XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование влияния различных пищевых волокон на рост пробиотических микроорганизмов
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Проект по созданию кисломолочных напитков, обогащенных пищевыми волокнами, имеет высокую актуальность в наше время. Современный образ жизни и питания, характеризующийся высоким потреблением быстрых углеводов и жиров, может привести к различным заболеваниям, таким как ожирение, сахарный диабет, сердечно-сосудистые заболевания и др. Пищевые волокна являются необходимыми для нормальной работы организма, они способствуют улучшению пищеварения, снижению уровня холестерина и сахара в крови, а также предотвращению различных заболеваний. А именно, пробиотические микроорганизмы играют важную роль в здоровье кишечника и иммунной системы человека. Изучение влияния пищевых волокон на их рост может привести к разработке продуктов, способствующих здоровью кишечника.
Изучение влияния пищевых волокон на рост пробиотиков может повлиять на разработку диетических рекомендаций с целью поддержания здоровой микрофлоры в кишечнике.
Кисломолочные напитки, обогащенные пищевыми волокнами, могут стать полезным и вкусным продуктом для людей, которые следят за своим здоровьем и питанием. Кроме того, данный проект может быть интересен для компаний, занимающихся производством кисломолочных продуктов, так как он позволяет расширить ассортимент продукции и удовлетворить потребности потребителей в здоровом питании.
Исследование влияния различных пищевых волокон на рост пробиотических микроорганизмов имеет перспективы для создания новых продуктов, способствующих здоровому пищеварению и иммунной системе, что делает эту тему весьма актуальной в контексте современных потребностей.
Целью проекта является изучение влияния различных пищевых волокон на интенсивность роста пробиотических микроорганизмов.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
– обзор пищевых волокон, стимулирующих рост пробиотических микроорганизмов;
– обоснование выбора пищевых волокон;
– микробиологические исследования выбранных заквасок;
– исследование показателей качества сырья-молока;
– изучение влияния пищевых волокон на рост выбранных микроорганизмов в молоке.
1. Аналитический обзор литературы
1.1 Характеристика кисломолочных продуктов
Процесс производства кисломолочных продуктов, таких как йогурт, творог и кефир, включает следующие основные этапы:
– подготовка сырья. В начале процесса молоко или сливки проходят предварительную подготовку, такую как пастеризация или ультра-пастеризация, для уничтожения патогенных бактерий и активации молочнокислых бактерий;
.– заквашивание. Молоко инокулируется определенными культурами молочнокислых бактерий, такими как Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus для производства йогурта, или Lactococcus lactis для творога. Эти бактерии способствуют ферментации и созданию кисломолочной среды;
– ферментация. Молочнокислые бактерии превращают лактозу (молочный сахар) в молочную кислоту. Этот процесс снижает уровень рН и обуславливает кисломолочный вкус.
Известны три типа брожения, вызываемого молочнокислыми бактериями:
1 гомоферментативное молочнокислое брожение, при котором из глюкозы образуется только молочная кислота;
2 гетероферментативное молочнокислое брожение, когда из глюкозы кроме молочной кислоты получаются этанол и диоксид углерода;
3 брожение, вызываемое бифидобактериями, — бифидоброжение, при котором из глюкозы образуются ацетат и лактат.
– охлаждение и разделение. После завершения ферментации, продукт охлаждается, и в некоторых случаях, кисломолочная смесь может быть разделена на творог и сыворотку.
– дополнительная обработка. В зависимости от конечного продукта, могут проводиться дополнительные процессы, такие как добавление фруктовых или других ароматизаторов и упаковка.
Это общие шаги процесса производства. Однако каждый конкретный тип кисломолочного продукта имеет свои особенности производства и может включать дополнительные этапы формирования текстуры, вкуса и аромата.
Ряд молочнокислых продуктов готовят, используя закваску, содержащую симбиотические комплексы микроорганизмов. Например, для приготовления кефира в молоко вносят так называемые кефирные зерна, внешне напоминающие миниатюрные головки цветной капусты. Они содержат Lactobacillus bulgaricus. Streptococcus lactis, дрожжи Saccharomyces kefiri, сбраживающие лактозу. Продуктами брожения служат молочная кислота и спирт. Йогурт получают из пастеризованного гомогенизированного
цельного молока, инокулированного Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus [1].
