XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание альтернативного йогурта на основе растительного молока

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Романова Е.А. 1Мелконян С.Г. 1Власик А.А. 1

---

1ГБУ ДО "Белгородский областной Центр детского (юношеского) технического творчества"

Давыдова Л.Е. 1

---

1ГБУ ДО "Белгородский областной Центр детского (юношеского) технического творчества"

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире многие люди предпочитают отказываться от употребления в пищу белки животного происхождения. Но для того, чтобы их рацион был полноценным, необходимо создавать альтернативу привычных продуктов. Таким образом, у нас появилась идея для научной работы.

Наша цель: создать альтернативный йогурт на растительном молоке с белковыми показателями схожими с йогуртами, продаваемыми в магазинах.

Задачи:

1. Поиск информации

2. Определить и проанализировать концентрацию белка в исследуемых образцах (йогуртах, продаваемых в магазинах)

3. Создать альтернативный продукт

4. Сравнить показатели белка в созданном нами продукте с исследуемыми образцами

Все методики выполнения практических работ мы выполняли на базе детского технопарка «Кванториум» в городе Белгороде.

ГЛАВА 1. Изучение белка в составе йогурта

1. 1. Белок

Структура белка

Белковые молекулы по своей структуре являются полимерами, мономерами которых выступают аминокислоты. В составе белков обнаруживаются следующие базовые химические элементы: углерод, водород, кислород и азот. Дополнительно в состав молекул белка могут включаться: сера, фосфорная кислота, железо, цинк, магний, и др. Белки можно разделить на простые и сложные; в структуре сложных белков выделяют полипептидную часть и небелковую часть, или простетическую группу. К примеру, белок гемоглобин имеет в своем составе полипептид глобин и небелковая группа – гем, главным элементом которого является ион железа. Сложные белки также имеют свою классификацию. Например, хромопротеины – содержат пигменты, металлопротеины – металлы, липопротеины – липиды, нуклеопротеины – нуклеиновые кислоты, и др.

Белок – относительно короткая молекула. Полипептид – белковая молекула с более, чем 40-50 аминокислотными остатками. Молекулы белка могут содержать сотни и даже тысячи аминокислотных остатков: молекулярная масса белков колеблется в пределах от нескольких тысяч до сотен тысяч и даже миллионов дальтон.

Пространственная организация белков

Белковые молекулы имеют 4 пространственных организации – от простой к сложной. Первичная структура – это последовательно упакованные аминокислоты, соединенные пептидной связью. Вторичная и третичная структуры образуются из первичной посредством пространственной укладки этой аминокислотной последовательности. Вторичная – цепь, уложенная в форму спиралей и складок, поддерживаемых водородными связями между атомами кислорода. Третичная – представляет из себя глобулу (клубок), поддерживаемую гидрофобными, водородными, дисульфидными и ионными связями. Четвертичная структура — это пространственная организация нескольких глобул, которая поддерживается слабыми взаимодействиями (гидрофобными, ионными, водородными и др.). Каждая перестройка внутри белка может полностью менять его свойства.

Денатурация и ренатурация белков

Белковые молекулы очень нестабильны при агрессивных для них условиях среды (физических и химических факторах). Белок способен к денатурации (сворачиванию), если на него действуют повышенной температурой или при повышении кислотности до экстремальных значений. Денатурация – это разрушение характерной для данного белка четвертичной, третичной и вторичной структуры, в результате чего в денатурированном состоянии полипептидные цепи белков образуют случайные и беспорядочные клубки и петли. Разрыва пептидных связей при денатурации не происходит, то есть сама полипептидная цепь сохраняется, однако способ ее укладки изменяется. В том случае если в белке имеются дисульфидные мостики, стабилизирующие третичную структуру белка, обычно при денатурации они рвутся, что происходит путем восстановления остатков цистеина. Процесс денатурации обратим.

Биологические функции белков

Строительная, или пластическая. Белки – это основа клеточных мембран, цитоскелета; к структурным белкам также относится кератин, входящий с состав волос, когтей, рогов и копыт; а также коллаген – основной структурный белок соединительной и костной ткани. Химическая структура этих белков, которые выдерживают очень большую нагрузку, идеально приспособлена к выполнению механической функции.

Транспортная. Эта функция заключается в присоединении химических элементов или биологически активных веществ, то есть гормонов, и в перемещении их к различным тканям и органам тела. Например, гемоглобин является переносчиком кислорода в крови, а также принимает участие в транспорте углекислого газа.

Регуляторная. Белки – важнейшие элементы процесса обмена веществ. Например, инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, а также увеличивает образование жиров из углеводов.

Защитная. Антитела – это молекулы белкового происхождения, участвующие в защитных процессах нашего иммунитета; а белок фибриноген вместе с иными факторами свертывания предотвращает излишнюю потерю крови при повреждении кровеносных сосудов.

Двигательная. При мышечном сокращении активируются белки – актин и миозин, осуществляющие движение мышечных волокон.

Сигнальная. Рецепторы, расположенные на поверхности клеток также имеют белковую природу; их основная функция – регистрировать и отвечать на воздействие внешней среды.

