Иванова Ирина Сергеевна. Разработка технологии биологически активной добавки к пище в виде белково-углеводного концентрата из биомассы хлебопекарных дрожжей

Короткий опис

Иванова Ирина Сергеевна. Разработка технологии биологически активной добавки к пище в виде белково-углеводного концентрата из биомассы хлебопекарных дрожжей : Дис. ... канд. техн. наук : 05.18.10 Москва, 2003 250 с. РГБ ОД, 61:03-5/2855-6

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
на правах рукописи
ИВАНОВА ИРИНА СЕРГЕЕВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ДОБАВКИ К ПИЩЕ В ВИДЕ БЕЛКОВО-УГЛЕВОДНОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ БИОМАССЫ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ
Специальность 05.18.10 - Технология чая, табака, биологически активных веществ и субтропических культур
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ
доктор технических наук, профессор Л. А. Иванова
Москва - 2003
СОКРАЩЕНИЯ
1. АСБ - абсолютно сухая биомасса
2. АСВ - абсолютно сухое вещество
3. АСД - абсолютно сухие дрожжи
4. ACM - абсолютно сухая масса
5. БАД - биологически активная(-ые) добавка(-и)
6. БМ - биомасса
7. ВС - водосвязывающая способность
8. ДСД - допустимая суточная доза
9. ДСП - допустимая суточная потребность
10. ЖСС - жиросвязывающая способность 11 .ММ - молекулярная масса
12.НК - нуклеиновые кислоты 13.ОЛА - общая литическая активность
14. РВ - редуцирующие вещества
15. СВ - сухие вещества
16. ТСХ - тонкослойная хроматография 17.ЧК - чистая культура
18.W - влажность
з
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ... 13
1.1. Общее состояние проблемы обеспечения населения
пищевым белком 13
1.2. Основные критерии качества пищевого белка 19
1.2.1. Понятие биологической ценности белков 19
1.2.2. Функциональные свойства белков 21
1.2.3. Безвредность белка для организма человека 23
1.3. Дрожжи как источник пищевого белка 25
1.4. Технологические особенности получения
хлебопекарных дрожжей 32
1.4.1. Особенности строения дрожжевой клетки и классификация дрожжей. Расы дрожжей, используемые
в хлебопекарной промышленности ' 33
1.4.2. Влияние условий культивирования на
метаболизм дрожжей 39
1.4.3. Принципы составления питательных сред 42
1.5. Стимуляторы роста биомассы микроорганизмов 52
1.6. Применение дрожжевых белковых препаратов
в пищевой промышленности 59
I. 6.1. Применение пищевых добавок
в хлебопекарной промышленности 63
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 71
II. 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 71
ГІ. 1.1. Материалы исследований 71
II. 1.2. Определение содержания редуцирующих
веществ в мелассном сусле, исходных
дрожжах и белково-углеводных концентратах 75
II. 1.3. Определение содержания "сырого протеина" и белка
в дрожжах и белково-углеводных концентратах 76
II. 1.4. Определение pH растворов 76
II. 1.5. Определение содержания сухих веществ 77
11.1.6. Определение выхода абсолютно
сухой биомассы дрожжей 77
11.1.7. Подсчет числа клеток дрожжей 77
II. 1.8. Постановка экспериментов по выращиванию
хлебопекарных дрожжей 77
II. 1.9. Определение нуклеиновых кислот в дрожжах
и белково-углеводных концентратах 78
II. 1.10. Экстракция липидов из биомассы дрожжей, определение содержания общих липидов
и группового состава экстрагированных липидов 78
II. 1.11. Денуклеинизация биомассы дрожжей 79
II. 1.12. Определение молекулярной массы белка 80
II. 1.13. Определение функциональных свойств белков 81
II. 1.14. Определение сорбционной способности
белково-углеводных концентратов по отношению к различным микроорганизмам 83
II. 1.15. Определение аминокислотного состава белка 83
II. 1.16. Определение содержания ионов тяжелых металлов в белково-углеводном концентрате и его
сорбционной способности по отношению к металлам 84
11.1.17. Методика изготовления хлеба и оценка его качества
с учетом весомости основных показателей 84
П.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ 87
11.2.1. Выбор наиболее продуктивного штамма
хлебопекарных дрожжей 87
11.2.2. Определение оптимального состава питательной среды для выращивания дрожжей Saccharomyces
cerevisiae J1K-14 в лабораторных условиях 89
11.2.2.1. Определение оптимальной концентрации сухих веществ питательной среды при выращивании
биомассы хлебопекарных дрожжей 91
11.2.2.2. Влияние концентрации азота в среде на выход биомассы дрожжей S. cerevisiae
