1.2. Основные направления в развитии технологии производства функциональных продуктов питания

Мировой рынок функциональных продуктов интенсивно развивается, ежегодно он увеличивается на (15-20) % [64]. Мировым лидером в раз­витии функционального питания до настоящего времени остается Япо­ния.

Для европейских стран концепция функционального питания достаточно нова и отражает последние направления развития пи­щевой индустрии [124, 127].

Диаграммы на рис. 4 иллюстрируют тенденции, сложившиеся и сохраняющиеся в настоящее время [49].

Во всех группах функциональных продуктов наблюдается интенсивный рост объема производства [48, 126].

Рис. 4. Тенденции изменения рынка

функциональных продуктов к 2010 году

Поразительная динамика разви­тия рынка функциональных про­дуктов питания и напитков обус­ловлена двумя взаимосвязанными факторами - усилиями производи­телей, старающихся выпускать продукты с повышенной ценнос­тью, и растущим спросом со сторо­ны потребителей, которые, по ре­зультатам социологических опро­сов, весьма благожелательно отно­сятся к товарам, несущим очевид­ную пользу для здоровья. Эти же опросы выявляют отчетливое предпочте­ние в пользу функциональных продуктов питания по сравнению с диетическими [83, 127].

Если говорить о классификации функциональных продуктов питания, то определившимися современными тенденци­ями на сегодняшний день следует считать:

• продукция, позиционируемая как «Лучший вы­бор для Вашего здоровья», - пищевые продукты с акцентом на содержание только натуральных ингредиентов, не содержащие консервантов, с пониженным содержанием сахара и холестерина;

• продукция, позиционируемая как возможность получить внешний «косметический эффект» – продукты с концепцией «Красота изнутри», «Результат на лицо», или продукты, способные сократить признаки старения;

• концепции «Здоровый кишечник», «Здоровое сердце», «Улучшение мозговой деятельности», «Укрепление иммунитета» базируются на использовании микроорганизмов – пробиотиков, привлекают все больше внимания, становясь основой для значительного числа новых разработок во всех развитых странах;

• продукты, специально фокусирующиеся на целевой группе «дети и подростки» - функциональные продукты, позволяющие вырастить здоровое поколение и максимально реализовать потенциал ребенка (например, продукты - синбиотики).

В России наибольшую практическую реализацию нашли приемы коррекции микробной экологии человека, базирующиеся на использовании специально подобранных пробиотических микроорганизмов, как в составе поликомпонентных заквасок для кисломолочных напитков, так и в виде монокультур [44, 97, 123]. Причем в производстве таких продуктов большое внимание уделяется качеству и видовому составу микроорганизмов заквасочных культур, так как они вызывают основные биохимические изменения в молоке [4, 37, 98].

3. Микроорганизмы, используемые при производстве кисломолочных продуктов для функционального питания

Микроорганизмы, входящие в состав кисломолочных продуктов, обуславливают лечебно- профилактические и диетические свойства, обладают широким спектром позитивного целенаправленного воздействия на организм человека, составляют основу микробиоценозов, характеризующихся определенным составом и занимающих тот или иной биотоп в организме человека [17, 99].

Большой интерес вызывает изучение, разработка и производство пробиотических продуктов, ферментированных молочнокислыми и пропионовокислыми бактериями, представителями нормальной микрофлоры кишечника [25]. Эти микроорганизмы обладают высокой метаболической активностью, участвуют в синтезе ряда витаминов, гидролизе желчных солей и холестерина, оказывают антагонистическое действие по отношению к условно-патогенной и патогенной микрофлоре (за счет изменения рН среды, продуцирования бактериоцинов, лишения нутриентов и мест адгезии конкурирующих микроорганизмов), благотворно влияют на пищеварение, устраняют дисбиотические нарушения [8, 75].

Чистая культура молочнокислой болгарской палочки Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgariqus (рис. 5) в гидролизованном молоке представляет собой длинную палочку, а в молоке в момент свертывания – короткие палочки, расположенные по одиночке в более коротких или более длинных цепочках [74].

Рис. 5. Культура Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgariсus [168]

В молоке при высокой температуре (45±1)⁰C с повышением кислотности клетки болгарской палочки удлиняются [99]. При наличии антибиотиков и других ингибирующих веществ в молоке или при отсутствии ростовых веществ, таких как витамины, аминокислоты и летучие жирные кислоты, клетки Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgariсus становятся тоньше, удлиняются и в них появляются валютиновые зёрна [68].

