Научно-экспериментальное обоснование рецептуры специализированного продукта для питания спортсменов, обогащенного пробиотическими микроорганизмами

Резюме

Целью работы стало научное обоснование рецептуры специализированного пробиотического пищевого продукта для питания спортсменов с использо­ванием функционального пищевого ингредиента - ассоциации пробиотиков (лакто- и бифидобактерий), иммобилизованных в гель биополимеров. В качест­ве основного сырья использовалось молоко коровье обезжиренное; в качестве компонентов, регулирующих белково-углеводный состав многокомпонентно­го продукта, были выбраны изолят сывороточных белков, мед натуральный (пчелиный), мальтодекстрин. В качестве адаптогена животного происхожде­ния был использован комплекс на основе дефибрированной крови и экстракта пантов северного оленя, для дополнения качественного и количественного состава витаминов и минеральных веществ - премикс, содержащий 7 витами­нов, кальций и железо. Изложен процесс получения пищевого функционального ингредиента для ферментации нормализованной смеси и обогащения продук­та жизнеспособными клетками пробиотиков. Для их защиты в условиях технологического процесса производства, а также в желудке и кишечнике исследован процесс иммобилизации ассоциации пробиотиков в биополимерный гель. Эффективность доставки ассоциации пробиотических микроорганиз­мов, иммобилизованных в гель, доказана проведением исследований в условиях, имитирующих процесс пищеварения в полости желудка и верхнего отдела кишечника человека. Полученный экспериментальным путем функциональный пищевой ингредиент использовали для ферментации нормализованной смеси компонентов в технологии ферментированного (кисломолочного) про­дукта для спортивного питания.

Ключевые слова:специализированный пищевой продукт для питания спортсменов, обогащенные продукты, пробиотики, иммобилизация, функциональный пищевой ингредиент

Вопр. питания. 2018. Т. 87. № 3. С. 22-28. doi: 10.24411/0042-8833-2017-00072.

Питание является важнейшим фактором, интегри­рующим здоровье человека с момента зачатия и в течение всей жизни", - подчеркнул академик РАН В.А. Тутельян, формируя основные составляющие при­нципы продовольственной безопасности страны [1].

О значимости здорового питания свидетельствуют приоритетные задачи государственной политики РФ по увеличению объема и расширению ассортимента важных категорий пищевых продуктов, обогащенных функциональными ингредиентами, специализирован­ных и функциональных пищевых продуктов [2]. Разра­ботаны и действуют законодательные и нормативные правовые документы, регламентирующие производство обогащенных, специализированных и функциональных пищевых продуктов в рамках организации здорового питания населения страны [3-5].

Одной из важнейших категорий специализирован­ных пищевых продуктов являются продукты для лиц, систематически занимающихся физической культурой, фитнесом, любительским и профессиональным спор­том. Современный спорт связан со значительными физическими и психологическими нагрузками. Устой­чивость организма спортсмена к стрессовым ситуациям существенно повышается при рациональном питании, обеспечивающем адекватное поступление энергии и биологически активных веществ. В настоящее время все большую популярность приобретает точка зрения, что пищевой статус и структура питания спортсменов служат одним из главных факторов, определяющих уровень спортивных достижений. Адекватное питание одна из составляющих достижения высоких спортив­ных результатов, тогда как неадекватное поступление нутриентов в организм спортсмена в условиях ин­тенсивных физических и нервно-психических нагрузок чревато весьма неблагоприятными последствиями не только для спортивной формы, но и для его здоро­вья. Для решения проблемы оптимального сбалансиро­ванного питания спортсменов необходимы разработка и внедрение в производство отечественных специа­лизированных продуктов заданного состава (высоко­белковые, высокоуглеводные, углеводно-минеральные и др.), которые должны способствовать увеличению работоспособности, выносливости, быстрейшему вос­становлению организма спортсмена после физической нагрузки и, в конечном итоге, улучшению спортивных достижений [6, 7].

Продукты, предназначенные для питания спортсме­нов, должны не только снабжать организм необходи­мыми нутриентами, но и легко усваиваться, способствуя быстрому восстановлению энергии, затраченной во время тренировок и соревнований. В ассортименте таких продуктов одно из ведущих мест занимают фер­ментированные кисломолочные продукты, которые получают путем использования лакто- и бифидобактерий [8, 9].