ЛК-14 и содержание в ней "сырого протеина" 92
11.2.2.3. Влияние концентрации фосфора в среде на выход биомассы дрожжей S. cerevisiae
ЛК-14 и содержание в ней "сырого протеина" 94
11.2.3. Влияние стимулятора полифенольной природы Гипоксена на рост и накопление биомассы
дрожжами Saccharomyces cerevisiae JIK-14 96
11.2.3.1. Определение оптимальной концентрации Гипоксена при выращивании хлебопекарных дрожжей
S. cerevisiae ЛК-14 в лабораторных условиях в колбах объемом 750 см3 97
11.2.3.2. Определение оптимального момента внесения стимулятора в питательную среду в процессе культивирования хлебопекарных дрожжей 99
11.2.3.3. Влияние возраста посевного материала на выход биомассы дрожжей S. cerevisiae ЛК-14 при использовании стимулятора роста Г ипоксена 100
11.2.3.4. Влияние порционного введения стимулятора Г ипоксена в питательную среду
на увеличение выхода АСБ дрожжей 103
11.2.3.5. Изучение влияния стимулятора Г ипоксена на динамику накопления клеток дрожжей
S. cerevisiae ЛК-14 в лабораторном ферментере 105
11.2.3.6. Изучение влияния стимулятора Гипоксена
на динамику накопления клеток дрожжей S. cerevisiae ЛК-14 в опытно-промышленном ферментере 108
11.2.4. Разработка основ технологии
белково-углеводного концентрата 112
11.2.4.1. Экстракция липидов из биомассы дрожжей 113
11.2.4.2. Денуклеинизация обезжиренной дрожжевой биомассы 120
11.2.4.3. Обработка дрожжевой биомассы ферментами литического действия и их влияние на
экстрагируемость внутриклеточных компонентов 129
11.2.5. Определение молекулярной массы белков в
полученных белково-углеводных концентратах 138
П.2.6. Определение аминокислотного состава белков белково-углеводных концентратов
и их пищевой ценности 141
II.2.7. Определение сорбционной способности
белково-углеводных концентратов из хлебопекарных дрожжей по отношению к патогенным и
условно-патогенным микроорганизмам 146
11.2.8. Исследование белково-углеводных концентратов на
содержание тяжелых металлов и способность к деметаллизации 149
11.2.9. Функциональные свойства
белково-углеводных концентратов 156
11.2.10. Изучение возможности применения полученных белково-углеводных концентратов
в хлебопекарной промышленности 161
ВЫВОДЫ 172
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 175
198
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время потребность населения нашей планеты в продуктах питания полностью не удовлетворяется. Проблема ос¬ложняется неравномерностью распределения как производства, так и потреб¬ления продовольствия между отдельными регионами, государствами и груп¬пами населения. Особенно остро ощущается дефицит пищевого белка, кото¬рый оценивается в 10-25 млн. т/год и в ближайшее время, вероятно, сохра¬нится.
Потребность человека в белке может быть частично удовлетворена с помощью растительных и животных белков. Однако общим для них является недостаток отдельных аминокислот, таких как лизин, триптофан, метионин, изолейцин, тирозин. Кроме того, в связи с возрастанием интереса потребите¬ля к здоровому образу жизни, в развитых странах наблюдается снижение спроса на мясо и повышение спроса на низкокалорийные, протеиновые про¬дукты с низким содержанием холестерина.
Одним из перспективных путей получения белковых веществ является микробный синтез - это реальное решение проблемы снятия дефицита белка в пище и кормах. Широкие исследования проводились и проводятся в раз¬личных странах по получению и применению в пищевых целях облагоро¬женной биомассы микроорганизмов. В этом отношении наиболее исследо¬ванными микробиологическими объектами являются дрожжи, которые со¬держат 40-55 % белка и усваиваются организмом человека на 85-88 %, зани¬мая по этому показателю промежуточное положение между белками расти¬тельного и животного происхождения. Белок дрожжей обычно беден метио¬нином и цистеином, но богат лизином и треонином.
Белковые добавки производят в виде трех основных типов продуктов, которые различаются по содержанию белка (около 50, 60-65, 80 % и выше) и его фракционному составу. К первому типу продуктов с содержанием около 50 % белка относят дезинтеграт биомассы дрожжей. Ко второму типу про¬дуктов - концентраты из биомассы микроорганизмов с содержанием белка
60-65 %. Изоляты, содержащие 80 % и более белка, - наиболее дорогой и безопасный тип белковых продуктов на основе микробной биомассы.
