83

государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

"КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ"

федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

"ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

На правах рукописи

Пасько Ольга Владимировна

НАУЧНОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИИ ФЕРМЕНТИРОВАННЫХ МОЛОКОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.18.04 – технология мясных,

молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Н.Б. Гаврилова

КЕМЕРОВО 2011

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение……………………………………………………………...	9
Глава 1 Научные и практические аспекты создания ….. инновационных технологий ферментированных продуктов нового поколения: молочных, молокосодержащих и др. …………………….		14
	Современное представление об инновациях в области производства ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов: биотехнология и нанотехнология………….	14
	1.1.1 Функциональные продукты питания. Ингредиенты, формирующие функциональные свойства продуктов…………	23
	Процесс ферментации и факторы, влияющие на его эффективность………………...………………………………….	28
	Культуры, используемые в молочной промышленности для производства ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов………………………………...	50
	1.4 Теория и принципы создания обогащенных молочных и молокосодержащих продуктов …………………………………	60
	1.5 Адаптивность биотехнологических молокосодержащих систем. Способы повышения сроков годности ферментированных молокосодержащих продуктов………………………………………	74
	1.6 Заключение по главе 1 …………………………………………..	79
Глава 2 Обоснование основных направлений исследований, их цель и задачи…………………………………............		80
Глава 3 Организация экспериментов, объекты и основные методы исследований …………………………………………………….		84
	3.1 Организация и схема эксперимента ………………..…………..	84
	3.2 Объекты исследований …………………………………………..	87
	3.3 Основные методы исследования ……………………………….	88
	3.3.1 Физико-химические и биохимические методы…………	89
	3.3.2 Микробиологические методы……………………………	91
	3.3.3 Реологические методы…………………………………….	93
	3.3.4 Методы статистической обработки и построения математических моделей…………………………………...	95
	3.3.5 Оценка органолептических показателей…….....................	96
Глава 4 Научное обоснование четырехуровневой структуры … биотехнологических молокосодержащих систем как основы для производства ферментированных молокосодержащих продуктов ……….		97
	4.1 Концепция формирования и структура биотехнологических молокосодержащих …систем (БТМС)……...	97
	4.2 Характеристика основных элементов БТМС (подсистема А)...	104
	4.3 Аналитический и экспериментальный скрининг биообъектов для ферментации БТМС (элементы подсистемы Б) ………….	109
	4.4. Заключение по главе 4 ………………………………………….	121
Глава 5 Конструирование модельных сред по эффекту …. взаимного обогащения. Исследование процесса ферментации … молочных и молокосодержащих модельных сред …………………...		122
	5.1 Изучение жизнедеятельности ассоциаций культур с …….. пробиотическими свойствами в модельных средах на основе молочного сырья …………………………………………………	124
	5.2 Изучение жизнедеятельности ассоциаций культур с ……….. пробиотическими свойствами в модельных …средах на основе сливок ……………....................................................................	139
	5.3 Изучение жизнедеятельности ассоциаций культур с ………. пробиотическими свойствами в модельных средах на основе молока, сливок и ..растительных компонентов…………………	160
	5.4 Использование соковых компонентов в сливочно-…………. растительных модельных средах для исследования активности и жизнеспособности ассоциаций культур с пробиотическими свойствами…………………………………………………	176
	Математическая модель БТМС, градация и биотехнологические свойства ассоциаций пробиотических культур …………...	183
	5.6 Заключение по главе 5 …………………………………………..	209
Глава 6 Экспериментальный выбор эффективных способов активизации ассоциативного роста пробиотических культур, обеспечения их устойчивости к термоинактивации в процессе производства и хранения БТМС………………………………………...		212
	6.1 Выбор эффективных ростостимулирующих факторов для ассоциированных пробиотических культур …………………….	212
	6.2 Изучение способов обеспечения устойчивости ассоциированных пробиотических культур к термоинактивации в процессе производства и хранения………………………………………...	231
	6.3 Оценка эффективности влияния ростостимулирующих факторов на процессы пассивации ассоциированных пробиотических культур в процессе производства и хранения БТМС..	237
