактозосбраживающие пищевые дрожжи; для достижения высокого выхода ГОС и обогащения добавки β-галактозидазами бактериального происхождения на втором этапе ферментации предлагается использовать заквасочные молочнокислые микроорганизмы Streptococcus thermophilus (далее Str. thermophilus), причем применяются штаммы, не сбраживающие галактозу.
В качестве дополнительных эффектов предлагаемого способа следует отметить низкую стоимость, безопасность получаемой добавки и экологическую чистоту технологии ее получения. Это обеспечивается за счет использования недорогого лактозосодержащего вторичного молочного сырья (например, молочной сыворотки) и простой технологии, в которой применяются только микроорганизмы, используемые в заквасках для пищевых продуктов, т.е. безопасные для человека, поэтому не требуется сложной очистки продукта от токсичных продуктов их метаболизма.
Предлагается способ получения функциональной пищевой добавки с галактоолигосахаридами, включающий подготовку лактозосодержащего сырья, его ферментацию и сушку, при этом согласно изобретению первый этап ферментации проводится в лактозосодержащем сырье с массовой долей лактозы 3-15% с использованием пищевых лактозосбраживающих дрожжей при температуре (30±2)°С в течение 12-24 ч, после чего доводят содержание лактозы в смеси до (15-40) % и проводят второй этап ферментации с использованием штаммов Str. thermophilus, не сбраживающих галактозу, при температуре (50±2)°С в течение 4-18 ч.
Способ заключается в следующем.
В качестве сырья может быть использована любая молочная сыворотка (подсырная, творожная, казеиновая), ее ультрафильтраты, как в натуральном виде, так и сухая (после растворения в воде). При использовании молочной сыворотки, как правило, ее очищают от остатков молочного жира и казеиновой пыли на специальных сепараторах. Температурная обработка сырья проводится при 72-76°С, продолжительностью 15-20 секунд, для уничтожения микроорганизмов, которые могут влиять на качество готового продукта. Эти режимы обработки вторичного молочного сырья являются традиционными и не являются отличительными признаками изобретения.
Важным для данного способа является то, что массовая доля лактозы в исходном растворе должна составлять от 3 до 15%. 3% - это минимальное содержание лактозы в натуральной творожной сыворотке, кроме того, если в среде будет меньше 3% лактозы, то дрожжи - продуценты бета-галактозидазы будут плохо развиваться из-за недостатка углеводов. Для повышения массовой доли лактозы в среде используется сухое лактозосодержащее сырье. Если в среде будет свыше 15% лактозы, то она будет ингибировать рост лактозосбраживающих дрожжей, так как в этом случае в растворе будет слишком высокое осмотическое давление.
Далее в подготовленную среду вносится закваска лактозосбраживающих дрожжей, обычно 5% от исходного объема. Культивирование дрожжей проходит при (30±2)°С (оптимальная температура развития дрожжей, при более низкой или высокой они развиваются медленнее), в течение 12-24 ч, в зависимости от аэрации сред (при аэрации дрожжи растут быстрее и требуется меньшее время культивирования). При культивировании менее 12 ч не накапливается максимально возможное количество дрожжей, при более 24 ч могут начаться процессы деградации клеток, кроме того, это нецелесообразно с экономической точки зрения. В предлагаемом способе могут использоваться любые пищевые лактозосбраживающие (т.е. применяющиеся в пищевой промышленности и способные продуцировать фермент бета-галактозидазу) дрожжи, например, применяющиеся в молочной промышленности для производства ферментированных напитков (кефир, айран, кумыс и др.), такие как Kluyveromyces marxianus, Saccharomyces lactis, Saccharomyces kefyr, Candida pseudotropicalis, Candida kefyr, Kluyveromyces lactis и т.п.
На первом этапе ферментации происходит сбраживание большей части лактозы и активное развитие дрожжей, которые необходимы как продуценты (источники) бета-галактозидазы для синтеза ГОС на следующем этапе.
Самым важным является второй тап ферментации. В среду добавляется сухое лактозосодержащие сырье для доведения содержания лактозы до 15-40%, после чего вносится закваска, состоящая из молочнокислых бактерий вида Str. thermophilus - термофильного стрептококка, широко использующегося в молочной промышленности при получении ряженки, варенца, йогурта и др. кисломолочных продуктов. Концентрация 15% лактозы необходима для эффективного протекания реакции трансгалактозилирования, при более низкой концентрации будет преобладать реакция гидролиза лактозы. Концентрация 40% лактозы - это максимум, при котором способны развиваться микроорганизмы и лактоза не начинает кристаллизоваться.