Дрожжевая клетка содержит ряд нежелательных компонентов, главны¬ми из которых являются липиды и нуклеиновые кислоты. При получении очищенных белковых препаратов необходимо удалять реакционноспособные и легко окисляемые липиды, т.к. взаимодействие продуктов окисления липи¬дов и белков приводит к падению питательно-физиологических показателей препарата. Кроме того, липиды микроорганизмов отличаются по химическо¬му составу от липидов традиционных продуктов питания растительного и животного происхождения и, как показали медико-биологические испыта¬ния, могут проявлять токсичность.
Полученный дрожжевой белок должен быть очищен и от нуклеиновых кислот, что определяется специфическими особенностями пуринового обме¬на человека и выделением основной массы продуктов трансформации в виде пуриновых оснований. Трудная растворимость уратов и способность солей мочевой кислоты откладываться в тканях организма, делают их накопление во внутренних органах весьма нежелательным.
Практически все натуральные пищевые продукты не являются сбалан-сированными, так как не содержат незаменимых нутриентов в необходимых количествах и соотношениях. В связи с этим одна из острейших проблем со-временности - "расстройство питания", под которым понимают патологиче¬ские состояния, вызванные несбалансированным питанием. Поэтому адек¬ватный рацион питания должен включать достаточно большое количество пищевых и биологически активных веществ.
По прогнозам специалистов, в питании людей все возрастающую роль будут играть биологически активные добавки, основу которых составляют биологически активные вещества.
В классификации, представленной в Дополнениях к "Медико¬биологическим требованиям и санитарным нормам качества продовольст¬венного сырья и пищевых продуктов", концентраты и изоляты белка относят¬ся к группе БАД, которые являются нутрицевтиками и применяются для кор¬рекции химического состава пищи (Тихомирова Н. А., 2002).
В связи с вышеизложенным, разработка новых научно-обоснованных технологий биологически активных добавок, полученных из биомассы мик-роорганизмов и обладающих органолептическими и функциональными свой¬ствами, позволяющими использовать их в пищевой промышленности, явля¬ется актуальной и перспективной.
Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состояла в разработке научных основ технологии БАД к пище из биомассы хлебопекарных дрожжей, теоретическом и экспериментальном обосновании целесообразности использования полученной БАД в хлебопекарной и пище- концентратной промышленности в качестве нутрицевтика и парафармацев¬тика. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
— поиск наиболее продуктивного по биомассе и белку штамма хлебопекар¬ных дрожжей Saccharomyces cerevisiae;
— подбор оптимального состава питательной среды для максимального на-копления биомассы и белка выбранным штаммом дрожжей;
— исследование влияния стимулятора полифенольной природы Г ипоксена на рост и накопление биомассы и белка дрожжами Saccharomyces cerevisiae;
— подбор оптимальных условий экстракции внутриклеточных компонентов дрожжей, таких как липиды и нуклеиновые кислоты, после ферментолиза малой степени конверсии, с сохранением нативного аминокислотного со¬става белка дрожжей;
— определение биологической ценности полученных белково-углеводных концентратов и проверка их токсичности;
— исследование сорбционной способности полученных белково-углеводных концентратов к патогенной и условно-патогенной желудочно-кишечной микрофлоре с позиции возможного их использования в хлебобулочных из¬делиях диетического и лечебно-профилактического назначения;
— изучение наиболее важных функциональных свойств полученных БАД с целью их использования в хлебопекарной промышленности;
— исследование влияния БАД из хлебопекарных дрожжей на свойства и ка-чество хлебобулочных изделий.
