Перспективность использования микрокапсулированных пробиотических культур в пищевой промышленности

УДК 663.15

Е. В. Петухова, А. Ю. Крыницкая

ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОКАПСУЛИРОВАННЫХ ПРОБИОТИЧЕСКИХ КУЛЬТУР В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: пробиотик, пребиотик, синбиотик, иммобилизация, микрокапсулирование, культура.

В статье показано, что использование капсулированных форм пробиотических культур в пищевой промышленности, особенно при изготовлении кисломолочных продуктов, позволит не только сохранить жизнеспособность применяемых микроорганизмов, но и обеспечить благоприятные условия для их развития в организме человека.

Key words: probiotic, prebiotic, synbiotic, immobilization, microencapsulation, culture.

The article shows that the use of encapsulated forms of probiotic cultures in the food industy, especially in the manufacture of fermented dairy products, will not only preserve the viability of the microorganisms employed, but also to provide a favorable environmentfor their development in humans.

В настоящее время в связи с ухудшением здоровья населения и в медицине и в пищевой отрасли актуальной задачей является получение пищевых продуктов с пробиотическими свойствами. Чаще всего пробиотические бактерии добавляются в молочные продукты, соки и напитки, поскольку активность их в жидких средах выше, нежели чем в твердых. Однако и для мясной промышленности открываются большие возможности их применения, в частности, при производстве сыровяленых и сырокопченых мясных продуктов, в которых эти культуры накапливаются в процессе созревания в довольно большом количестве 108/г [1] .

Пробиотики - это функциональные пищевые ингредиенты в виде препаратов, БАД или в составе пищевых продуктов, состоящие из полезных живых организмов, оказывающие благоприятное воздействие на организм благодаря нормализации состава или повышения активности нормальной микрофлоры кишечника [2].

Предпочтительными пробиотическими микроорганизмами являются представители рода Bifidobacterium, которые используют во многих продуктах и часто добавляют в молочные продукты, уже содержащие традиционные йогуртовые бактерии (Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus).

Бифидобактерии обладают высокой антагонистической активностью по отношению к патогенным и условно патогенным микроорганизмам за счет выработки органических жирных кислот; участвуют в утилизации пищевых субстратов и активизации пристеночного пищеварения; синтезируют незаменимые аминокислоты, витамины группы В, витамин К, стимулирующие работу кишечной микрофлоры; способствуют усилению процессов всасывания через стенки кишечника ионов кальция, железа, витамина D [3,4].

Доказано, что бифидобактерии обладают сильной иммунопотенциирующей активностью. Причем эта активность увеличивается после разрыва клеток, что свидетельствует о наличии внутриклеточного растворимого иммунопотенциатора. Испытания соевого молока, ферментированного бифи-

добактериями (FSM), показали, что оно подавляет карциногенез молочной железы крыс [1] .

Необходимым качеством пробиотиков, обеспечивающим их физиологическое действие, является высокая скорость роста и совместимость с другими микроорганизмами, присутствующими в желудочно-кишечном тракте, минимальная способность пробиотиков к транслокации из просвета пищеварительного тракта во внутреннюю среду организма.

Пробиотики являются живыми микроорганизмами. Использование этих живых бактерий в производстве пищевых продуктов, особенно молочных продуктов, является сложным, в частности, в связи с проблемами выживаемости микроорганизмов в продукте. В технологических процессах производства обогащенных пробиотиками пищевых продуктов, а также при их прохождении через пищеварительный тракт пробиотические культуры подвергаются множеству агрессивных воздействий, которые приводят к снижению их активности, частичной или полной гибели. Основными факторами риска для пробиотических микроорганизмов являются: длительное пребывание в кислой среде желудка, влияние антимикробных компонентов, содержащихся в продуктах, влияние желчных кислот, действие кислорода [5].

Результаты определения выживаемости про-биотиков из кисломолочных продуктов различных марок в начале эксперимента (0 ч), через 4 ч инкубации в кислой среде (рН = 2,0) в присутствии аци-дин-пепсина и через 12 ч инкубации в щелочной среде (рН = 7,2) в присутствии панзинорм форте 20000, т.е. в условиях in vitro, имитирующих пищеварение у человека, представлены в таблице 1.

В результате воздействия на пробиотические микроорганизмы факторов, имитирующих таковые в желудочно-кишечном тракте человека, происходило заметное снижение числа жизнеспособных микробных клеток. В кислой среде число жизнеспособных микроорганизмов снижалось на два-три порядка по сравнению с исходным количеством, и в щелочной среде — ещё на один-два порядка [6].

