Введение
В Стратегии развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации до 2030 года отражен комплексный проект «Морские биотехнологии», основная цель которого состоит в создании индустрии по производству высокотехнологичной и инновационной продукции пищевого и промышленного назначения [1]. Вследствие этого, немаловажным аспектом технологии переработки рыбного сырья является разработка функциональных пищевых продуктов различной направленности с использованием современных методов биотехнологической обработки, в частности, – ферментов и микроорганизмов.
Наиболее мягким способом деструкции белковых структур рыбного сырья является его биотрансформация с помощью промышленно ценных штаммов биозащитных пробиотических микроорганизмов, к которым относятся бактериальные заквасочные культуры (БЗК). Совершенствование технологии, которая развивается не только по пути максимального сохранения в нём нативных свойств белковых, липидных и других биологически активных компонентов, но и путем повышения их доступности за счет частичной деструкции белка. Развитию этих технологий переработки способствует то, что рыбные ферментированные продукты, белковые концентраты, гидролизаты, белковые массы, получаемые биотехнологическими методами, имеют определенный вкус и обладают ценными функциональными свойствами, позволяющими широко использовать их при производстве разнообразной пищевой продукции, в том числе и иммуномодулирующей [2; 3].
Биотрансформация с использованием БЗК имеет много преимуществ и может выступать в качестве способа продления сроков годности рыбной продукции, улучшения ее органолептических свойств и повышения питательной ценности за счет образования метаболитов (молочная, уксусная, пропионовая кислоты), являющихся основным фактором биоконсервирования.
При этом, механизм биоконсервирования состоит в инокуляции пищевых продуктов микроорганизмами или их метаболитами, отобранными по их антибактериальным свойствам, и может быть эффективным способом продления срока годности и безопасности пищевых продуктов, путем подавления жизнедеятельности патогенных бактерий, вызывающих порчу продукта, без изменения питательных качеств сырья и пищевых продуктов [4].
Следует отметить, что активные формы бактериальных заквасочных культур способствуют снижению содержания токсичных элементов, а также биохимическим изменениям свойств сырья, что приводит к накоплению белковых и эссенциальных веществ, способных поддерживать функциональную активность органов и тканей человека, корректировать состав внутренней индигенной микрофлоры кишечной микробиоты и, как следствие, повышать иммунную защиту организма. Кроме этого, они принимают участие в синтезе витаминов группы B, витамина К и других биологически активных веществ [5; 6].
Известны традиционные технологии производства ферментированных рыбных продуктов в России и в мире с использованием БЗК. Во многих регионах мира эти продукты составляют важную часть рациона населения [7]. В странах Северной Европы они представлены ракфиском (Норвегия), сюрстрёммингом (Швеция), хакарлом (Исландия). В Азии (Китай, Япония, Корея) ферментированные рыбные продукты также имеют широкое распространение. В основном ассортимент ферментированных рыбных продуктов Азии представлен соусами и пастами. К ферментированным рыбным продуктам Азии можно отнести Suanyu (Китай), Jeotgal (Корея), Bakasang (Индонезия) и другие. Также ферментированные рыбные продукты производятся в странах Африки. Например, adjuevan (Кот-д'Ивуар), Lanhouin (Бенин, Того, Гана), Hout-Kasef (Саудовская Аравия). Для некоторых регионов России также характерно традиционное производство ферментированных рыбных продуктов. Один из них – кевяткала (Kevätkala) – карельский традиционный деликатес [8; 9].
В этой связи основной целью научных исследований являлось обоснование применения БЗК для биотрансформации рыбного сырья с последующим его использованием при разработке пробиотических пищевых продуктов.
Объекты и методы исследований
В качестве объектов исследований использованы: промысловые виды рыб – минтай (Theragra chalcogramma), треска (Gadus macrocephalus), макрурус малоглазый (Albatrossia pectoralis); потенциально промысловые виды: получешуйник Гилберта «бычок» (Hemilepidotus gilberti).
Бактериальные заквасочные культуры (БЗК): Lactobacillus casei, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgarius, Streptococcus thermophilus, Propionibacterium freudenreichii, Bifidobacterium bifidum.
Анализ данных проводился на основании обзора научно-исследовательских и патентных работ по использованию БЗК в технологиях производства пищевой продукции.