1.2 Технологии производства кисломолочных продуктов, обогащенных пищевыми волокнами
Было изучено влияние вносимых растительных компонентов на процесс сквашивания, органолептические, физико-химические и микробиологические показатели кисломолочного продукта. В разрабатываемом напитке в качестве основы было использовано молоко с жирностью 1,5%, закваска с бактериальным составом Streptococcus thermophilus, Lactobacillus и Bifidobacterium. В качестве дополнительных компонентов было взято фруктово-овощное пюре: яблочное, кабачковое и тыквенное. Также была использована мука трех видов: миндальная, кукурузная и рисовая. Данные добавки были выбраны из-за большого перечня полезных свойств, которые будут описаны ниже. Тыква, яблоки и кабачки богаты клетчаткой, влияющей на моторику и секреторную деятельность кишечника. Участвуют в связывании и выведении из организма тяжелых и радиоактивных металлов [2].
Было изучено влияние различных пищевых волокон на рост культуры в молочной среде. Для исследования было взято молоко с массовой долей жира 1,5% и стартовая культура Streptococcus salivarius subsp. Thermophilus. В качестве добавки были взяты гречневая мука и лигнин. Гречневая мука содержит в своем составе колоссальное количество пищевых волокон, которые улучшают моторику кишечника, нормализуют процесс пищеварения. Лигнин гидролизный был выбран в качестве антипода гречи для проверки теории об иммобилизации молочнокислых бактерий. Ферментация и с гречневой мукой проходила быстрее. Также были предоставлены результаты Ph-метрии, из которого следует, что снижение активной кислотности в молоке с добавлением 5% гречневой муки было более заметно, чем в образцах с 5% лигнина и в контрольном образце, что в итоге сказалось на скорости образования сгустка. Из проведенных анализов видно, что внесение в молоко источников пищевых волокон повышает электропроводность среды – это свидетельствует о повышении метаболической активности стартовой культуры [3].
В процессе культивирования бактерий в молочной среде при внесении ферментированных пищевых волокон отрубей происходит изменение значения рН среды. В течение культивирования наблюдалось увеличение скорости кислотообразования и снижение показателя рН среды по сравнению с начальным их значением и соответственно увеличением образования сгустка, что подтверждает пребиотические свойства концентратов пищевых волокон [4].
Также внесение пищевых волокон из гороха практически исключает синерезис. Внесение дозы гороховых пищевых волокон более 0,7% приводило к получению излишне плотной консистенции, а вкус и запах становились слабо выражены. Это может быть связано с угнетением процесса кислотообразования из-за накопления продуктов обмена микроорганизмов. Из этого следует, что внесение волокон в концентрации до 0,7% является оптимальным. В этом количестве они показывают наиболее высокие показатели роста микрофлоры, а также физико-химические и органолептические свойства [5].
В процессе экспериментов исследовано применение бамбуковых и яблочных волокон функционального назначения в количестве 0,1–1,5 %в рецептуре йогуртов, изготовленных термостатным способом на основе коровьего молока. По органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям был отобран йогурт с добавлением бамбуковых волокон в концентрации 0,3 %.В образце данного йогурта по сравнению с контрольным образцом (коровье молоко без волокон) массовая доля сахара незначительно выше (на 0,1 %), массовая доля сухих веществ не отличается от контроля, а кислотность – меньше на 2,5 %.Количество молочнокислых бактерий рода Lactobacillus в образце с добавлением бамбуковых волокон в концентрации 0,3 % меньше по сравнению с контролем, но находится в пределах нормы для данного продукта. В ходе определения пищевой и энергетической ценности были отмечены незначительные изменения основных нутриентов в опытном образце йогурта по сравнению с исходным сырьем и контролем, вызвавшие незначительное понижение калорийности (на 7,49 и 3,61 % соответственно).Высокая пищевая ценность разработанного йогурта позволяет позиционировать его [6].