Научная новизна работы. Для экспериментального и теоретического
обоснования нового биотехнологического способа получения БАД к пище в
виде белково-углеводного концентрата из биомассы хлебопекарных дрожжей
на основе выбора технологических условий, было произведено следующее:
— впервые исследовано влияние стимулятора полифенольной природы Ги- поксена на рост и развитие дрожжей Saccharomyces cerevisiae ЛК-14, опре¬делены параметры его внесения в питательные среды для выращивания дрожжевой биомассы;
— подобраны оптимальные условия частичного ферментативного гидролиза биополимеров клеточных стенок дрожжей отечественными ферментными препаратами, впервые использованными с этой целью, установлены зави¬симости остаточного содержания липидов и нуклеиновых кислот от усло¬вий очистки дрожжевой биомассы;
— подтверждена биологическая ценность полученных БАД на основе анали¬за аминокислотного состава их белков и расчета аминокислотного скора незаменимых аминокислот;
— впервые исследована сорбционная способность белково-углеводных кон-центратов из дрожжей по отношению к патогенной, условно-патогенной микрофлоре кишечника и тяжелым металлам, позволившая обосновать их лечебно-профилактические свойства;
— определено содержание тяжелых токсичных металлов в БАДах из дрож¬жевой биомассы, показавшее их безвредность;
— впервые полученные зависимости функциональных свойств белково-углеводных концентратов из дрожжей от физико-химических факторов по¬зволили дать научное обоснование и рекомендации по их использованию в хлебопекарной промышленности и при введении в концентраты для полу¬чения пищевых продуктов, обладающих повышенной питательной ценно¬стью и лечебно-профилактическими свойствами
Практическая значимость и реализация результатов работы. Про¬веденные исследования явились основой для решения задачи по созданию новой экономичной биотехнологии БАД из биомассы хлебопекарных дрож¬жей.
В результате лабораторного и полупроизводственного изучения влия¬ния стимулятора Гипоксена на рост биомассы и накопление белка дрожжами Saccharomyces cerevisiae при подобранном оптимальном составе питательной мелассно-солевой среды разработан способ выращивания хлебопекарных дрожжей с повышенным содержанием белка, позволяющий увеличить выход биомассы на 10,31 %. Опытная партия дрожжей наработана на полупромыш¬ленной установке в условиях ЗАО «МАСТЕРЛЕК».
Разработана и экспериментально обоснована технология получения из дрожжей порошкообразного белково-углеводного концентрата с понижен¬ным содержанием липидов и нуклеиновых кислот. Доказана его высокая биологическая ценность, определяемая содержанием белка со сбалансиро¬ванным аминокислотным составом, показана сорбционная способность по отношению к тяжелым металлам, патогенной и условно-патогенной желу¬дочно-кишечной микрофлоре человека. На основании изучения его функ¬циональных свойств, - растворимости, водо- и жироудерживающей способ¬ности, - дано обоснование целесообразности его введения в рецептуры хле¬бобулочных изделий и пищеконцентратов диетического и лечебно-профилактического назначения. В производственных условиях секции хлеб¬ных технологий МГУПП проведена апробация способа приготовления хлеба с добавлением белково-углеводного концентрата в качестве БАД, повышаю¬щей питательную ценность хлебобулочных изделий и оказывающей норма¬лизирующее действие на состав микрофлоры пищеварительного тракта. Да¬ны рекомендации по повышению биологической ценности концентратов вто¬рых блюд и круп и приданию им лечебно-профилактических свойств в ре¬зультате замены части крупы и муки, входящих в рецептуру, на белково¬углеводный концентрат.
Разработана нормативная документация на способ получения БАД из дрожжей для хлебопекарной промышленности. Подана заявка на выдачу па¬тента РФ на способ производства биологически активной добавки (заявка № 2002132035, приоритет от 28.11.2002).
Разработанная технология получения биологически активной добавки к пище в виде белково-углеводного концентрата из биомассы хлебопекарных дрожжей излагается в дисциплине "Технология белковых и биологически ак¬тивных веществ" учебного плана специальности 070100 Биотехнология.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на российских и международных конференциях и конгрессах: Международной конференции молодых ученых "Химия и биотехнология пищевых веществ. Экологически безопасные технологии на основе возобновляемых природных ресурсов" (Москва, 2000 г.); научно-технической конференции "Молодые ученые пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические ас¬пекты производства)" (Москва, 2000 г.); научно-технической конференции "Биотехнология - народному хозяйству 2000" (Москва, 2000 г.); Междуна¬родной конференции молодых ученых "Химия и биотехнология биологиче¬ски активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безо¬пасные технологии" (Москва-Тверь, 2001 г.); Международной научно¬практической конференции "Пищевые продукты XXI века" (Москва, 2001 г.); Всероссийской заочной конференции "Катализ в биотехнологии, химии и химических технологиях" (Тверь, 2002 г.); Международном конгрессе "Биотехнология - состояние и перспективы развития" (Москва, 2002 г.); Все-российской научно-технической конференции-выставке "Качество и безопас¬ность продовольственного сырья и продуктов питания" (Москва, 2002 г.).