Массовую долю воды, белка, жира, углеводов, золы, определяли по ГОСТ 7636 [10].
Активную кислотность (рН) определяли с помощью рН-метра Testo 106.
Активность воды (аw) определяли на приборе Aqualab 4TEV.
Результаты и их обсуждения
Основными свойствами при подборе БЗК, применимых для технологии пищевой продукции, являются:
● высокая антагонистическая активность, за счет ингибирования патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, в процессе конкуренции за питательные вещества [11];
● антиоксидантная активность за счет активного продуцирования молочной, пропионовой и уксусной кислот [12];
● бактерицидные свойства, за счет продуцирования, в зависимости от штамма специфических бактериоцинов [11;13; 14];
● биохимическая активность за счет протеолитических и каталазаобразующих процессов [12].
В связи с этим БЗК в технологиях рыбной продукции возможно применять в качестве защитных культур для ингибирования роста бактериальных и грибковых колоний или индуцирования гибели патогенных микроорганизмов и тем самым продления сроков годности [15].
Рассматривая БЗК, необходимо учитывать их пробиотические свойства из-за роста интереса населения к продукции пробиотической направленности, употребление которой оказывает существенное влияние на оптимизацию микробиологического статуса пищеварительного тракта человека [16], что способствует стимулированию иммунной системы и поддержанию здорового образа жизни [17].
Большинство технологий пищевых продуктов, содержащих БЗК c пробиотическими свойствами, исключает воздействие, критичных для клеток, высоких температур с целью их сохранения. Однако при получении продуктов с живыми клетками БЗК, в случае возникновения теплового воздействия на них, особенно важными являются их жизнеспособность и метаболическая активность [18]. Поэтому необходимо создание условий обработки рыбной пищевой продукции, содержащей БЗК (температура и продолжительность процесса), позволяющих сохранить жизнеспособность клеток и получить безопасную и готовую к употреблению продукцию.
Оптимум температурных режимов для развития БЗК варьируется от 15 до 50ºС, в зависимости от штамма, в редких случаях – до 70ºС в течение 40 минут. Также при введении БЗК особое внимание следует обращать на показатели активности воды (в пределах 0,90-0,94) и рН (в пределах 3,0-8,5), влияющих на их скорость роста и выживаемость [18-22].
В случае гибели БЗК, под действием тепловой обработки, потенциально могут использоваться продукты их метаболизма, а также инактивированные и разрушенные клетки пробиотиков. Данные компоненты известны как метабиотики и постбиотики. Они начинают действовать сразу при попадании в организм, способны положительно влиять на резидентные микроорганизмы желудочно-кишечного тракта, физиологические, иммунологические и нейрогормональные метаболические реакции организма [23].
В связи с вышесказанным, для биотрансформации рыбного сырья были выбраны следующие БЗК: Lactobacillus casei, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgarius, Streptococcus thermophilus, Propionibacterium freudenreichii, Bifidobacterium bifidum. Данные БЗК наиболее распространены при производстве пищевой продукции, являются живыми формами пробиотиков, выделяют в процессе жизнедеятельности метаболиты (молочная, уксусная, пропионовая, муравьиная, янтарная кислоты, бактериоцины), необходимые для процесса биотрансформации, и способны развиваться при температуре ≥ 40ºС, в пределах рН – 3,0-8,5 и в пределах активности воды (аw) – 0,90-0,94, обладают антагонистической, антимикробной и антиоксидантной активностью за счёт перехват гидроксил-радикала ОН, образования антиоксидантных ферментов (Mn-СОД, Mn-каталаза) и хелатных комплексов (Fe+2 Cu+2 ), а также синтеза бактериоцинов (казеицин, лантацин В, ацидоцин B и F, лактоцин, низин, булгарацин, термофилин, пропионицин, бифидоцин). Большинство БЗК способны проявлять протеолитическую активность, что будет оказывать дополнительное воздействие на структуру мышечной ткани рыбы (табл. 1, 2) [24-28].