Бактерии в процессе ферментации синтезируют не­большие количества витаминов (в частности, В12, фолиевую кислоту, биотин), аминокислот и биологически активных пептидов. Бифидо- и лактобактерии имеют выраженную антагонистическую активность в отношении патогенных и условно-патогенных бактерий, спо­собствуют поддержанию оптимального количественного и качественного состава кишечной микрофлоры, по­этому важно, чтобы они достигали кишечника в актив­ном жизнеспособном состоянии.

Цель работы - научно обосновать рецептуру специа­лизированного пробиотического пищевого продукта для питания спортсменов с использованием функциональ­ного пищевого ингредиента - ассоциации пробиотиков (лакто- и бифидобактерий), иммобилизованных в гель биополимеров.

Материал и методы

В качестве основного сырья использовалось молоко коровье сырое; в качестве компонентов, регулирую­щих белково-углеводный состав многокомпонентного продукта, были выбраны изолят сывороточных белков, мед натуральный пчелиный), мальтодекстрин, а также использовались биологически активная добавка к пище "Пантогематоген Северный" (ЗАО "Фермент", РФ) с содержанием железа 275-325 мг/кг и витаминно-минеральный премикс "Валетек 7" (ЗАО "Валетек Продимпэкс", РФ).

Для исследования функционального пищевого ингре­диента составлена ассоциативная закваска на основе культур Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium lactis, Streptococcus salivarius subsp. thermophillus. Для иммо­билизации в качестве носителя использовали биопо­лимеры желатин пищевой, частично амидированный низкоэтерифицированный пектин (Гену® пектин LM-106 AS-YA) и крахмал в соотношении 5:1:1. Процесс микрокапсулирования проводили в микробиологическом боксе с системой очистки (TENCAN, Китай) на пилотной установке.

Деградация капсул была исследована в ходе ими­тации модели переваривания в желудочно-кишечном тракте. Модель желудочного сока: 2% водный раствор NaCl, pH 2,0 (1 М HCl), пепсин 3600 Ед/мл, темпера­тура 37 °С. Образцы инкубировали в водяной бане при постоянном встряхивании в течение 120 мин. Мо­дель кишечного сока: 0,68% KH2PO4; 0,1% солей жел­чных кислот; 0,4% панкреатина, pH 7,5 (0,5 M NaOH), температура 37 °С [10].

Изучение морфологии микроорганизмов проводили методом микроскопирования фиксированных и окрашен­ных фуксином препаратов на микроскопе "Axioskop 40" (Carl Zeiss, Германия) при увеличении 10x63.

Повторность опытов 3-5-кратная. Статистическую обработку полученных данных проводили с использова­нием программы Statistica 6.1.

Результаты и обсуждение

Перспективным направлением в производстве спе­циализированных продуктов для питания спортсменов является повышение пищевой и биологической цен­ности продуктов путем направленного регулирования их химического состава. В свете этого разработка новых групп молочных продуктов, предназначенных для индивидуализации питания спортсменов в различ­ные периоды тренировочных макроциклов, является актуальной [7].

В соответствии с классификацией продуктов для пи­тания спортсменов [6], кисломолочный (ферментирован­ный) продукт следует отнести к продуктам категории А, определяемых как богатые углеводами энергетические пищевые продукты (гейнеры). Компонентный состав такого продукта должен быть представлен, прежде всего, углеводами и белками. Целесообразно введе­ние витаминов Е, С, группы В, минеральных веществ, таких как натрий, калий, фосфор, кальций и железо, а также функциональных ингредиентов: адаптогенов и пробиотиков.

На первом этапе, при проектировании рецептуры про­дукта белковый состав регулировали добавлением бел­ков сыворотки молока. Для исследования был выбран изолят - высокоочищенная форма (90,0±0,5% белка), которая практически не содержит жира, холестерина и углеводов (лактоза). Изолят сывороточного белка имеет высокую концентрацию аминокислот с разветв­ленными боковыми цепочками (ВСАА), которые преоб­ладают в метаболизме мышечной ткани. Они исполь­зуются организмом в качестве источника энергии для сокращения мышц, а также строительного субстрата для построения мышечных волокон.