Запасающая. Запасными белками являются, например, альбумин в яйцах и казеин в молоке. Благодаря белкам в организме могут откладываться, например, ионы железа, которые впоследствии образуют комплекс с белком ферритином.

Энергетическая. При расщеплении белков на более простые соединения – аминокислоты – выделяется энергия, используемая в дальнейшем для осуществления различных процессов в клетках. При расщеплении 1 грамма белка выделяется 17,6 кДж, или 4,2 ккал, энергии.

Каталитическая. Ферменты — самый крупный и специализированный класс белков. Они запускают, ускоряют (катализируют) химические реакции в клетках.

Питательная, или резервная. Эту функцию выполняют резервные белки, которые являются источником питания для плода. Такими белками могут быть казеин – белок молока, овальбумины – белки яйца, проламины и глютелины – белки растений.

Получение организмом аминокислот

Белки (по степени важности в организме) делятся на заменимые и незаменимые аминокислоты. Заменимые аминокислоты организм человека может вырабатывать самостоятельно в ходе реакций метаболизма: аспарагин, глутамат, аспартат, аланин, глютамин, серин, глицин. Незаменимые аминокислоты не синтезируются в организме, получить их можно с продуктами питания: валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, фенилаланин, триптофан.

Незаменимые аминокислоты в доступным для усваивания виде находятся преимущественно в: молоке, молочных продуктах, яйцах, мясе, рыбе, морепродуктах, бобовых культурах, крупах, хлебе, картофеле.

1. 2. Йогурт

Йогурт – популярный кисломолочный продукт, который обладает множеством полезных свойств.

Он богат важными витаминами и минералами, способствует поддержанию микрофлоры кишечника, улучшает работу иммунной системой. Кисломолочный продукт, в особенности, богат витаминами В2 и В12. В2 – рибофлавин – органическое соединение, которое играет важную роль в процессе функционирования центральной и периферической нервной системы. В12 – цианокобаламин – биологическое соединение, обеспечивающее нормальное функционирование нервной системы.

Йогурт также насыщает организм человека фосфором, магнием и калием. Минеральные вещества крайне необходимы для проведения всех обменных процессов, поддержания артериального давления и минеральной плотности костной ткани.

Ещё он обогащает организм белком. Данный продукт по ГОСТу должен составлять в 100 г – 7,33 г белка – это 10% суточной нормы.

Йогурт в 100 г содержит 12,3 г углеводов, 3 г жиров, 7,33 г белков, 76, 81 г воды, 0,56 г прочего. Калорийность данного продукта составляет 106 кКал.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. План исследования

1. Приобрести 4 исследуемых образца йогурта разных торговых марок;

2. Выявить качественное содержание в образцах белковых молекул;

3. По методике работы с флуориметром определить концентрацию протеинов в них;

4. Полученные показатели сравнить с информацией на упаковках;

5. Приобрести бактериальную закваску (Streptococcusthermophiles, Lactobacillusdelbrueckiisubsp. bulgaricus.) и миндальное сырьё;

6. По методике приготовления создать альтернативное молоко из растительного сырья;

7. По рецепту приготовить йогурт (веганский);

8. Определить качественное и количественное содержание белка в нашем альтернативном йогурте;

9. Сравнить полученные показатели по белку и сделать выводы.

2.2. Методы исследования

Нами было проведено исследование содержания белка в образцах йогурта разных марок, приобретенных в магазине; в дальнейшем мы сравнили информацию на упаковке с реальными данными, полученными нами, по показателю содержания белка на единицу продукта.

Нами было приобретено несколько йогуртов: Образец №1, Образец №2, Образец №3, Образец №4. Помимо покупных йогуртов мы исследовали образец, приготовленный в нашей лаборатории.

Мы осуществили методику по обнаружению белка во всех образцах (рис.1). Все белки и пептиды дают цветные реакции: биуретовую – на пептидные связи.

Б иуретовая реакция открывает в пептидную связь (-С(=O)-NH-) в белке. В результате взаимодействия в щелочной среде пептидных связей белка с ионами меди образуется комплексное соединение, окрашенное в сине-фиолетовый цвет. Биуретовую реакцию способны давать вещества, имеющие не менее двух пептидных связей. Реакция получила свое название от производного мочевины – биурета, молекула которого образуется при нагревании мочевины с отщеплением аммиака. В щелочной среде биурет переходит в енольную форму:

Енольная форма полипептида, образованная в сильнощелочной среде при диссоциации ОН-групп, дает отрицательный заряд, с помощью которого кислород взаимодействует с медью, и возникает ковалентная связь. Кроме того, медь образует дополнительные координационные связи с атомами азота, участвующими в пептидной связи. Степень окраски биуретового комплекса зависит от концентрации белка и количества медной соли в растворе.

Рис. 1. Процесс обнаружения белка в образцах

Мы придерживались следующей схемы обнаружения количества белка (рис.2-7):

1. Мы подготовили рабочую смесь из расчета 1 мкл красителя Dye-PROTEINS и 250 мкл Proteins-буфера на каждый измеряемый образец.