Таблица 1. Характеристика подобранных штаммов БКЗ для биотрансформации рыбного сырья [24-28]
Table 1. Characteristics of selected BSC strains for biotransformation of fish raw materials [24-28]
|
Характеристика |
Вид бактериальных заквасочных культур |
|||||
|
Lactobacillus casei |
Lactobacillus acidophilus, |
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus |
Streptococcus thermophilus |
Propionibacterium shermanii |
Bifidobacterium bifidum |
|
|
Необходимые факторы роста |
Фолиевая кислота, ниацин, рибофлавин, пантотеновая кислота, кальций, пиридоксаль |
Фолиевая кислота, ниацин, рибофлавин, пантотеновая кислота |
Фолиевая кислота, ниацин, рибофлавин, пантотеновая кислота, р-аминобензойная кислота |
аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, лизин, аргинин, гистидин, пролин) |
Тиамин, никотинамид, соль олеиновой кислоты, р-аминобензойная кислота |
Никотиновая и фолиевая кислоты, твин-80, р-аминобензойная кислота |
|
Кислотообразование |
Молочная кислота (гомо ферментативные) |
Молочная кислота (гомо ферментативные) |
Молочная кислота (гомо ферментативные) |
Молочная кислота, при микроаэрофильных условиях муравьиная кислота (гомо ферментативные)
|
В основном пропионовая кислота и ее соли, уксусная кислота (гетероферментативные) |
В основном уксусная и молочная кислота, примеси муравьиной и янтарной кислоты (гетероферментативные) |
|
aw, ед. |
Min 0,90-0,94 |
|||||
|
pH, ед. |
4,6-6,4 |
3,0-8,3 |
4,6-8,0 |
3,4-5,8 |
4,5-8,0 |
4,5-8,5 |
|
Температурный оптимуму, ºС |
30-45 (до 70ºС - 40 мин) |
30-40 |
40-45 |
38-55 |
15-40 |
30-50 |
|
Предел кислотообразования, °Т |
80–180 |
200-250 |
200-300 |
110-115 |
160-170 |
120-130 |
|
Рост в присутствие 2% NaCI |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Рост в присутствие 4% NaCI |
- |
- |
- |
- |
+ |
- |
|
Рост в присутствие 6,5% NaCI |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Индекс ингибирования роста патогенных микроорганизмов (антагонистическая активность), % |
13,5-66,3 |
11,4-63,0 |
13,05-83,54 |
12,03-49,21 |
15,20-73,01 |
10,4-86,2 |
|
Антиоксидантная активность |
Перехват гидроксил-радикала ОН, синтез антиоксидантных ферментов (Mn-СОД, Mn-каталаза |
Перехват гидроксил-радикала ОН, образование антиоксидантных ферментов (Mn-СОД, Mn-каталаза, ускорение гликолитического расщепления |
Перехват гидроксил-радикала ОН, образование антиоксидантных ферментов (Mn-СОД, Mn-каталаза), ускорение гликолитического расщепления |
Способность к образованию хелатных комплексов с Fe+2 |
Образование антиоксидантных ферментов (Mn-каталаза) |
Способность к образованию хелатных комплексов с Cu+2 Способность перехватывать пероксид водорода |
|
Бактерицидные свойства (продуцирование бактериоцинов) |
Казеицин |
Лантацин В, ацидоцин B и F, лактоцин |
Низин, булгарацин |
Термофилин |
Пропионицин |
Бифидоцин |
|
Ферментация углеводов |
Лактоза, Глюкоза, Амигдалин, Целлобиоза, Эскулин, Фруктоза, Галактоза, Мальтоза, Манит, Манноза, Рибоза, Сорбит, Сахароза, Трегалоза
|
Лактоза, Глюкоза, Крахмал, Амигдалин, Целлобиоза, Эскулин, Фруктоза, Галактоза, Мальтоза, Манноза, Сахароза, Трегалоза |
Глюкоза, Лактоза, Фруктоза,
|
Глюкоза Лактоза Сахароза |
Эскулин, Лактоза, Галактоза Фруктоза, Глюкоза, Арабиноза, Манноза, Рибоза
|
Лактоза, Фруктоза, Галактоза, Сахароза, Мальтоза, Мелибиоза |
|
Возможность проявления протеолитической активности |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
|
Возможность проявления липолитической активности |
+ |
- |
- |
- |
+ |
+ |
Подобранные БЗК способны расти в присутствие 2% NaCI, Propionibacterium freudenreichii способен развиваться и при 4% NaCI. При 6,5% NaCI культуры прекращают свой рост (табл. 1), что необходимо учитывать при составлении системы для биотрансформации рыбного сырья, а также – при моделировании рецептур пищевой рыбной продукции, в которых содержание соли (NaCI) рекомендуется не более 2% , чтобы не подавлять развитие и рост БЗК [2].