Клетки болгарской палочки представляют собой короткие палочки с закруглёнными концами [14]. Длина клеток варьирует от 0,8 до 1,0 мкм. Они грамположительные, среди старых встречаются клетки, не окрашивающиеся по Граму. Клетки Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus окрашиваются краской метиленовым голубым, Леффлера и особенно хорошо контрастной краской Кантранджиева. Валютиновые зёрна окрашиваются метахроматично от синего до сине-красного [15, 99]. Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgariсus является гомоферментативной кислотоустойчивой палочкой. Не образует каталазу. Оптимальная температура развития от 40⁰С до 50⁰С, минимальная от 20⁰С до 22⁰С. Не образует газа из глюкозы, аммиака и арнитина из аргинина, не разлагает эскулин; большинство штаммов устойчиво при 60⁰С, с выдержкой 90 мин, и при 63⁰С, с выдержкой 30 мин.; погибает при 65⁰С в течении 30 мин.; растет в бульоне, содержащим 2% хлорида натрия и 2% желчи. Образует до 2% D (-) молочной кислоты. При своем развитии нуждается в никотиновой кислоте, пантотенате и рибофлавине. Принадлежит к серологической группе Е [13, 99].

Болгарская палочка свертывает молоко при 45⁰С от 6 до 10 часов, придавая специфический кисломолочный вкус и запах, более выраженные при совместном культивировании со Streptococcus salivarius subsp. thermophilus. Сгусток молока, как правило, неслизистый, но при понижении температуры сквашивания до 30⁰С, некоторые штаммы могут вызвать ослизнение сгустков [15].

Некоторые штаммы болгарской палочки образуют полисахариды, состоящие из 10% - 19% арабинозы, 4% -27% маннозы, 9%-15% глюкозы, 34%-36% галактозы, которые обуславливают достаточно эластичную консистенцию и плотную структуру продукта. При культивировании в молоке в течение 10 часов при 21⁰С болгарская палочка образует от 2мг % до 20мг % этаналя; не восстанавливает этаналь в спирт [19].

Болгарская палочка обладает также протеолитической активностью, в результате деятельности которой в готовом продукте накапливаются различные растворимые азотистые вещества, участвующие наряду с другими соединениями в формировании запаха, вкуса и аромата; она образует продукты протеолиза, в первую очередь свободные аминокислоты (САК), до 15мг% [13, 73].

Многие амины молока, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот, имеют неприятный запах и вкус, так как болгарская палочка продуцирует гистамин, тирамин, триптамин. Поэтому при селекции всех молочнокислых бактерий необходимо учитывать их декарбоксилазную активность и подбирать заквасочные культуры, которые не образуют горькие пептиды [73].

При идентификации болгарской палочки наибольшие разногласия возникают в определении способности микроорганизмов сбраживать углеводы. Это объясняются тем, что не существует штамма с точно определенной характеристикой его способности к сбраживанию углеводов. Кроме того, разные авторы работали с различными питательными средами и с неодинаковыми по чистоте углеводами, а также с различными видами и количеством штаммов. Но ни один автор не указывает на способность ее к сбраживанию трегалозы и салицина [15, 99].

Клетки Streptococcus salivarius subsp. thermophilus (рис. 6) имеют шарообразную или овальную форму и величину от 0,7 до1,0 мкм.

Рис. 6. Культура Streptococcus salivarius subsp. thermophilus [168]

Встречаются парами и в виде длинных S-образных цепочек. Неподвижны, грамположительны. В момент свертывания молока обнаруживаются клетки, интенсивно окрашивающиеся в синий цвет краской Леффлера или контрастной краской Кантранджиева [13, 99]. Термофильный стрептококк хорошо растет в цельном или обезжиренном коровьем молоке, особенно в овечьем молоке или в смеси коровьего и овечьего (1:1). В молоке с антибиотиками или другими ингибирующими веществами клетки термофильного стрептококка удлиняются и приобретают форму короткой толстой палочки [15].

На твердых питательных средах образуются S-колонии. Поверхностные колонии круглые, с гладким светлым краем и слабозернистой структурой, величиной от 1,0 до 1,2 мкм. В глубине колонии – линзовидные.

В жидкой питательной среде с глюкозой при оптимальной температуре развития термофильный стрептококк растет интенсивно с помутнением бульона [21, 73].

Оптимальная температура развития термофильного стрептококка от 40⁰С до 45⁰С. При 10⁰С – не растет. При температуре свыше 54⁰С развитие замедляется. Терморезистентен: выдерживает нагревание при 63⁰С в течении 30 минут [74].

При оптимальных условиях развития термофильный стрептококк сбраживает лактозу, глюкозу, фруктозу, сахарозу. Не сбраживает мальтозу, инулин, глицерин, манит и салицин [15].

Данная культура обладает низкой липолитической активностью. Протеолитическая активность термофильного стрептококка ниже, чем у болгарской палочки (от 2% до 4%) и продуктами протеолиза являются гистидин, аргинин, тирозин, фенилаланин и лейцин [99].