В связи с этим актуальной задачей является разработка методов защиты клеток пробиотических культур в неблагоприятных условиях кисломолоч-

ных продуктов и желудочно-кишечного тракта, при использовании которых в готовой продукции сохранялось бы максимальное число жизнеспособных клеток и не утрачивались бы их полезные свойства.

Таблица 1 - Выживаемость пробиотиков кисломолочных продуктов в условиях в условиях in vitro, имитирующих пищеварение у человека

Кисломолочный продукт Вид пробиотиков ОКБ в 1 мл продукта, по Бриду Содержание живых бактерий в пробе, КОЕ/мл

0 ч 4 ч 12 ч

Имму-неле Lactobacillus spp. 1,7-107 1,5- 107 1 -105 1 -103

Биобаланс Lactobacillus spp. Bifido-bacteri um spp. 1,9- 107 1,5- 107 1,8 • 107 1 • 107 4 1 -104 4 1 -104 1 -102 1 -102

Биоряженка Bifido-bacteri um spp. 1,9- 107 1 • 107 1 -105 1 -103

Акти-виа Bifido-bacteri um pp. 1,8- 107 1 • 107 1 -105 1 -102

Бифи-лайф Bifido-bacteri um pp. 1,7- 107 1 • 107 1 -105 1 -103

Это может быть достигнуто иммобилизацией клеток, а именно, использованием носителя - матрицы или микрокапсулированием.

Иммобилизованные клетки микроорганизмов на различных носителях нашли широкое применение в пищевой промышленности. В качестве носителей используют как неорганические, так и неорганические адсорбенты. Так для иммобилизации дрожжей применяют различные материалы в качестве матрицы: кальциево-альгинатный гель - при получении сидра и ферментизированного сакэ; алюмосиликатные минералы, буковая стружка, полиэтилен, полиакриламидный гель - в виноделии; модифированная подсолнечная шелуха и активированный уголь - при производстве спирта; целлюлозные носители - в пивоварении. В молочной промышленности для иммобилизации лактобакте-рий используют смешанный гель из деионизирован-ного к-каррагенана и смолы бобов рожкового дерева. Для получения пробиотических желированных мясных продуктов молочнокислые бактерии (Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermothilus) вводятся в продукты с использованием природного полимера (желатин, агар), образующего термотропный гель, который с одной стороны служит желирующей основой для функциональных мясных продуктов, а с другой стороны - выполняет функцию носителя для клеток пробиотических культур [7,8].

Метод иммобилизации клеток на носителе обеспечивает их длительную функциональную активность, что связано со специфическими условиями, возникающими на поверхности раздела фаз «жидкость - твердая поверхность» (изменение значений рН и окислительно-восстановительного потенциала, концентрирование углекислого газа, по-

вышенная концентрация физиологически активных веществ и т.д.).

Другой метод иммобилизации - микрокапсу-лирование является эффективным способом сохранения активности и жизнеспособности пробиотических культур в агрессивных условиях среды желудочно-кишечного тракта.

Капсулированные формы должны удовлетворять следующим требованиям:

- микрокапсулы должны достичь нижних отделов тонкого кишечника, где происходит разрыв их оболочек с высвобождением бактерий и последующим заселением ими слизистой толстого кишечника, поэтому оболочка капсулы должна быть устойчива к действию соляной кислоты желудочного сока;

- микрокапсулированная форма при введении в организм разрушается постепенно и обеспечивает продолжительное поступление бактерий в окружающую среду. Конкуренция за субстрат снижается в точке выхода бактерий и обеспечивается лучшая колонизация слизистой оболочки кишечника [9].

Установлено, что использование L. acidophilus в виде пектиновых микрокапсул в составе спредов повышает сохранность жизнеспособных клеток при прохождении через желудочно-кишечный тракт in vitro в 30 и более раз по сравнению с некапсули-рованными формами и позволяет увеличить срок годности продукции до 3 месяцев с сохранением содержания пробиотика на уровне не ниже 106 КОЕ/г [10].

Другим автором [11] обоснованы рациональные условия инкапсулирования пробиотических культур, заключающиеся в применении в качестве капсулирующих веществ 2%-ного раствора альгина-та натрия в сочетании с хитозаном с молекулярной массой 500 кДа и 240 кДа. Сравнительное изучение стрессоустойчивости микроорганизмов показало, что выживаемость инкапсулированных клеток Lbm. acidophilus увеличивалась в среднем на 40-50% по сравнению со свободными клетками. При этом капсулы оставались стабильными и не подвергались изменениям. Было установлено, что наибольшую защиту клеток обеспечивали альгинатно-хитозановые и хитозан-полифосфатные капсулы, полученные с применением хитозана с Mr 240 кДа. В опытах «in vivo» выявлены преимущества использования инкапсулированных пробиотических культур. Установлено, что полученная форма не проявляла кумулятивного токсического эффекта. Таким образом, показана целесообразность применения инкапсулированных форм пробиотических культур с целью повышения профилактической эффективности действия продуктов здорового питания.