Следует отметить, что БЗК с пробиотическими свойствами способны продуцировать липолитические ферменты (табл. 1), способствующие расщеплению липидов и последующему их быстрому окислению с образованием карбоксильных соединений, приводящих к формированию специфических и нежелательных вкуса и аромата. Согласно этому, при внесении БЗК уровень содержания жира в рыбном сырье рекомендован не более 1,5%. Более высокое содержание жира может привести к ухудшению органолептических показателей и, соответственно, качества пищевой рыбной продукции [29; 30].
По этой причине, при подборе объектов для биотрансформации, приоритетными являлись рыбы нежирной группы традиционно промысловых и потенциально-промысловых: минтай (Theragra chalcogramma), треска (Gadus macrocephalus), макрурус малоглазый (Albatrossia pectoralis); потенциально промысловые: получешуйник Гилберта «бычок» (Hemilepidotus gilberti), которые составляют существенный резерв рыболовства, что способствует поиску решений по их переработке [31].
Известно, что в результате автолитических процессов в рыбе проявляется характерный рыбный запах за счет накопления триметиламиноксида, с последующим его распадом под действием ферментов (редуктаз) до димитиламина и триметиламина [32; 33]. Метиламины являются легколетучими и при взаимодействии с кислотами образуют нелетучие растворимые соли замещённого аммония, в дальнейшем уже не влияющие на формирования рыбного запаха [34]. Использование кислотообразующих БЗК будет способствовать снижению уровня образования азотистых летучих оснований, за счет продуцирования метаболитов – молочной, пропионовой и уксусных кислот, тем самым снижая интенсивность рыбного запаха и повышая потребительские свойства продукции [35; 36].
Сравнительная оценка потребностей БЗК в питательных веществах к уровню их содержания в мышечной ткани выбранных видов рыб (табл. 2) показала, что мышечная ткань выбранных видов рыб содержит практически все необходимые факторы роста (табл. 1) и питательные компоненты для развития БЗК. Но для интенсификации процесса биотрансформации необходимо учитывать потребность БЗК в углеводах (табл. 1), которые принимают непосредственное участие в образовании необходимых метаболитов (молочной и пропионовокислой кислот, эфиров, диацетилов, ацетоинов, бактериоцинов). Так как рыба практически не содержит в своём составе углеводов (в среднем 0,1-0,5%) потребуется дополнительное их внесение для поддержания развития БЗК в течение установленного промежутка времени. В промышленности, в большинстве случаев, для роста БЗК используют гексозы (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза) и дисахариды (лактоза, мальтоза, сахароза) [29]. Для дальнейших исследований в качестве углеводов были выбраны глюкоза, лактоза из-за их широкого применения в пищевой биотехнологии [37].