Углеводный состав продукта представлен сочетанием меда, содержащего легкоусвояемые сахара в сочетании с пыльцой и маточным молочком [11], и мальтодекстрина, также имеющего высокий гликемический индекс (от 105 до 136) и широко использующегося в продуктах спор­тивного питания [12].

В качестве адаптогена животного происхождения, способствующего восстановлению организма спортс­менов после усиленных нагрузок во время тренировок и соревнований [13], использовали дефибрированную кровь и экстракт пантов северного оленя. Для допол­нения качественного и количественного состава вита­минов и минеральных веществ, которые содержатся в молочной основе и других компонентах рецептуры [14], был использован витаминно-минеральный премикс [15], содержащий 7 витаминов, кальций и железо.

На втором этапе исследовали получение пищевого функционального ингредиента для ферментации нор­мализованной смеси и обогащения продукта жизнеспо­собными клетками пробиотиков. В качестве их защиты в условиях технологического процесса производства, а также в желудке и кишечнике был изучен процесс иммобилизации путем включения микробных клеток в гель биополимеров.

Методы иммобилизации клеток можно разделить на 3 группы: связывание на твердом носителе; включение в пространственную структуру носителя и иммоби­лизация с использованием мембранной технологии. К методам мембранной технологии также относится микрокапсулирование. Внешняя оболочка микросфер, в которую заключена биомасса, представляет собой тонкую, непроницаемую для клеток, но проницаемую для растворенных веществ искусственную мембрану. Результаты исследований иммобилизации отдельных штаммов микроорганизмов, включая пробиотические культуры, представлены в литературе [16-20].

В данной работе изучался процесс иммобилиза­ции ассоциации пробиотических культур Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium lactis и термофильной куль­туры Streptococcus salivarius subsp. thermophilus, харак­теристика которых представлена в табл. 1.

Для подготовки пищевого функционального ингреди­ента процесс иммобилизации микрокапсулированием проводили на пилотной установке в асептических ус­ловиях. Манипуляции проводили через специальные отверстия в следующей последовательности:

- активизация биомассы клеток пробиотических куль­тур на стерилизованном и охлажденном до темпера­туры 38±1 °С обезжиренном молоке;

- подготовка смеси биополимеров в соответствии с рекомендациями фирмы-изготовителя;

- соединение суспензии активизированных пробиотических микроорганизмов в реакторе с раствором биополимеров при температуре 38±1 °С;

- формирование микрокапсул и их фасование в сте­рильные флаконы.

Изучены микробиологические показатели ассоциации пробиотических микроорганизмов в активизированной форме: L. Acidophilus : B. lactis : S. thermophilus в соот­ношении 1:1:1 до иммобилизации (контроль) и после иммобилизации (опыт) (рис. 1).

Эффективность системы доставки пробиотических микроорганизмов, иммобилизованных методом микрокапсулирования, в желудочно-кишечный тракт исследо­вали в условиях, имитирующих процесс пищеварения в полости желудка и кишечника.

Значимым параметром, характеризующим микрокап­сулы, является их способность к постепенному раство­рению, которая характеризуется временем распада и (или) скоростью растворения in vitro. Для твердых капсул под распадом понимается полное растворение в среде испытания (искусственном желудочном соке) при данной температуре (36,5±0,5 °С). Этот процесс распада должен завершаться за 30 мин согласно требованиям Европейской фармакопеи. Фактическая скорость рас­творения зависит от многих факторов - температуры, рН, смачиваемости, плотности частиц и др.

Поскольку была поставлена задача доставки в кишеч­ник жизнеспособных клеток пробиотических микроор­ганизмов, изучено изменение морфологии микрокапсул в условиях желудка (от 30 до 45 мин) и кишечника (60 мин). Для того чтобы оценить, насколько жизнеспо­собные клетки пробиотиков будут выпущены в желу­дочно-кишечной среде с различными условиями рН, ионной силы и ферментативной активности, определяли количество жизнеспособных клеток пробиотиков при различном времени деградации микрокапсул.

Установлено, что 20-25% жизнеспособных клеток пробиотиков было высвобождено из капсул в фазе "искусственный желудок", 75-80% - в фазе "искусст­венный кишечник".