	6.4 Разработка технологии ферментированной белковой добавки ………………………………………………………….	250
	6.5 Разработка технологии ферментированной сливочно-соевой добавки……………………………………………......................	251
	6.6 Разработка технологии сливочного биообогатителя……………..……………………………………..	254
	6.7 Заключение по главе 6 …………………………………………..	256
Глава 7 Изучение влияния специальных ингредиентов на адаптивность БТМС и сроки годности ферментированных молокосодержащих продуктов………………………………………………...		259
	7.1 Теоретическое обоснование выбранного направления исследования. ……………………………………………………	259
	7.2 Аналитическое и экспериментальное определение стабилизационных систем для жидких неньютоновских молокосодержащих продуктов, определение их сроков годности...	262
	7.3 Экспериментальный скрининг и аналитическое обоснование выбора стабилизационных систем для вязко-пластичных ферментированных молокосодержащих продуктов …………..	273
	7.4 Заключение по главе 7 …………………………………..………	289
Глава 8 Теоретическое обоснование и разработка методологических принципов создания технологии ферментированных молокосодержащих продуктов, их практическая реализация…………		292
	8.1 Теоретическое обоснование и разработка методологических принципов создания технологии ферментированных молокосодержащих продуктов ………………………………...........................	292
	8.2 Практическая реализация методологических принципов …….	293
	8.2.1 Кисломолочные и молокосодержащие продукты ………………………………………………….	293
	8.2.2 Пастообразные продукты и пудинги…………………….	302
	8.3 Заключение по главе 8……………….…………………………...	308
Глава 9 Техническая новизна и практические аспекты результатов работы ………………………………………………………		309
	9.1 Техническая новизна новых технологий ферментированных молокосодержащих продуктов………………..	309
	9.1.1 Композиция для получения кисломолочного продукта для детского питания (патент РФ № 2265341) ……………….	311
	9.1.2 Способ производства десерта (патент РФ № 2308838)...	312
	9.1.3 Способ производства йогурта (патент РФ № 2280991)..	313
	9.1.4 Профилактический кисломолочный продукт (патент РФ № 2308195) ………………………………….	313
	9.1.5 Продукт творожный (патент РФ № 2259053) ………….	314
	9.1.6 Композиция для получения пастообразного творожного продукта (патент РФ № 2353095) ………..	315
	9.1.7 Способ производства десертного продукта (патент РФ № 2368144)……………………………………………..	316
	Практическая реализация технологий ферментированных молокосодержащих продуктов …………………........................	316
	Заключение по главе 9…………………………………………...	317
Глава 10 Социальная и экономическая значимость …….. результатов исследований ………………………………………………		318
	10.1 Социальная значимость результатов исследований ………….	318
	10.1.1 Характеристика пищевой и биологической ценности ферментированных молокосодержащих продуктов……	318
	10.1.2 Моделирование функционального воздействия пробиотических культур продуктов на микробиоценоз кишечника кролика ……………………………………..	323
	Экономическая значимость результатов исследований……	327
	10.2.1 Анализ себестоимости и рентабельности производства новых молокосодержащих продуктов............................................................................	327
	10.2.2 Определение молокоёмкости производства новых продуктов …………..…………………………...	333
	10.2.3 Прогнозируемый расчет уменьшения возврата разработанных продуктов из розничной торговой сети..	335
	10.3 Заключение по главе 10 ………………………………………...	336
Выводы ………………………..……………………………………..		338
Библиографический список ………………………………………		340
Приложения………………………………………………………….		390
	Приложение 1 Методика статистической обработки результатов и построения математических моделей…………………………………	391
	Приложение 2 Программа оценки органолептических показателей модельных сред, биотехнологических молокосодержащих систем и продуктов………………………………………………………………..	396
	Приложение 3 Итоговые показатели, обуславливающие выбор модельных сред (МС) для дальнейшей ферментации……………...	402
	Приложение 4 Итоговые показатели, обуславливающие выбор биотехнологических молокосодержащих систем и биообъектов в качестве основы получения ферментированных продуктов……….	408
	Приложение 5 Техническая документация …………………………	414
	Приложение 6 Протоколы испытаний и дегустации……………….	425
	Приложение 7 Акты и справки о внедрении результатов исследования ………………………………………………………….	437
	Приложение 8 Патенты на изобретения, свидетельства на интеллектуальный продукт…………………………………………..	454
	Приложение 9 Апробация работы…………………………………...	501
	Приложение 10 Терминологический глоссарий…………………….	504