Второй этап ферментации проводится при (50±2)°С. При этом начинают размножаться термофильные стрептококки, в то же время при такой температуре и в среде с повышенной кислотностью (которую создают молочнокислые бактерии) клетки дрожжей начинают лизироваться и фермент бета-галактозидаза выходит в среду с повышенным содержанием лактозы, где проводит две параллельные реакции - гидролиза (расщепления лактозы на глюкозу и галактозу) и трансгалактозилирования (присоединения галактозы к молекуле лактозы, т.е. образования ГОС), причем равновесие в среде с повышенным содержанием лактозы и галактозы в отсутствие глюкозы (которая быстро используется термофильным стрептококком) будет сдвинуто в сторону образования ГОС. Этот эффект достигается благодаря особенности метаболизма штаммов термофильных стрептококков, не сбраживающих галактозу. Из литературы известно [1. Степаненко П.П. Микробиология молока и молочных продуктов: Учебник для ВУЗов. Сергиев Посад: ООО «Все для Вас-Подмосковье», 2003], [2. Степаненко П.П. Руководство к лабораторным занятиям по микробиологии молока и молочных продуктов // М.: Изд-во Лира, 2005], что типовые штаммы бактерий Str.thermophilus ферментируют лактозу и глюкозу, но не ферментируют галактозу. Эти положения подтверждаются данными, полученными в ходе наших экспериментальных исследований. Именно благодаря этой особенности типовых штаммов термофильных стрепотококков при совместном их использовании с лактозосбраживающими дрожжами в среде синтезируется больше ГОС, чем в других способах - степень трансгалактозилирования составляет от 12 до 46%. Это высокий уровень ГОС, учитывая то, что в способе не применяют очищенные дорогостоящие ферменты, сложные комбинированные питательные среды и сложное оборудование. Этот процесс протекает при (50±2)°С в течение 4-18 ч. При меньшей температуре недостаточно эффективно идет автолиз дрожжей, при большей - происходит подавление развития термофильного стрептококка. При меньшем времени культивирования процесс автолиза дрожжей и накопления ГОС не успевает происходить, более длительное культивирование нецелесообразно, так как требует дополнительных затрат энергии при незначительном повышении выхода ГОС. Далее смесь отправляют на распылительную сушку, которая проводится традиционным способом при традиционных режимах, использующихся при сушке молочной сыворотки и молока.
Процесс может быть проведен на существующем и широко использующемся в молочной промышленности и биотехнологии оборудовании, при этом используются заквасочные микроорганизмы, что уменьшает затраты на очистку продукта от токсичных продуктов метаболизма, а следовательно, и себестоимость продукта.
Готовый продукт обогащен не только повышенным содержанием пребиотических компонентов ГОС, но и витаминами группы В, полученными при автолизе дрожжей, а также бета-галактозидазами дрожжей и Str. thermophilus, которые частично остаются после сушки и способствуют лучшему перевариванию пищи, особенно при лактазной недостаточности. Порошок можно использовать как функциональную добавку в различные продукты, такие как хлебобулочные, кондитерские, а также в кисломолочные напитки.
Возможность реализации предлагаемого способа подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Молочную творожную сыворотку, очищенную от жира и казеиновой пыли, с массовой долей лактозы 3,5% принимают по массе и качеству, после чего проводится температурная обработка при 72°С, продолжительностью 20 секунд. Далее в среду вносится 5% закваски лактозосбраживающих дрожжей Kluyveromyces marxianus от изначального объема сыворотки. Культивирование проводится при температуре 28°С, в течение 12 ч без аэрации среды. После этого в среду добавляют сухую молочную сыворотку до содержания лактозы в ней 15% и 5% закваски, содержащей штаммы Str.thermophilus, не сбраживающие галактозу. Второй этап ферментации проводят при температуре 48°С, в течение 4 ч, без аэрации среды. По окончании реакции ферментации смесь отправляют на распылительную сушку. Готовый продукт содержит 12,3% галактоолигосахаридов.
Пример 2. Сухую молочную подсырную сыворотку растворяют в воде, получая раствор с массовой долей лактозы 15%, который подвергается температурной обработке при 76°С в течение 15 секунд. Далее в среду вносят 5% закваски лактозосбраживающих дрожжей Candida kefyr. Культивирование проводится при температуре 32°С, в течение 12 ч с аэрацией среды. Затем в среду добавляют сухую подсырную сыворотку до содержания лактозы 40% и 5% закваски штаммы Str. thermophilus, не сбраживающие галактозу. Ферментацию проводят при температуре 52°С, в течение 14 ч. По окончании реакции ферментации смесь отправляют на распылительную сушку. Готовый продукт содержит 28,2% галактоолигосахаридов.
Пример 3. Свежую подсырную сыворотку с массовой долей лактозы 4,5% очищают от жира и казеиновой пыли и подсгущают до массовой доли лактозы 15%. В подсгущенную сыворотку вносят 5% закваски лактозосбраживающих дрожжей Saccharomyces lactis, применяющихся в молочной промышленности. Культивирование проводится при температуре 32°С, в течение 24 ч с аэрацией среды. Затем в среду добавляют сухую подсырную сыворотку для доведения содержания лактозы до 40%, а также 5% закваски, содержащей штаммы Str. thermophilus, не сбраживающих галактозу. Ферментацию проводят при температуре 52°С, в течение 18 ч. По окончании реакции ферментации смесь отправляют на распылительную сушку. Готовый продукт содержит 46,1% галактоолигосахаридов.