Разработка технологии продуктов питания на базе микробной биоконверсии комплексного растительного сырья

На правах рукописи

НГУЕН ЧЫОНГ ЗАНГ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НА БАЗЕ МИКРОБНОЙ БИОКОНВЕРСИИ КОМПЛЕКСНОГО

РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.18.15 –

Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена на кафедре «Биотехнология» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Борисенко Евгений Георгиевич
Официальные оппоненты:	Ермолаева Галина Алексеевна доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», заведующая кафедрой «Процессы ферментации и промышленного биокатализа»,
	Серба Елена Михайловна, кандидат технических наук, доцент, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИ ПБТ РАСХН), старший научный сотрудник

Ведущая организация: ФГУ Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.Тимирязева

Защита состоится: «__» декабря 2012 г. в ч. в ауд. 302 на заседании Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.148.08 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУПП».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ФГБОУ ВПО «МГУПП».

Автореферат разослан «___»________2012 г.

Ученый секретарь Совета Д 212.148.08

к.х.н., доц. В.С. Штерман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Около половины 7 миллиардного населения Земли испытывает недостаток в тех или иных пищевых веществах. Это в первую очередь относится к развивающимся странам, в которых люди получают в 2 раза меньше растительного белка и в 5 раз меньше белков животного происхождения, чем в высокоразвитых странах.

Нехватка в рационе питания полноценных белков, витаминов, пищевых волокон, макро- и микронутриентов, полезных микробов вызывает рост социально опасных заболеваний, в том числе желудочно-кишечных. Часто причиной этих заболеваний является нарушение микробиоценозов желудочно-кишечного тракта. Возбудителями заболеваний нередко становятся условно-патогенные бактерии, приобретающие плазмиды токсигенности, колонизационной резистентности и антибиотикоустойчивости. Современное человечество перед этой угрозой становится все менее защищенным, о чем свидетельствуют вспышки микробных токсикоинфекций даже в относительно благополучной Европе в 2011 и 2012 году.

Вышеприведенные проблемы могут эффективно решаться путем включения в рацион питания продуктов с пробиотическими свойствами, получаемых с использованием микробной биоконверсии. При этом особенный интерес вызывает возможность использования в качестве производственных культур для биоконверсии растительного сырья микроорганизмов из натуральной микрофлоры человека.

Цель и задачи исследования: Целью настоящей работы стала разработка технологии новых продуктов, обладающих пробиотическими свойствами, путем биоконверсии растительного сырья с помощью микроорганизмов, выделенных из грудного молока и их товароведная оценка.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

– оценить женское грудное молоко (ЖГМ) из разных регионов планеты как возможный источник микроорганизмов-продуцентов биомассы на растительном сырье;

– определить способность к накоплению биомассы на растительном сырье дрожжевых изолятов из грудного молока представительниц разных регионов и отобрать наиболее продуктивные;

– исследовать взаимное влияние микроорганизмов в дрожже-бактериальных ассоциациях;

– подобрать сахаристые растительные субстраты разных регионов, перспективные для микробной биоконверсии с помощью отселекционированных культур;

– из сахаристых и целлюлозосодержащих субстратов сконструировать питательные среды для твердофазного культивирования микроорганизмов;

– подобрать оптимальные режимы культивирования микроорганизмов на отобранном растительном сырье;

– изучить динамику роста дрожжей и бактерий на разных комплексных растительных субстратах в ходе твердофазного и твердофазно-глубинного культивирования;

– исследовать показатели качества и биологической ценности функциональных продуктов, полученных путем дрожже-бактериальной биоконверсии растительного сырья.

Научная новизна работы:

– впервые женское грудное молоко оценено как возможный источник микроорганизмов-продуцентов биомассы на твердом растительном сырье;

– установлена способность дрожжевых изолятов из грудного молока представительниц разных регионов активно накапливать биомассу на твердом растительном сырье;

– определено, что наиболее активные продуценты биомассы из изолятов отнесены к роду Pichia;

– установлены благоприятные возможности симбиоза дрожжей и лактобактерий в микробных сообществах из грудного молока;

– для микробной биоконверсии с помощью отселекционированных микробных ассоциаций подобраны перспективные тропические и российские сахаристые субстраты;

– выявлен выраженный стимулирующий эффект целлюлозосодержащих компонентов сред при культивировании микробных ассоциаций на сахаристых субстратах;

– установлена равноценность хранимых высушенных и свежих комплексных субстратов по накоплению на них дрожжевой биомассы;

– выявлена динамика взаимодействия дрожжей и бактерий на различных стадиях аэробно-анаэробного культивирования отселекционированных ассоциаций на растительных субстратах – интенсивное накопление дрожжевой биомассы на аэробном этапе, разрушение дрожжей и интенсивное накопление лактобактерий на анаэробном этапе;

– показано, что на стадии анаэробной ферментации формируются специфические органолептические и функциональные свойства новых напитков, которые по своим товароведным качествам могут быть отнесены к нутрипарафармацевтикам.

Практическая значимость результатов работы: Отселекционированы высокопродуктивные и быстрорастущие на различных видах твердого растительного сырья штаммы дрожжей рода Pichia.