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АС – аминокислотный скор БТМС – биотехнологическая молочная и молокосодержащая система БЦ – показатель биологической ценности ИНАК – индекс незаменимых аминокислот КРАС – коэффициент различий аминокислотного скора МДС – моно-и дисахариды ММС – модельные молочные среды МС – модельные среды МРС – молочно-растительные модельные среды ПНС – предельное напряжение сдвига ПС – полисахариды СБК – сывороточный белковый концентрат СБО – сливочный биообогатитель СлМС – сливочные модельные среды СлРС – сливочно-растительные модельные среды СМС – сухая молочная сыворотка СОМ – сухое обезжиренное молоко СРМС – сливочно-растительные (сокосодержащие) модельные среды ССД – синбиотическая сывороточная добавка

ТУ – технические условия ФД – ферментированные добавки ФБД – ферментированная белковая добавка ФН – фруктовый наполнитель ФП – функциональное питание ФССД – ферментированная сливочно-соевая добавка ФТС – функционально-технологические свойства рН – активная кислотность пл – пластическая вязкость AR – гены антибиотикорезистентности aw – активность воды DE – степень этерификации DVS – культуры прямого внесения FOS – фруктоолигосахариды Kcн – коэффициент среднесуточного снижения клеточной концентрации микроорганизмов Пж – показатель жизнеспособности микроорганизмов Кр – коэффициент стимуляции роста микроорганизмов η – динамическая вязкость Во – коэффициент эффективной вязкости

ВВЕДЕНИЕ

Цель государственной политики в области науки и технологий – переход к инновационному пути развития на основе избранных приоритетов, которые определяются научным сообществом, исходя из национальных интере­сов Российской Федерации с учетом мировых тенденций развития науки, техники, технологий. Главный приоритет – здоровье на­ции. Именно он определил государственную политику в области питания, сфокусировав ее на здоровом питании, под которым, по определению, понимается питание, удовлетворяющее потребности организма в энергии, пищевых веществах, а также способствующее профилактике хрони­ческих неинфекционных заболеваний, сохранению здоро­вья и долголетия [173, 225, 243].

В Концепции государственной политики в области здорового питания сформулированы основные направления, в число которых входят биотехнологические процессы переработки сельскохозяйст­венного сырья, включая:

• широкое использование ферментных препаратов, в том чис­ле иммобилизованных ферментов и клеток, применение до­стижений молекулярной биологии и генной инженерии для создания новых поколений пищевых технологий;

• получение новых видов пищевых продуктов общего, специ­ального и лечебно-профилактического назначения, пищевых и кормовых гидролизатов;

• синтез ароматизаторов, пищевых красителей и биологически активных веществ;

• переработка побочного сырья пищевой промышленности в полноценные продукты питания и высококачественные жи­вотные корма;

• синтез незаменимых аминокислот и получение на их основе сбалансированных аминокислотных смесей для обогащения продуктов;

• производство пищевых продуктов, лечебных препаратов из обладающих высокой биологической активностью объектов [299].

Современная концепция здорового питания возник­ла как результат многолетних систематических исследо­ваний медиков, диетологов, специалистов в области хи­мии и технологии пищевых веществ. Важное место в этой концепции принадлежит научному направлению, связан­ному с созданием комбинированных биопродуктов пита­ния [43]. Учёные-технологи в течение многих лет работают над теоретическим обоснованием и практическим вопло­щением технологии нового класса продуктов питания, оп­ределенных в научной литературе как "комбинирован­ные". Основным сырьем для них является молоко, из­вестное своим ценным химическим составом и целебными свойствами. Использование современных достижений биотехнологии позволяет трактовать это научное направление как лечебно-профилактическое.

Действительно, особая роль молока и молочных продуктов в питании людей известна с древнейших вре­мен. Однако научное обоснование этому факту появилось значительно позже в научных трудах выдающихся учёных И.П. Павлова, Н.И. Мечникова и их последователей С.В. Паращук, Г.С. Инихова, С.А. Королева, М.М. Казанского, Г.Н. Сперанского, А.А. Покровского, К.С. Петровского. Данные научные направления успешно развивает российская школа учёных – A.M. Уголев, М.Н. Волгарев, В.Г. Высоцкий, П.Ф. Дья­ченко, З.Х. Диланян, А.В. Гудков, Н.Н. Липатов, П.Ф. Крашенинин, К.С. Ладодо, Н.С. Королева, В.В. Семенихина, Л.Н. Левачев, А.Г. Храмцов.