Разработан способ микрокапсулирования пробиотических микроорганизмов с использованием липосом [12]. Подобраны оптимальные параметры их получения: концентрация фосфолипидов - 10%, действие ультразвука (частота 25 КГц при температуре 20°С) в течение 5 минут. Экспериментально установлено, что при внесении токоферола в количестве 0,01% стабильность липосом возрастает.

Исследован процесс микрокапсулирования ассоциированных пробиотических микроорганизмов с использованием носителя (матрицы) - желатин: пектин: крахмал в соотношении.5:1:1 [13].

В настоящее время Ульяновским ЗАО «Алев» осуществляется производство питьевых йогуртов с пробиотическими бифидобактериями, заключенными в микрокапсулы «Юна», импортируемых из Японии. В состав указанных капсул входит гидро-генизированное кокосовое масло [14].

Другим техническим решением является производство йогурта с бифидобактериями, заключенными в мягкие бесшовные микрокапсулы, внешняя оболочка которых содержит лецитин и пектин [5]. Формирование мягких бесшовных капсул осуществляется известным экструзионным способом в капсу-ляторной установке на выходе из жиклерного узла капсулятора, в который под давлением воздуха подается наполнитель, представляющий собой растительный жир и бифидобактерии Bifidobacterium longum, и желатиновая масса, включающая желатин, пектин, лецитин, глицерин и воду (табл.2).

Таблица 2 - Состав бесшовных капсул

Наименование ингредиента Количество, кг

Жир растительный 599,0

Желатин свиной 161,0

Крахмал 40,0

Пектин 19,0

Пробиотики 40,0

Лецитин 21,0

Глицерин 120,0

ИТОГО 1000,0

Внесение лецитина позволяет ускорить растворение желатиновой капсулы в кишечнике с последующим выведением из организма холестерина.

Сформированные капсулы кремово-белого цвета имеют сферическую форму диаметром 5002000 мкм. Количество пробиотических микроорганизмов составляет не менее 4% от массы капсулы.

Готовые микрокапсулы с клетками микроорганизмов предлагается вносить из расчета 2,7-3,0 кг на 1000 кг йогурта в упаковочную тару одновременно с операцией розлива в нее готового йогурта [5].

Микрокапсулы можно вносить также в заквашенное молоко после образования сгустка и его охлаждения. В данном случае после перемешивания готовый продукт поступает на фасовочный аппарат.

Помимо сохранности и доставки пробиотиче-ских культур капсулированные формы могут содержать компоненты, выступающие в роли пребиотиков.

В соответствии с ГОСТ Р 52349-2005 пребио-тик - функциональный пищевой ингредиент в виде вещества или комплекса веществ, обеспечивающий при систематическом употреблении человеком в пищу в составе пищевых продуктов благоприятное воздействие на организм человека в результате избирательной стимуляции роста или повышения биологической активности нормальной микрофлоры кишечника [2] .

Способность пребиотиков служить питательной средой для нормальной кишечной микрофлоры во многом обусловлена их устойчивостью к действию пищеварительных соков и ферментов, благодаря которой они не адсорбируются и не гидролизу-ются в верхних частях желудочно-кишечного тракта, доходя без изменений до места обитания бифи-добактерий.

В кишечнике пребиотики защищают от повреждений эпителий кишечника и способствуют адгезии клеток бифидобактерий на внутренней поверхности стенок кишечника. Известен ряд веществ, способных при малых концентрациях стимулировать рост бифидобактерий. Они названы бифидус-факторами. Бифидогенные факторы относятся к пребиотикам, которые расщепляются под действием гидролаз бифидобактерий и служат фактором их роста.

Пребиотики стимулируют выработку имму-номодулирующих веществ полезной микрофлорой кишечника. В процессе ферментации пребиотиков углеводной природы образуются уксусная, молочная, пропионовая и масляная кислоты, снижающие значение рН в толстом кишечнике, способствуя, таким образом, уничтожению патогенных микроорганизмов и прекращению образования токсичных и канцерогенных продуктов белкового гниения. Некоторые пребиотики нормализуют уровень холестерина и глюкозы в крови, а также связывают и выводят из организма некоторые токсичные вещества, поступающие с пищей [1,9] .

В качестве пребиотиков могут выступать ферментируемые углеводы, которые не усваиваются или трудно усваиваются в тонком кишечнике и стимулируют рост бифидобактерий; сложные углеводы (лактулоза, галактоолигосахариды, фруктоолигоса-хариды, инулин и его гидролизаты, мальто-олигосахариды и крахмал), которые используются в питании бактерий, присутствующих в толстом Кишечнике. Основными конечными продуктами метаболизма углеводов являются жирные кислоты с короткой цепью, а именно - ацетат, бутират и пропио-нат, которые в дальнейшем используются хозяином - организмом в качестве источника энергии .