Подтверждено, что использование геля на основе биополимеров: желатина пищевого, частично амидированного низкоэтерифицированного пектина и крахмала в качестве носителя (подложки) может служить для ин­капсуляции жизнеспособных клеток пробиотиков. Кап­сулы имели наибольшую концентрацию биологически активных веществ, что говорит об их лучшей роли в ка­честве защитного компонента жизнеспособных клеток пробиотиков, а также их контролируемой доставки.

Опытно-экспериментальным путем установлено ра­циональное соотношение всех компонентов рецептуры нормализованной смеси (на 1000 кг продукта): молоко обезжиренное 849,6 кг; ферментный препарат 0,4 кг; изолят сывороточных белков 50 кг; адаптоген 30 кг; мед натуральный 50 кг; мальтодекстрин 15 кг; витаминно-минеральный премикс 5 кг.

Такой состав кисломолочного продукта обеспечивает соотношение белки / углеводы в нем 1,0:1,2, содержание витаминов (мг%): А - 1,23; Е - 0,3; В1- 0,29; В2 - 0,27; В3 - 0,4; В6 - 0,41; РР - 3,3; С - 44 и минеральных веществ (мг%): К - 152; Са - 170; Na - 52; Р - 97; Mg -17; Fe - 2,6.

Результаты изучения морфологии микроорганизмов ме­тодом микроскопирования представлены на рис. 2 и 3.

Анализ данных, представленных на рис. 2 и 3, сви­детельствует о том, что при включении клеток микро­организмов в гель они располагаются равномерно, от­сутствуют крупные скопления клеток. Это способствует сохранению высокой активности и стабильности клеток микроорганизмов в процессе ферментации.

Не менее важным критерием пробиотических свойств культур является способность микроорганизмов выжи­вать в желудочно-кишечном тракте человека. В связи с этим были проведены исследования по изучению устойчивости иммобилизованных клеток микроорга­низмов к желчи, NaCl и щелочной реакции среды, т.е. к модельным условиям желудка и кишечника. Ре­зультаты исследований представлены в табл. 2.

Иммобилизованные клетки микроорганизмов про­явили устойчивость к исследуемым концентрациям тест-веществ, что может рассматриваться как косвенный показатель способности иммобилизованных клеток микроорганизмов приживаться в желудочно-кишечном тракте человека. Предположительно, такая закономер­ность прослеживается за счет наибольшего количест­ва ассоциированных компонентов (белки, полисаха­риды) клеточных стенок микроорганизмов, содержащих пектины, которые комплементарны соответствующим рецепторам, расположенным на мембранах эпители­альных клеток. Именно пектины, соединения белковой или гликопротеиновой природы, проявляющие специ­фическую и обратимую углеводосвязывающую актив­ность, являются медиаторами адгезии, обеспечивая поддержание жизнеспособности пробиотических клеток микроорганизмов в микрокапсулированном виде.

Полученный экспериментальным путем функциональ­ный пищевой ингредиент использовали для фермен­тации нормализованной смеси компонентов. Готовый кисломолочный продукт содержал не менее 1х108 КОЕ/г пробиотических микроорганизмов в соответствии с тре­бованиями ГОСТ Р55577-2013 [4].

Новизна разработки функционального пищевого инг­редиента отражена в патенте РФ № 2588465 [21], техно­логия ферментированного (кисломолочного) продукта для специализированного (спортивного) питания защи­щена патентом РФ № 2538151 [22].

Таким образом, в результате проведенных исследова­ний дано научное обоснование компонентного состава ферментированного (кисломолочного) продукта, пред­назначенного для специализированного (спортивного) питания.

Литература

1. Гордеев А.В. и др. Продовольственная независимость России : в 2 т. Т. 1. М. : Технология ЦД, 2016. 560 с.

2. Основы государственной политики Российской Федерации в области здорового питания населения на период до 2020 года. Утверждены распоряжением правительства РФ от 25 октября 2010 г. № 1873-р.

3. Технический регламент Таможенного союза "О безопасности пищевой продукции" (ТР ТС 021/2011) с приложениями. Принят 9.12.2011 г. № 880.

4. ГОСТ Р 55577-2013 Продукты пищевые функциональные. Информация об отличительных признаках и эффективности.

5. Технический регламент Таможенного союза "О безопасности молока и молочной продукции" (ТР ТС 033/2013) с приложени­ями. Принят 9.10.2013 г. № 67.