Производство комбинированных продуктов на мо­лочной основе – сравнительно новое направление в пи­щевой промышленности. Выдающимися учёными современности – И.А. Роговым, Н.Н. Липатовым, А.Г. Храмцовым, В.Д. Харитоновым и многими другими – теоретически обоснована и практиче­ски доказана его перспективность. Большой теоретический и практический вклад в создание технологий продуктов с функциональными свойствами внесли учёные отечественных школ прикладной биотехнологии, биохимии и нутрициологии: A.M. Бражни­ков, О.В. Большаков, К.К. Горбатова, Н.К. Журавская, Н.Н. Липатов (ст.), Н.Н. Липатов (мл.), Л.А. Остроумов, И.А. Радаева, Е.И. Титов, Э.С. Токаев, В.Д. Харитонов, И.А. Евдокимов, A.M. Шалыгина, М.Н. Волгарев, В.И. Покровский, В.А. Тутельян и др. [43, 55]. Определенное значение для развития этого направле­ния имеют работы Г.Б. Гаврилова, Н.Б. Гавриловой, А.В. Гудкова, Н.И. Дунченко, В.И. Ганиной, М.Б. Данилова, Л.П. Жуковой, Л.М. Захаровой, Н.П. Заха­ровой, А.А. Майорова, И.А. Смирновой, Л.А. Забодаловой, В.М. Позняковского, А.А. Покровского, К.К. Полянского, А.Ю. Просекова, Ю.Я. Свириденко, Н.А. Тихомировой, М.С. Уманского, И.С. Хамагаевой, М.П. Щетинина и многих других учёных. Перспективным в создании качественно новых пищевых продуктов модифицированного состава и свойств являет­ся направление по комбинированию молочного и рас­тительного сырья. Это обеспечивает возможность взаим­ного обогащения получаемых продуктов эссенциальными ингредиентами, а также позволяет регулировать их состав в соответствии с основными положениями теории сбалан­сированного питания [162]. Надо полагать, что теория и практика комбинирования молочных продуктов с сырьем животного и растительного происхождения, а также ком­бинирование пищевых продуктов с молочными компонен­тами в XXI веке будут одним из главных направлений раз­вития молочной промышленности [43, 225].

В настоящее время интенсивно проводятся исследования по созданию продуктов, которые могли бы обеспечить необходимое поступление и организм человека полезных веществ, ингредиентов (пищевых волокон, витаминов, минеральных веществ, полиненасыщенных жирных кислот, антиоксидантов, олигосахаридов, микроэлементов), а также предупредить различные заболевания [34, 52, 206].

Современный уровень питания человека по белку дефицитен как в количественном, так и в качественном отношении. Создание продуктов "здорового" питания, имеющих сбалансированный состав, может быть реализовано за счет их многокомпонентности, в частности, путем комбинирования сырья животного и растительного происхождения [97, 203].

Разработка комбинированных, молочных, молокосодержащих и составных молочных продуктов, доступных и потребляемых широкими слоями населения, позволяет увеличивать объем их производства и реализации, что способствует удовлетворению потребности населения в "здоровых" продуктах питания [53].

В осуществлении этой задачи важную роль должны сыграть научные исследования, направленные на дальнейшее внедрение прогрессивных способов производства комбинированных молочно-соевых продуктов, совершенствование и интенсификацию технологических процессов, повышение эффективности производства и улучшение качества выпускаемой продукции [46, 47, 127, 235, 237].

В связи с вышеизложенным, сегодня все актуальнее становится поиск новых направлений и подходов, которые обеспечили бы наряду с совершенствованием традиционных создание принципиально новых технологий XXI в., гарантирующих сохранение нативных свойств сырья и позволяющих повысить качество готовых продуктов, их питательность, усвояемость, обогащенных специальными ингредиентами с функциональными свойствами [41, 402].