Таблица 2. Сравнительная оценка потребностей БКЗ в питательных веществах к уровню их содержания в мышечной ткани рыб [38]
Table 2. Comparative assessment of the needs of BSC in nutrients to the level of their content in the muscle tissue of fish [38]
|
Условия среды |
Вид бактериальных заквасочных культур |
Содержание в мышечной ткани рыб |
||||||||
|
L. casei |
L. acidophilus |
P.freudenreichii |
St. thermophilus |
L. bulgaricus |
Bifidobacterium bifidum |
Минтай |
Треска |
Макрурус |
Бычок |
|
|
aw, ед. |
Min 0,90-0,94 |
0,99 |
0,99 |
0,99 |
0,98 |
|||||
|
Wв, % |
90-94 |
81,10 |
81,21 |
90,89 |
79,54 |
|||||
|
Wу, % |
От 1 |
0,39 |
0,59 |
0,12 |
0,53 |
|||||
|
Wж,% |
Нежелательны |
0,11 |
0,14 |
0,11 |
0,52 |
|||||
|
Wб, % |
Гидролизованный (от 1) |
17,4 |
17,19 |
7,78 |
18,39 |
|||||
|
|
Витамины (мкг/100 г) |
Витамины (мг/100 г) |
||||||||
|
К |
0,001-0,01 |
- |
- |
- |
- |
|||||
|
В1 |
0,01-0,03 |
0,01 |
0,09 |
0,08 |
- |
|||||
|
B2 |
0,1-1 |
0,11 |
0,07 |
0,20 |
- |
|||||
|
РР или В3 |
1-10 |
4,60 |
2,06 |
2,00 |
- |
|||||
|
В4 |
20 |
65 |
65 |
- |
- |
|||||
|
B5 |
0,2-1 |
0,24 |
0,15 |
- |
- |
|||||
|
В6 |
0,1 |
0,1 |
0,17 |
0,12 |
0,12 |
|||||
|
В7 |
0,002-0,01 |
0,01 |
0,01 |
- |
- |
|||||
|
В9 |
0,02 |
0,049 |
0,0113 |
0,048 |
0,006 |
|||||
|
В10 |
0,01 |
- |
- |
- |
- |
|||||
|
В12 |
0,1 |
0,0163 |
0,016 |
- |
0,012 |
|||||
|
К |
0,001-0,01 |
- |
- |
- |
- |
|||||
|
|
Минеральные в-ва (мг/100 г) |
Минеральные в-ва (мг/100 г) |
||||||||
|
Мg |
10-20 |
55 |
32 |
60 |
35 |
|||||
|
Na |
0,5 |
40 |
54 |
130 |
100 |
|||||
Согласно всему вышесказанному, были определены направления биотрансформации рыбного сырья с применением БЗК. Планируются к разработке следующие виды рыбной пищевой продукции: охлажденная пищевая рыбная продукция; полуконсервы рыбные; вяленая, сушеная и сушено-вяленая пищевая рыбная продукция; сублимированная пищевая рыбная продукция; рыбные ферментированные продукты, обогащенная пробиотиками, постбиотиками и метабиотиками, при этом имеющая пролонгированный срок годности за счет эффекта «биоконсервирования». Также в схеме предложены способы биотрансформирования рыбного сырья БЗК для производства данных видов продукции: вымачивание в растворах БЗК; прямое внесение БЗК в сырье; шприцевание сырья БЗК; распыление БЗК на поверхность сырья. Данные методы будут рассмотрены и изучены в дальнейших исследованиях (рис. 1).
Рисунок 1. Биотрансформация рыбного сырья с применением БЗК
Figure1. Biotransformation of fish raw materials using BSC
Заключение
Анализ научно-технической литературы и баз данных показал перспективность научных разработок в данной области. Биотрансформация подобранного рыбного сырья с использованием БЗК позволит решить проблемы специфического запаха и вкуса и положительно повлияет на его органолептические и структурные свойства в целом, за счёт мягкой деструкции (за счет кислотообразования) белковых компонентов мышечной ткани рыб.
Подобранные штаммы, как защитные культуры, будут способствовать продлению сроков годности пищевой рыбной продукции за счет эффекта «биоконсервирования» [10; 18], а сохранение живых клеток БЗК при технологической обработке имеет особое значение для производства пробиотических пищевых продуктов. Проведенные исследования будут использованы при построении математических моделей процесса биотрансформации рыбного сырья, как основы для разработки технологических параметров обработки для последующего его применения в рецептурных составах продуктов «быстрого питания», содержащих функциональные компоненты, что обосновано ускоренным ритмом жизни и желанием современного общества следить за своим питанием, употребляя продукты, поддерживающие здоровый образ жизни.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад в работу авторов: Е.В. Лаврухина – идея работы, сбор, подготовка и анализ данных,
подготовка статьи; Н.Ю. Зарубин – анализ данных, подготовка введения, заключения,
окончательная проверка статьи; О.В. Бредихина – окончательная проверка статьи; А.И.
Гриневич – сбор данных, подготовка статьи.
The authors declare that there is no conflict of interest.
Contribution to the work of the authors: E.V. Lavrukhina – the idea of the work, collection, preparation and analysis of data, preparation of the article; N.Y. Zarubin – data analysis, preparation of the introduction, conclusion, final verification of the article; O.V. Bredikhina – final verification of the article; A.I. Grinevich – data collection, preparation of the article.
