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.