При этом следует подчеркнуть, что основной проблемой при разработке новых технологий молочных, молокосодержащих и составных молочных продуктов является недостаточность прикладных исследований по обеспечению жизнеспособности и активности культур-пробиотиков в процессе производства продуктов, хранении и потреблении их населением, из которых наиболее изученным является выбор микроорганизмов и процесс ферментации с их участием.

Вследствие вышеизложенного, актуальным является комплекс исследований, проводимый на базе кафедр технологии молока и молочных продуктов Кемеровского технологического института пищевой промышленности и Омского государственного аграрного университета в рамках реализации "Приоритетных направлений развития науки и техники" (Пр-577 от 30.03.2002), которые утверждены Президентом РФ В.В. Путиным (в настоящее время председатель правительства РФ), программы по НТП Минобразования России 004 "Научные исследования высшей школы по технологии живых систем", Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков продукции, сырья и продовольствия на 2008-2018 гг., а также в соответствии с зарегистрированными темами НИР "Разработка теоретических основ, создание новых технологий и техники для производства безопасных продуктов питания с функциональными свойствами" (№ 01.2.00609463), "Разработка технологии молочных и молокосодержащих продуктов с функциональными свойствами и пролонгированными сроками хранения" (№ 01.2.006095542), "Разработка технологии молочных и молокосодержащих продуктов с использованием соевых ингредиентов"(№ 01.200701893).

В данной работе обобщены результаты экспериментальных, аналитических и теоретических исследований по обоснованию подбора эффективных ассоциаций культур с пробиотическими свойствами, форм их защиты в процессе технологии производства ферментированных молокосодержащих продуктов, способы обеспечения их жизнеспособности в течение всего срока годности продуктов. Исследованы основные закономерности формирования биотехнологических молокосодержащих систем (БТМС) и разработаны на их основе технологии ферментированных молокосодержащих продуктов.

Техническая новизна результатов экспериментальных исследований подтверждена и защищена 17 патентами Российской Федерации, а также приведена в 12 свидетельствах на интеллектуальный продукт.

Практическая ценность работы представлена 8 технологиями новых ферментированных молокосодержащих продуктов, которые апробированы и внедрены на молочных предприятиях Омской области.

Результаты прикладных научных исследований используются в образовательном процессе подготовки специалистов по направлению 260300 "Технология сырья и продуктов животного происхождения" специальности 260303 "Технология молока и молочных продуктов", направлению 260500 "Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания" специальности 260501 "Технология продуктов общественного питания", направлению подготовки бакалавров 260100 "Технология продуктов питания", опубликованы в 138 печатных работах, в том числе 3 монографиях, 2 аналитических обзорах, 18 научных статьях в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных материалов диссертаций, 85 статьях в материалах конференций, конгрессов, форумов, семинаров, научных трудах институтов.

1 Научные и практические аспекты создания

ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ФЕРМЕНТИРОВАННЫХ

ПРОДУКТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ: МОЛОЧНЫХ,

МОЛОКОСОДЕРЖАЩИХ И ДР.

1.1 Современное представление об инновациях в области производства ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов: биотехнология и нанотехнология

Биотехнология молока и молочных продуктов является частью пищевой биотехнологии. Традиционная биотехнология молочных продуктов исторически основана на широком использовании микрофлоры чистых культур, в виде заквасок и бактериальных препаратов. В соответствии с теорией адекватного питания и развивающимися взглядами трофологии наиболее предпочтительным является применение естественной микрофлоры желудочно-кишечного тракта – бифидобактерий [347].

При обсуждении инноваций в области биотехнологий, прежде всего, следует выделить сыры, являющиеся продуктом сложной биотехнологической переработки молока, вследствие которой происходит кон­центрация его основных компонентов с последующей их ферментацией.

Широкие возможности варьирования технологиче­скими приемами, активаторами микробиологического и ферментативного происхождения, составом продукта и дру­гими факторами позволяют получать огромное многообразие разновидностей сыров, существенно отличающихся по вкусу, аромату, консистенции и рисунку.

Первые серьезные исследования по проблемам полу­чения сыра и изучению его состава появились во второй по­ловине XIX века (Д.И. Менделеев, Н.В. Верещагин, П.Н. Ильенков). В дальнейшем эти исследования были про­должены и развиты научными школами ведущих отечествен­ных учёных (С.А. Королев, Н.Н. Липатов, З.Х. Диланян, А.И. Чеботарев, И.И. Климовский, А.П. Белоусов, Д.А. Гранников, П.Ф. Дьяченко, В.М. Богданов, П.Ф. Крашенинин, А.В. Гудков, В.П. Табачников, Р.В. Саакян и др.) [394].