Введение цитрусового волокна в нормализованные смеси в количестве 0,7–1 % от массы незначительно интенсифицирует процесс сквашивания. При концентрации свыше 1 % замедляется процесс развития молочнокислой микрофлоры, а полученные сгустки теряют плотность и приобретают неоднородную тянущуюся консистенцию. В образцах, содержащих до 1 % волокна, отделения сыворотки не происходило, наблюдалось увеличение плотности и однородности консистенции полученных сгустков, которые имели более выраженный сливочный вкус в сравнении с контролем [7].
1.3 Характеристика пробиотических пищевых волокон
Пробиотические пищевые волокна представляют собой элементы питания, которые обладают преимуществами как пищевые волокна, так и пробиотики. Наиболее
последнее и более точное определение пробиотикам дал Lyungh, который переопределил их как «живые микробиальные пищевые добавки, полезные для хозяина, поскольку способны улучшать микробный баланс внутри его организма» [8]. Другое недавнее определение пробиотикам дали Schrezenmeir и DeVrese, которые определили их как жизнеспособные микробные пищевые добавки, положительно воздействующие на организм [9].
Пробиотические пищевые волокна включают в себя пищевые волокна, которые способствуют улучшению пищеварения, поддержанию здоровой микрофлоры в кишечнике, и помогают в поддержании общего состояния здоровья кишечника. Кроме содержания пищевых волокон, пробиотические пищевые волокна обогащены пробиотиками - полезными микроорганизмами, поддерживающими здоровье пищеварительной системы. Они могут включать в себя такие виды, как Lactobacillus и Bifidobacterium. Пробиотические пищевые волокна могут способствовать улучшению состава микрофлоры в кишечнике, что в свою очередь оказывает положительное влияние на пищеварение и иммунную систему. Как и обычные пищевые волокна, пробиотические пищевые волокна способствуют поддержанию нормальной перистальтики кишечника, улучшению усвоения питательных веществ и общему здоровью организма.
Пробиотики применяются для лечения людей и домашних животных. Их положительные эффекты проявляются в улучшении развития домашних животных, защите организма-хозяина от кишечных инфекций, смягчение непереносимости лактозы и облегчении при запорах. Штаммы лактобацилл, применяемые в качестве пробиотиков для коррекции дисбаланса резидентной микробиоты, а также в производстве продуктов функционального питания, не должны обладать свойствами, оказывающими негативное воздействие на организм человека [10].
В результате литературного обзора, мы видим, что пробиотические микроорганизмы играют важную роль в здоровье кишечника и иммунной системы человека, что использование именно этих пищевых волокон в производстве кисломолочных продуктов позволяют создать функциональные продукты, которые способствуют здоровью и благополучию потребителей.
2. Исследовательская часть
2.1 Объект и методы исследования
В процессе работы, объектами исследования являлись молоко-сырье, закваска «Пробиотик 25», готовые образцы йогурта, обогащенного пищевыми волокнами, а именно инулин и лактулоза.
При составлении обзора литературы использовали аналитический метод, для представления результатов исследований – графический метод.
Для молока-сырья были определены показатели кислотности методом титрования; количество белка – методом формольного титрования, плотность – ареометрическим методом.
У закваски «Пробиотик 25» исследовали микробиологические показатели –методом приготовления фиксированных окрашенных мазков.
Рецептуры йогуртов были получены на основе литературных данных.
По полученным рецептурам изготовили образцы йогурта с внесением разных видов пищевых волокон и определили органолептические и физико-химические показатели.
Органолептические показатели установили описательным методом. Физико-химические показатели установили экспериментально: кислотность – методом титрования, синерезис - центрифугирования. Исследовали микробиологические показатели готовых йогуртов – методом приготовления фиксированных окрашенных мазков.
2.2 Результаты исследований
2.2.1 Результаты исследований молока-сырья
Результаты экспериментальных данных физико-химических показателей молока 2,5% жирностью представлены в таблице 1 в соответствии с ГОСТ 31450-2013 «Молоко питьевое. Технические условия».