Термофильный стрептококк свертывает молоко при 45⁰С от 6 до 8 часов (при внесении 1%). Образует от 0,9% до 1,1% L(+) молочной кислоты. Чаще всего придает сгустку молока слабозернистую структуру и приятный кисломолочный вкус, более типично выраженный при его совместном культивировании с болгарской палочкой. Streptococcus salivarius subsp. thermophilus не разжижает желатин [14, 19].

Пропионовокислые бактерии объединены в род Propionibacterium (рис. 7), который входит в состав семейства Propionibacteriaceae. Другой род этого семейства – Eubacterium [28, 147].

Рис. 7. Культура рода Propionibacterium [169]

Они были открыты в 1906 году Орла-Енсеном и Фройденрайхом и выделены впервые из эмментальского сыра [133]. После исследований Дугласа и Гантера в род Propionibacterium стали включать виды анаэробных коринебактерий. Первым русским ученым, начавшим исследование пропионовокислых бактерий, стал А.Ф. Войткевич [28].

Пропионовокислые бактерии, применяемые в молочной промыш­ленности, выделяются из молочных и других пищевых продуктов. Раз­личают два основных типа данных микроорганизмов:

• Propionibacterium freudenreichii ssp. freudenreichii

• Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii [29].

Так более 60% штаммов, относящихся к Р. shermanii и Р. freudenreichii, выделены из эмментальского сыра [1]. Чистые культуры выделенных бактерий составляют три морфологические группы: Bacterium acidi propionici a, Bacterium acidi propionici b, Bacillus acidi propionici [43, 133].

Классические пропионовокислые бактерии характеризуются как аэротолерантные (микроаэрофильные) бактерии [112]. Они грамположительные; плохо окрашиваются метиленовой синью (в отличие от молочнокислых); каталазоположительные; факультативно анаэробные; неподвижные; неспорообразующие формы; диаметр от 0,5 до 0,8 μm, длина от 0,5 до 1,5 μm [135, 28].

Морфологически пропионово­кислые бактерии довольно трудно дифференцировать.

Колонии – на средах влажные, округлые, блестящие, маслянистые, некоторые штаммы образуют тяжелый тянущийся осадок.

Цвет колоний – кремовый, желтый, оранжевый, красный, коричневый.

Форма может быть округлая, расщепленная или с ответвлениями. В микроскопическом препарате можно наблюдать одиночные и по­парно расположенные микроор­ганизмы или короткие V-образные или Y-образные цепочки.

Молодые клетки в аэробных условиях имеют вид коротких палочек, в анаэробных условиях и при повышении температуры – становятся более длинными [13, 28].

От других видов пропионовокислые бактерии отличаются более высокой термоустойчивостью. Это связано с особенностью химизма состава клетки – цитоплазматическая мембрана многослойна и богата фосфолипидами. Липиды пропионовокислых бактерий не только входят в структурные элементы клеток, но и играют роль защитных компонентов против действия ряда антибиотиков.

Состав клеточных фосфолипидов служит таксономическим признаком рода Propionibacterium. Основной фосфолипид представлен мономанозидом глицерил фосфорилмиоинозита. Общее количество фосфолипидов у пропионовокислых бактерий составляет до 10% от общего количества липидов [29, 112].

Пропионовокислые бактерии растут в пределах температуры от 15⁰С до 40⁰С. Оптимальная температура развития классических пропионовокислых бактерий (30±1)⁰С [110].

Оптимальная величина рН роста – от 6,5 до 7,0; максимальная - 8,0; минимальная – от 5,0 [28, 99].

При выделении пропионовокислых бактерий учитывают хороший рост их в анаэробных условиях при нейтральном значении рН. Анаэробные условия создают путем внесения сульфита Nа, цисцеина, тиогликолята Nа к агаровой среде [29, 112].

Пропионовокислые бактерии хорошо утилизируют лактаты. Лактат в качестве источника углерода обеспечивает более высокую скорость роста пропионовокислых бактерий. Пропионовокислые бактерии лучше всего используют лактат в присутствии безклеточного экстракта штаммов Streptococcus salivarius subsp. thermophilus [28].

При культивировании на средах пропионовокислые бактерии могут синтезировать аминокислоты за счет ассимиляции азота. Серосодержащие аминокислоты стимулируют рост пропионовокислых бактерий, проявляющих устойчивость к высоким концентрациям Н₂S в среде.

Из серосодержащих аминокислот пептидов молока бактерии образуют диметилсульфид, обладающий антимутагенными свойствами [27].

В результате брожения, зависимого от кофермента В₁₂, род пропионовокислых бактерий образует пропионовую кислоту. Кроме пропионовой кислоты при брожении образуются: уксусная кислота, углекислый газ, диацетил и янтарная кислота [26, 28, 147].

При ферментации молока пропионовокислые бактерии проявляют слабую кислотообразующую активность: сквашивают молоко от 5 до 7 дней.