Список літератури

ВЫВОДЫ
1. Для разработки технологии БАД в виде белково-углеводного концентрата из биомассы хлебопекарных дрожжей на основании сравнительного исследова¬ния продуктивности промышленных штаммов S. cerevisiae был выбран штамм ЛК-14, накапливающий в биомассе до 54,0 % "сырого протеина" при выращивании на мелассно-солевой среде оптимизированного состава.
2. Установлено положительное влияние стимулятора полифенольной природы Гипоксена на выход биомассы хлебопекарных дрожжей S. cerevisiae и определены условия его введения в культуральную жидкость, позволившие увеличить выход АСБ на 10,31 % за счет пролонгирования экспоненциаль¬ной фазы роста.
3. Дано научное обоснование разработанной новой технологии биологически активных добавок в виде белково-углеводных концентратов с пониженным содержанием липидов (1,65-2,18 %) и нуклеиновых кислот (2,35-2,38 %), включающей следующие стадии: обработку биомассы хлебопекарных дрож¬жей ферментными препаратами литического действия для увеличения про¬ницаемости клеточных стенок; экстракцию липидов водным раствором эта¬нола; денуклеинизацию обезжиренной биомассы под действием собственных эндонуклеаз клетки; сушку и измельчение продукта.
4. Получены новые биологически активные добавки к пище в виде:
— белково-углеводного концентрата из биомассы хлебопекарных дрожжей, не обработанной ферментными препаратами, имеющего состав: белок - 57,5 %, липиды - 2,18 %, нуклеиновые кислоты - 2,38 %, углеводы - 21,0 %, зольность - 6,59 %;
— белково-углеводных концентратов из биомассы хлебопекарных дрожжей, предобработанной ферментными препаратами литического действия, имеющих состав: белок - 60,5-61,5 %, липиды - 1,65-1,68 %, нуклеино¬
вые кислоты - 2,35-2,37 %, углеводы - 20,0-20,5 %, зольность - 5,20-5,22 %.
5. Изучены массово-молекулярные характеристики полученных белково¬углеводных концентратов; показано, что они содержат 60-64 % глобулино- вой фракции белка с молекулярной массой 98000-100000 Да и 22-25 % аль¬буминовой фракции с молекулярной массой 21500-21800 Да. Отсутствие низкомолекулярных фракций белка (с молекулярной массой менее 2000 Да) дало основание считать возможным применение этих концентратов в качест¬ве биологически активных добавок к пище.
6. Экспериментально доказано, что полученные белково-углеводные концен¬траты обладают лечебно-профилактическими свойствами благодаря способ¬ности сорбировать и выводить из организма тяжелые металлы, патогенные и условно-патогенные бактерии за счет сохраненных биополимеров (глюканов и маннанов) клеточных стенок дрожжей.
7. Теоретически обоснована и практически доказана возможность использова¬ния белково-углеводных концентратов с пониженным содержанием липидов и нуклеиновых кислот в качестве БАД, повышающих питательную ценность хлебобулочных изделий и придающих им лечебно-профилактические свой¬ства. Замена 5 % пшеничной муки высшего сорта белково-углеводными кон¬центратами в рецептурах хлебобулочных изделий приводит к повышению биологической ценности выпеченного хлеба за счет увеличения содержания белка на 24,13-25,82 %, незаменимых аминокислот, за исключением лизина, - на 22-50 %.
8. Исследованные функциональные свойства полученных белково-углеводных концентратов позволяют рекомендовать их для введения в рецептуры пище¬вых концентратов вторых блюд вместо муки зерновых культур, что позволит повысить их пищевую ценность на 37,4-42,3 % в зависимости от состава ре¬цепта, улучшить аминокислотный скор незаменимых аминокислот и придать этим продуктам лечебно-профилактические свойства.
9. Предложена технологическая схема производства БАД в виде белково¬углеводного концентрата из биомассы хлебопекарных дрожжей, а также раз¬работано ее аппаратурное оформление.
Ю.Проведенный расчет экономической эффективности разработанной техноло¬гии белково-углеводных концентратов и применения их в хлебопекарной промышленности показал, что стоимость хлебобулочных изделий массой 400 г, выпеченных с заменой 5 % пшеничной муки высшего сорта белково- угле¬водным концентратом, в розничной торговле на 0,84-0,88 руб. выше, чем из¬делий, выпеченных по традиционной технологии. Однако новые хлебобу¬лочные изделия могут быть рекомендованы для использования в качестве диетических и лечебно-профилактических продуктов питания, что позволяет судить о технологической и экономической эффективности предложенного способа их изготовления.