Таблица 1 – Результаты исследования молока-сырья
|
Показатели |
Результат |
|
|
ГОСТ 31450-2013 «Молоко питьевое. Технические условия» |
Исследуемое молоко 2,5% |
|
|
Кислотность, °Т, не более |
21 |
19 |
|
Массовая доля белка, %, не менее |
3,0 |
4,74 |
|
Плотность, кг/м3, не менее |
1028 |
1030 |
2.2.2 Результаты микроскопии закваски
Результаты микроскопии закваски «Пробиотик 25», в состав которой входят культуры: Streptococcussalivariusssp. thermophilus, Bifidobacteriumadolesсentis, Bifidobacteriumbidum, Bifidobacteriumbreve, Bifidobacteriumlongumssp. longum, Bifidobacteriumlongumssp. infantis, Bifidobacteriumanimalisssp. lactis, Lactobacilluscasei, Lactobacillusparacasei, Lactobacillusdelbrueckiissp. lactis, Lactobacillusdelbrueckiissp. bulgaricus, Lactobacillusrhamnosus, Lactobacillusacidophilus, Lactobacillusgasseri, Lactobacillusbrevis, Lactobacillusplantarum, Lactobacillussalivarius, Propionibacteriumfreudenreichii, Propionibacteriumjensenii, Lactobacillushelveticus, Lactobacillusfermentum, Lactobacillusjohnsonii, Lactobacillusreuteri, Lactococcuslactisssp. lactis, Lactococcuslactisssp. lactisbiovardiacetylactis..
|
|
|
|
Рис. 1 – результаты микроскопии закваски «Пробиотик 25» |
2.2.3 Изготовление йогурта и его физико-хиические показатели
Исходя из литературных данных нами была выбрана рецептура, указанная в таблице 2.
Таблица 2 – Сводная таблица рецептур йогурта
|
Компоненты |
Рецептура 1, г |
Рецептура 2, г |
Рецептура 3, г |
Рецептура 4, г |
|
Молоко |
100 |
100 |
100 |
100 |
|
Закваска «Пробиотик 25» |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
|
Пищевые волокна инулин/лактулоза |
0/0 |
0,5/0,5 |
0,75/1 |
1/1,5 |
На рисунке 2 показана технологическая схема с описанием процесса изготовления йогурта по выбранным рецептурам.
Рис.2 – Технологическая схема изготовления йогурта
|
а |
Б |
в |
г |
|
Рис.3 – Готовые образцы йогурта (а – образец 1(0% инулина), б – образец 2 (0,5% инулина), в – образец 3 (0,75% инулина), г – образец 4 (1% инулина)) |
|||
На рисунке 4 представлены результаты микроскопии готовых образцов йогуртов, обогащенных инулином.
|
а |
б |
в |
г |
||
|
Рис.4 – Результаты микроскопии образцов йогурта (а – образец 1 (0% инулина), б – образец 2 (0,5% инулина), в – образец 3 (0,75% инулина), г – образец 4 (1% инулина)) На рисунке 5 представлены результаты изменения кислотности в процессе ферментации. Рис. 5 – Изменение кислотности в процессе ферментации На рисунке 6 представлены результаты изменения сахара в процессе ферментации. Рис 6 – Результаты изменения сахара в процессе ферментации На рисунке 7 представлены результаты отделения сыворотки – синерезис. Рис. 7 – Результаты синерезиса На рисунке 8 представлены готовые образцы йогурта, обогащенного лактулозой. |
|||||
|
а |
б |
в |
г |
||
|
Рис.8 – Готовые образцы йогурта (а – образец 1(0% лактулозы), б – образец 2 (0,5% лактулозы), в – образец 3 (1% лактулозы), г – образец 4 (1,5% лактулозы)) |
|||||
На рисунке 9 представлены результаты микроскопии готовых образцов йогурта.
|
а |
б |
в |
г |
|
Рис.9 – Микроскопия образцов йогурта (а – образец 1(0% лактулозы), б – образец 2 (0,5% лактулозы), в – образец 3 (1% лактулозы), г – образец 4 (1,5% лактулозы)) |
|||
На рисунке 10 представлены результаты изменения кислотности в процессе ферментации.
Рис. 10 – Изменение кислотности в процессе ферментации
На рисунке 11 представлены результаты изменения сахара в процессе ферментации.
Рис. 11 – Результаты изменения сахара в процессе ферментации
На рисунке 12 представлены результаты отделения сыворотки – синерезис.