В качестве пребиотических субстанций используются также различные блокаторы адгезии и ингибиторы роста патогенных микроорганизмов (пектины, антиадгезины, модуляторы синтеза секреторных иммуноглобулинов, дефензимы различных типов, структурные компоненты пробиотических микроорганизмов, их метаболиты и др.). Они реализуются как самостоятельно - в виде обогащающих добавок к разнообразным продуктам питания, так и в комбинации с пробиотическими микроорганизмами.

Комбинация пробиотиков и пребиотиков оказывает синергический эффект на физиологические функции и метаболические реакции организма человека и называется симбиотиком. Повышенный физиологический эффект симбиотиков обусловлен тем, что в присутствии пребиотиков полезные бактерии развиваются в 1,5-2 раза быстрее [1] .

Исследована возможность применения полидекстрозы в качестве пребиотика в составе пробио-тических спредов. Установлен эффект повышения стабильности живых микроорганизмов, связанный с формированием синбиотического комплекса, составляющими которого являются пробиотические микроорганизмы, пектин и полидекстроза. Установлено, что в процессе пищеварения in vitro полидекстроза повышает жизнеспособность микрокапсули-рованных L. acidophilus в составе спредов в 7 и более раз [10].

Изучено влияние пребиотика лактитола на рост и развитие консорциума микроорганизмов, содержащего молочнокислые и пропионовокислые бактерии. Установлено, что лактитол стимулирует рост пропионовокислых бактерий и повышает их жизнеспособность, улучшает структурно-механические свойства и качество кисломолочного биопродукта-синбиотика, полученного с участием данного консорциума [15].

Таким образом, применение капсулирован-ных форм пробиотических культур в пищевой промышленности, особенно при изготовлении кисломолочных продуктов, позволит не только сохранить жизнеспособность применяемых микроорганизмов, но и обеспечить благоприятные условия для их развития в организме человека.

Литература

1. А.Б. Лисицын, Е.И. Сизенко, И.М. Чернуха, В. А. Алек-сахина, А.А. Семенова, А. Д. Дурнева, Все о мясе, 3, 3-7 (2007).

2. ГОСТ Р 52349-2005 Продукты пищевые. Продукты пищевые функциональные. Термины и определения

3. Е.В. Иванова. Дисс. канд. мед. наук, Оренбурская гос. мед. академия, Оренбург, 2010. 128 с.

4. С.А. Жакслыкова, Р.Э. Хабибуллин, Г.Ю. Яковлева, О.А. Решетник, Вест. Каз. Техн. Ун-та, 16, 11, 202-207

5. Пат. РФ 2470518

6. С.В. Андреева, Э.А. Айбулатова, Н.В. Ярославцева, А.К. Малышева, Вест. Челябинского Гос. Ун-та, 7, 298

7. Е.В. Крякунова, А.В. Канарский, Вест. Каз. Техн. Унта,15, 22, 101-106

8. Е.В. Крякунова, А.В. Канарский, Вест. Каз. Техн. Унта, 15, 17, 189-194

9. И.А Боровик, Г.В Крусир, А.В. Коркач, ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий, 2, 12, 68

10. А.В. Самойлов Дисс. канд. тех. наук, Моск. гос. ун-т пищевых пр-в, Москва, 2008. 188 с.

11. Н. В. Ананьева. Дисс. канд. тех. наук, Моск. гос. ун-т прикладной биотехнологии, Москва, 2007. 196 с.

12. Э.В. Морина. Дисс. канд. тех. наук, Моск. гос. ун-т пищевых пр-в, Москва, 2011. 188 с.

13. О.А Гладилова. Дисс. канд.тех.наук, Омский гос. аграрный ун-т, Омск, 2010. 182 с.

14. А.Ф. Радыгина, Переработка молока, 5, 38-39

15. Ю.А. Гаврилова. Дисс. канд. тех. наук, Сев.-Кавказ. гос. техн. ун-т, Омск, 2010. 164 с.

© Е. В. Петухова - канд. биол. наук, доц. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, petel07@yandex.ru; А. Ю. Крыницкая -канд. тех. наук, доц. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, paulalla@yandex.ru.

© E. V. Petukhova - Ph.D, Associate Professor, Department of Food Biotechnolody, KNRTU, petel07@yandex.ru; A. Y. Krynicka - Ph.D, Associate Professor, Department of Food Biotechnolody, KNRTU, paulalla@yandex.ru.