6. Гаврилова Н.Б., Щетинин М.П., Молибога Е.А.Современное состояние и перспективы развития производства специализи­рованных продуктов для питания спортсменов // Вопр. питания. 2017. Т. 86, № 2. С. 108-114.

7. Трофимов И.Е. Исследование и разработка технологии белково-углеводного кисломолочного продукта для специализирован­ного питания : дис. ... канд. техн. наук. Кемерово, 2016. 149 с.

8. Гаврилова Н.Б. Щетинин М.П.Технология молока и молочных продуктов: традиции и инновации. М. : КолосС, 2012. 544 с.

9. Гаврилова Н.Б. Биотехнология комбинированных молочных продуктов. Омск : Вариант-Сибирь, 2004. 224 с.

10. Фиалков Д.М., Артюхова С.И., Жидкова О.Н. Методы исследо­вания свойств сырья и молочных продуктов. Омск : ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2004.232 с.

11. Иванова И.К., Шиц Е.Ю., Корякина В.В. Определение аутентич­ности и термической преобразованности продуктов пчеловодс­тва методом ЯМР-спектроскопии // Вопр. питания. 2013. Т. 82, № 3. С. 72-76.

12. Бастриков И.А. Медико-биологические аспекты создания и применения специализированных белково-углеводных про­дуктов питания для спортсменов // Вопр. питания. 2009. Т. 78, № 6. С. 49-57.

13. Первушин В.В., Бакуменко О.Е. Биологически активные вещес­тва, повышающие адаптацию к физической нагрузке // Пищ. пром-сть. 2011. № 10. С. 73-74.

14. Гаврилова Н.Б., Чернопольская Н.Л., Трофимов И.Е. Разра­ботка технологии ферментированного продукта для специ­ализированного питания // Материалы IX международного конгресса "Биотехнология: состояние и перспективы развития" 20-22 февраля. М. : Гостиный Двор, 2017. С. 302-304.

15. Шатнюк Л.Н., Михеева Г.А., Некрасова Т.Э., Коденцова В.М. Витаминно-минеральные премиксы в технологиях продуктов здорового питания // Пищ. пром-сть. 2014. № 6. С. 42-47.

16. Belma A. The effect of immobilization on some probiotic properties of Streptococcus thermophilus strains // Ann. Microbiol. 2009. Vol. 59, N 1. P. 127-132.

17. Chassy B.M. Gene transfer and advances in the molecular genetics of Lactobacilli // 6th Intern. Symp. Lactic Acid Bacteria and Human Health (1989, August 30). Seul : R & D Center, Korea Yakult Co. Ltd., 1998. P. 245-273.

18. Gregory K. Charlene M. MelloImmobilization of Escherichia coli cells by use of the antimicrobial peptide cecropin P1 // Appl. Environ. Microbiol. 2005. Vol. 71, N 3. P. 1130-1134.

19. Recept A. Efficient immobilization and pattering of live bacterial cells // Author Manuscript: available in PMC. 1998. Vol. 15. P. 1-17.

20. Tommaso G. Varesche M. Morphological observation and microbial population dynamics in anaerobic polyurethane foam // Braz. J. Chem. Eng. 2004. Vol. 3. P. 87-92.

21. Пат. 2588465, Российская Федерация, МПК C12N 1/20(2006.01), C12N 11/04(2006.01), C12N 11/10(2006.01), A61K 35/744(2015.01), A61K 35/745(2015.01)A61K 35/747(2015.01) Способ приготов­ления препарата из живых штаммов микроорганизмов лакто-и бифидобактерий / Гаврилова Н.Б., Чернопольская Н.Л. : заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Омский госу­дарственный аграрный университет имени П.А. Столыпина". № 2014123874/10 ; заявл. 10.06.2014 ; опубл. 20.12.2015, Бюл. № 35.

22. Пат. 2538151, Российская Федерация, МПК A23C 9/13 (2006.01). Композиция для получения молочно-белкового биококтейля / Гаврилова Н.Б., Трофимов И.Е., Коновалов С.А., Чернопольская Н.Л. : заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столы­пина". № 2013111568/10 ; заявл. 14.03.2013 ; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)

SCImago Journal & Country Rank
Scopus CiteScore
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Тутельян Виктор Александрович
Академик РАН, доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»

Журналы «ГЭОТАР-Медиа»