Рис. 12 – Результаты синерезиса
По результатам исследований, мы видим влияние пищевых волокон на рост пробиотических микроорганизмов, где наблюдается скопления большого количества цепочек кокков, а также влияет на физико-химические свойства готового продукта. Готовые образцы йогурта, обогащенные пищевыми волокнами, лучше удерживают сыворотку, чем контрольные образцы.
Заключение
По результатам проделанной работы сделаны следующие выводы:
1 Анализ литературы показал, что добавление пищевых волокон в кисломолочнный продукт улучшает некоторые свойства, поэтому я решил создать собственный продукт с добавлением пищевых волокон и исследовать его свойства, а также проверить влияние волокон на рост пробиотических микроорганизмов.
2 Были созданы образцы йогурта с добавлением различных пищевых волокон.
3 Было проведено микробиологическое исследование готовых продуктов, а также физико-химические свойства.
4 Было доказано влияние пищевых волокон на пробиотические микроорганизмы.
Список используемой литературы
1. Губанов, Д. Х. Ферментация молока кисломолочными бактериями / Д. Х. Губанов, В. М. Гематдинова // Современное состояние, традиции и инновационные технологии в развитии АПК: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Башкирского государственного аграрного университета (в рамках XXX международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2020»), Уфа, 17–20 марта 2020 года. – Уфа: Башкирский государственный аграрный университет, 2020. – С. 154-158..
2. Скобелева, И. И. Исследование влияния пищевых волокон на рост стартовых культур в молочной среде / И. И. Скобелева, Л. В. Красникова, Л. В. Красникова // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО: Материалы XLVI научной и учебно-методической конференции, Санкт-Петербург, 31 января – 03 2017 года. Том 1. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2017. – С. 264-266.
3. Лунева, О. Н. Обоснование использования растительного сырья в разработке рецептур кисломолочного напитка функционального назначения / О. Н. Лунева // Продукты питания. Новые технологии : сборник научных статей. – Орёл : Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, 2022. – С. 124-139.
4. Капрельянц, Л. В. Ферментированные пищевые волокна отрубей - стимулятор роста пробиотических культур / Л. В. Капрельянц, Е. Д. Журлова // Зерновые продукты и комбикорма. – 2015. – Т. 1, № 4(60). – С. 24-28.
5. Ухина, Е. Ю. Пищевые волокна в технологии молочных продуктов / Е. Ю. Ухина // Ветеринарно-санитарные аспекты качества и безопасности сельскохозяйственной продукции: материалы I-й международной конференции по ветеринарно-санитарной экспертизе, Воронеж, 26–27 ноября 2015 года / Воронежский государственный аграрный университет; Редколлегия: А. В. Аристов, П. А. Паршин, А. В. Востроилов, И. А. Глотова, Д. А. Саврасов, О. М. Мармурова, С. Н. Семенов, И. Д. Шелякин. – Воронеж: Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I, 2015. – С. 359-362.
6. (Влияние пищевых волокон на качество йогуртов / Г. Е. Рысмухамбетова, Ю. В. Ушакова, К. Е. Белоглазова [и др.] // Вестник Мурманского государственного технического университета. — 2022. — № 3. — С. 231-238.
7. Грунская, В. А. Разработка технологии обогащенных кисломолочных напитков с использованием СОМ / В. А. Грунская, Я. В. Корзюк // Молочнохозяйственный вестник. – 2011. – № 2. – С. 28-32.
8. Haovarstein, L., Holo H., Nes I. The leader peptide of colicin V shares consensus sequences with the leader peptides that are common among peptide bacteriocins produced by gram-positive bacteria // J.Microbiology, 1994, - v. 140, - p.2383– 2389.
9. Holo H., Jeknic Z., Daeschel M. et al. Plantaricin W from Lactobacillus plantarumbelongs to a new family of two-peptide lantibiotics // J. Microbiology, 2001, - v. 147, - p. 643-651.
10. Eijsink V., Brurberg M., Middelhoven P. et al. Induction of bacteriocin production in Lactobacillus sake by a secreted peptide // J. Bacteriology, 1996, v. 178, № 8, - p. 2232-2237.
Приложение 1
Микроскопия готовых образцов йогуртов, обогащенных различными пищевыми волокнами
Метод определения кислотности
Метод определения синерезиса
Метод определения сахаров с помощью рефрактометра