Созданы дрожже-бактериальные ассоциации из дрожжей рода Pichia и лактобактерий для биоконверсии растительного сырья.

Определен ряд первичных и вторичных сахаристых субстратов, перспективных для микробной биоконверсии (сахарный тростник, свеклосахарная пульпа и жом, арбузная пульпа и выжимки, зеленая биомасса кукурузы, виноградные выжимки).

Для изготовления питательных сред, используемых в твердофазном культивировании микроорганизмов, предложен ряд перспективных целлюлозосодержащих субстратов (зерновые отруби, рисовая мучка, травяная, сенная мука) и определены их соотношения с сахаристыми материалами в средах.

Впервые для сохранения скоропортящегося сахаристого сырья для микробной биоконверсии предложено высушивать его вместе с целлюлозосодержащими добавками.

Разработаны основные параметры культивирования дрожже-бактериальных ассоциаций на твердых растительных субстратах.

Для комплексной биоконверсии сахаристого и целлюлозосодержащего сырья предложен метод аэробно-анаэробной ферментации с получением напитков для человека и кормовых добавок для животных, содержащих симбиотические ассоциации дрожжей и бактерий.

Разработаны лабораторные регламенты производства функциональных напитков из сахарного тростника с рисовой мучкой и из арбуза с пшеничными отрубями, полученных путем микробной биоконверсии. Оптовая цена таких напитков составляет около 25 руб за 1 л.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на российских и международных конференциях и симпозиумах: EurasiaBio 2nd International Congress-Partnering & Exhibition on Biotеchnology and Bioenergy (Moscow, 2010), III межведомственной научно-практической конференции с международным участием “Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров”, (Москва, 2010); IX Международная научной конференции “Живые системы и биологическая безопасность населения” (Москва, 2011); Международная конференция “Биология-наука XXI века” (Москва, 2012); Конференция, посвященная 125-летию с дня рождения профессора П.М. Силина “Связь времен и поколений, из прошлого в настоящее” (Москва, 2012).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, библиографического списка, включающего 240 источников (в том числе 58 на иностранных языках). Работа изложена на 181 страницах, содержит 60 рисунков, 36 таблиц и 11 приложений.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В обзоре литературы расмотрены общие представления о роли растительной биомассы как основы пищевой цепи, животных продуктов как источника наиболее ценных компонентов пищи и микробной биомассы как принципиального обогатителя растительной пищи. Расмотрена также микрофлора молока высших животных и человека и ее роль в формировании микробиоценозов желудочно-кишечного тракта. Представлены также современные представления о продуцентах микробной биомассы и методах получения продуктов с пробиотическими свойствами, их промышленного производства на различных источниках сырья.

2. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследования проводились на кафедрах “Биотехнология”, “Технология сахаристых, субтропических и пищевкусовых продуктов”, “Технология общественного питания” МГУПП; в лаборатории «Молекулярные основы патогенности» ФГБУ «НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздравсоцразвития России; а также в лабораториях Иститута животноводства Вьетнама, в отделе “Технология ферментации” Государственного технологического и научного института Вьетнама.

2.1 Материалы и методы исследований

Объектом исследования были различные штаммы дрожжей и бактерий, выделенные из ЖГМ представительниц России и Вьетнама, микробиоценозов молочнокислых продуктов, производственных заквасок и пробиотических продуктов.

Образцы ЖГМ высевали на твердофазную питательную среду (пшеничные отруби), в которую добавляли 50 мкг/г гентамицина. После инкубации в аэробных условиях при температуре 28-32С выделяли доминирующие культуры и оценивали их продуктивность. Критерием оценки служила концентрация дрожжевых клеток в 1г субстрата, накопленных в процессе твердофазной ферментации (ТФФ). Подсчет клеток осуществляли микроскопически в камере Горяева. Размеры клеток определяли с помощью окуляр-микрометра.

В качестве основы питательных сред использовалось первичное и вторичное сырье: сахарный тростник, отходы его переработки, сахарная свекла, свекловичный жом, кукуруза, арбуз, плодово-ягодные выжимки, сенная и травяная мука, соевый шрот, зерновые отруби, мучки.

Усредненные данные по химическому составу источников сырья, использованных в работе, представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Химический состав сырья

№ п/п	Сырье	Содержание, %
		Влаж-ность	Сырой протеин	Жир	Клет-чатка	Безазотистые экстрактив-ные вещества	Зола
1	Арбуз	92,0	0,6	0,1	0,4	6,0	0,4
2	Виноградная выжимка	70,0	4,8	3,6	7,5	12,9	1,2
3	Зеленая масса кукурузы	70,0	2,6	0,6	8,1	16,4	2,3
4	Пшеничные отруби	16,3	13,4	3,3	8,6	54,2	4,2
5	Рисовая мучка	15,0	7,1	2,8	24,4	38,3	12,4
6	Сахарная свекла	83,0	1,3	0,2	4,0	10,5	1,0
7	Сахарный тростник	78,0	0,3	0,1	8,0	11,0	2,6
8	Свекловичный жом	88,8	5,8	0,3	3,3	5,7	0,7
9	Сено луговое	16,3	9,3	2,6	25,6	39,7	6,5