2. Поместили в первую пробирку 10 мкл стандарта А, а во вторую - 10 мкл стандарт В. В остальные пробирки поместили по 10 мкл образца.

3. Внесли в каждую пробирку с образцами и стандартами по 240 мкл рабочей смеси и перемешали на вортексе.

4. Инкубировали при комнатной температуре 5 минут. Во время этого процесса мы избегали загрязнения поверхности пробирок и появления пузырьков воздуха, которые могут исказить результат анализа.

5. Включили прибор и следовали указаниям на экране прибора. Мы устанавливали пробирки в прибор в одинаковое положение. Результат выводился в мкг/мкл, а потом умножали его на 1000. При показаниях прибора Conc.>200, мы разбавляли 1 мкл образца 9 мкл Proteins-буфера и снова умножали на 10000.

Рис.2. Набор для выявления белка

Р ис.3. Процесс работы Рис.4. Определение концентрации белка

Приготовление альтернативного йогурта на миндальном молоке (рис 8-12):

1. Мы замочили 100 г миндаля на 30 минут в кипятке;

2. Очистили его от кожуры, измельчили орехи в кофемолке;

3. Затем разбавили 300 мл воды и перемешали всё это;

4. Процедили смесь через марлю и получили миндальное молочко;

5. Затем нагрели его до 39°C. Добавили 1г агар-агара и 10 г сахара и варили в течение 5 мин;

6. Перелили в стеклянную посуду и остудили, после чего добавили кисломолочные пробиотики;

7. Накрыли его марлей и поместили в термостат;

8. Через день йогурт загустел и был готов к употреблению;

Рис.7. Замачивание орехов в кипятке Рис.8. Очистка миндаля

Рис.9. Процесс работы

Рис.10. Перемешивание смеси Рис.11. Нагревание миндального молока

ГЛАВА 3. Результаты и их обсуждения

Каждый из исследуемых промышленных образцов подвергли анализу на обнаружение белка с помощью реакции образования биуретового комплекса. Во всех образцах был обнаружен белок –наблюдалось изменение цвета раствора в фиолетовую сторону.

В нашем альтернативном образце йогурта также был обнаружен белок (рис. 13).

Рис. 12. Реакция образования биуретового комплекса

Далее мы осуществили работу по количественному обнаружению белка во всех образцах, результаты которого представлены в таблице 1.

Таблица 1

Содержание белка в образцах, приобретенных в магазине

Таким образом, мы видим, что в исследуемых образцах под номерами 1, 2, 3 фактическое содержание белка даже превышает указанные на упаковке. Образец под номером 4 – количество белка меньше, чем утверждает производитель (рис. 14).

Рис.13. Содержание белка, указанное на упаковках и фактическое (обнаруженное с помощью комплекта реактивов и флуориметра)

После приготовления альтернативного йогурта, мы также провели исследование количественного содержания белка на единицу продукта. По результатам наших измерений средним значением количества белка в нашем йогурте составило 10,2 г/100 мл, что выше, чем в образцах сравнения (рис.15).

Рис.14. Количественное содержание белка, вычисленное опытным путем с помощью флуориметра

Таким образом, мы видим, что количество белка в нашем йогурте выше, чем в образце №3, но еще не опережает по данному показателю иные образцы.

Вывод

Мы создали альтернативный йогурт на растительном молоке (рис.16) с белковыми показателями схожими с йогуртами, продаваемыми в магазинах. Мы считаем, что таким образом мы улучшили качество рациона людей, которые решили отказаться от употребления животного белка. В ближайшем будущем для большей питательности и лучшего усвоения организмом протеинов мы планируем добавить экстракт водорослей.

Тем не менее, данный продукт по ГОСТу должен составлять в 100 г – 7,33 г белка – наш йогурт удовлетворяет (и даже превосходит) данное условие.

Рис.15. Альтернативный йогурт на растительном молоке

Список использованных источников

1. Веганский йогурт [Электронный ресурс] : Режим доступа – https://povar.ru/recipes/veganskii_iogurt_-74785.html

2. Нетрусов А.И., Бонч-Осмоловская Е.А., Горленко В.М. и др. Экология микроорганизмов: учеб. для студ. вузов / Под ред. Нетрусова А.И. – М. : Издательский центр «Академия», 2004. – 272 с.

3. Нетрусов А.И., Котова И.Б. Общая микробиология: учебник для студ. высш. учеб. Заведений – М. : Издательский центр «Академия», 2007. – 288 с.

4. Нетрусов А.И., Практикум по микробиологии [Текст] : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / А.И. Нетрусов М. А. Егорова, Л.М. Захарчук и др.; – Москва: Издательский центр «Академия», 2005. – 608 с.

5. Флуориметр для количественного определения ДНК, РНК и содержания белка: руководство пользователя, модель Н100 Mod.2

6. Шлейкин А.Г., Биохимия. Лабораторный практикум. Часть 2. Белки. Ферменты. Витамины : учеб.пособие / А.Г. Шлейкин, Н.Н. Скворцова, А.Н. Бландов // Спб. : Университет ИТМО, 2015. 106 с.