В настоящее время теоретические и практические разработки в области изучения и производства молочных продуктов, в состав которых входят пропионовокислые бактерии, активно осуществляются в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете, под руководством доктора технических наук, профессора Ирины Сергеевны Хамагаевой.

Следует отметить некоторые осо­бенности культивирования и раз­множения пропионовокислых мик­роорганизмов типа P.freudenreichii. Это строго анаэробные микроорга­низмы. Все традиционные пропионо­вокислые бактерии вырабатывают каталазу. Для их развития требуются пантотенат, биотин и аминокисло­ты, присутствующие в молоке [28].

Пептидазактивные микроорга­низмы представлены некоторыми штаммами лактобацилл. Во время созревания их число увеличивает­ся вследствие декомпозиции про­теинов до аминокислот, оба ко­фактора являются ключевыми в ферментации пропионовокислых микроорганизмов. Некоторые из пропионовокислых бактерий нуж­даются дополнительно в тиамине (витамин В₁,) и р-аминобензокислоте [25].

Свободные аминокислоты не су­щественны для роста пропионово­кислых микроорганизмов, но обла­дают стимулирующим эффектом. Это объясняет причину, почему L.helveticus и другие бактерии, обладающие сильным протеолитическим действием, стимулируют рост пропионовокислых бактерий [29].

Интерес заслуживает изучение влияния уров­ня рН на ферментацию пропионо­вокислых бактерий, которые растут сразу после помещения сыра в ка­меру охлаждения.

Начальный уровень рН сыра ока­зывает действие на ферментацию пропионовокислых бактерий: чем выше уровень рН, тем быстрее развивается пропионовокислая микрофлора. Рекомендуемая кис­лотность (5,35±0,05) по рН после солильного бассейна перед каме­рой созревания [28, 43, 121].

Пропионовокислые бактерии не растут при уровне рН ниже, чем 5,0. Сбраживание цитратов зависит от количества хлорида натрия и ни­тратов. Даже небольшое количество микроорганизмов сильно влияет на ферментацию. Рост уровня рН иногда зависит от оста­точного уровня галактозы, в резуль­тате сбраживания которой увеличи­вается уровень пропионовокислого брожения [28, 77].

Оптимальная температура для роста от 30⁰С до 32⁰С, хотя строго огра­ниченный рост и метаболизм наблю­даются и между 3⁰С и 10⁰С. В зависи­мости от скорости формирования глазков температура в период со­зревания в теплой камере состав­ляет от 20⁰С до 24°С.

Пропионовокислые бактерии ингибируются хлоридом натрия в за­висимости от уровня рН. Быстрый рост пропионовокислых бактерий совершенно ингибируется при уров­не рН 5,2 и 7,0 и содержании 3% и 6 % NaCl. На практике хлорид натрия содержится в сыре в количестве ме­нее (1,7 ± 0,2) % [1, 43, 133].

Нитрат также ингибирует рост пропионовокислой микрофлоры. Нитрат применяется только в случае невозможности бактофугирования молока и дозах, не превышающих 7 г KN0₃ на 100 л молока [121].

Все традиционные пропионово­кислые микроорганизмы в процессе метаболизма в со­стоянии расщеплять глицерин, фрук­тозу, глюкозу и галактозу до молоч­ной кислоты. Сахароза может быть расщеплена только P.jensenii, P.theonii и P.acidi propionici, лактоза - P.fre­udenreichii ssp. shermanii, хотя все штаммы способны использовать лактат как субстанцию для начала метаболизма. Конечными продук­тами их метаболизма являются пропионовая и уксусная кислота, СО₂, и небольшое количество сукцината [77, 112].

Теоретически уравнение реакции для пропионовокислой фермента­ции лактата выглядит следующим образом:

3 молекулы лактата = 2 молекулы пропионата + 1 молекула ацетата + 1 молекула С0₂ + Н₂0.

На практике соотношение между пропионатом и ацетатом изменя­ется в зависимости от воздействия многих факторов. Увеличение аспарагина ведет к рос­ту количества сукцината, СО₂ и количества ацетата [28, 112].

Независимо от способности фор­мировать аспартат сукцината ами­нокислоты аспарагин, аланин, серии и глицин могут тоже расщепляться. Это так называемый аминокислот­ный метаболизм. Таким образом, пропионаты и ацетаты формируются в соотношении 1:1. Метаболизм амино­кислот независимо от протеолиза связан и оказывает действие на фер­ментацию пропионовокислых бак­терий и, исходя из этого, заметно влияет на образование аромата [28, 77].

Штамм Propionibacterium freudenreichii связан с формированием типичного сладковатого вкусоследствия и образования свободного пролина, который получается в ре­зультате протеолиза казеина, при воздействии фермента пролинаминопептидазы [25, 154].