На развитие биотехнологических аспектов производства твёрдых и мягких сыров оказали влияние такие известные учёные, как Л.А. Остроумов, В.В. Бобылин, А.А. Майоров, М.П. Щетинин, И.А. Смирнова, И.В. Буянова и др.

Проблеме развития биотехнологии цельномолочных продуктов: кисломолочных напитков, кисломолочных продуктов, творога и творожных продуктов посвящены труды П.Ф. Крашенинина, А.Г. Храмцова, П.Г. Нестеренко, И.А. Евдокимова, Г.Б. Гаврилова, Г.П. Шамановой, В.Ф. Семенихиной, И.С. Хамагаевой, А.М. Шалыгиной, Н.Б. Гавриловой, В.И. Ганиной, Л.А. Забодаловой, Н.И. Дунченко, Н.Н. Тихомировой, Л.М. Захаровой, А.Ю. Просекова, В.И. Круглик, А.М. Попова, Г.Ю. Сажинова и др. [39, 42, 44, 65, 100, 117, 123, 124, 182, 301, 314, 341, 344, 402, 422].

А.Г. Храмцов отмечает, что, безусловно, в мировой и отечественной пищевой промышленности имеются весьма существенные достижения и прорывы. Фундаментом совре­менной науки о питании являются приоритетные работы наших соотечествен­ников, лауреатов Нобелевской премии И.П. Павлова и И.И. Мечникова, трансплантация бета-галактозидазы (лактазы) в ген хромосомы школой акаде­мика М.М. Дубинина, работа по лаг-оперону Жакоба и Моно на питательных средах с лактозой. Особо значимыми так же являются технология БИО-ТОН, разработанная в ГУ НИИКИМ (г. Ставрополь) школой член-кор-респондента ВАСХНИЛ и Россельхозакадемии В.В. Молочникова; серия продуктов "Чудо-йогурт" и "Бифилайф"; йодказеин; выдающееся достижение отечественных биотехнологов (ИНБИ РАН и МГУПБ, академик Россельхоз-академии И.А. Рогов, профессор А.М. Шалыгина, доктор биологических наук Г.С. Комолова, доктор техниче­ских наук Н.А. Тихомирова) по получению БАВ ангиогенина, государственные Премии по сливочному маслу (творческий коллектив профессора Ф.А. Вышемирско­го), новое поколение мясных продуктов (творческий коллектив акаде­мика И.А. Рогова), Премии Правительства РФ по детскому питанию на мясной основе, кормовым средствам и др.

Одним из выдающихся достижений конца XX века является разработка принципиально новой концепции "пробиотики и функциональное питание", затрагивающей многие фундамен­тальные и прикладные аспекты здоровья человека, медицины, нутрициологии и биотехнологии. Под понятием пробиотики и функциональное питание в настоящее время понимают такие препараты, как биологически активные добавки к пище и про­дукты питания, которые при включении в пищевой рацион обес­печивают организм человека не столько энергетическим и пла­стическим материалом, сколько контролируют и модулируют (оптимизируют) конкретные физиологические функции, биохи­мические и поведенческие реакции, способствуют поддержа­нию здоровья, снижают риск возникновения заболеваний и ускоряют процесс выздоровления [94].

В целом, идея использования полезных для человека живых мик­роорганизмов для восстановления нормального функциони­рования пищеварительного тракта принадлежит И.И. Меч­никову. Он полагал, что с возрастом в нижних отделах кишечника накапливаются большие количества гнилостных бактерий, продукты жизнедеятельности которых начинают оказывать на организм токсический эффект. Для снижения количества подобных протеолитических микроорганизмов И.И. Мечников еще в 1907 г. предложил ежедневно употреблять большие количества живых молочнокислых бакте­рий. Практической реализацией этой идеи явилась реко­мендация И.И. Мечникова употреблять кисломолочные про­дукты, ферментированные штаммом Lactobacillus bulgaricus (по современной классификации L. delbruekii subsp. bulgaricus, далее L. bulgaricus), который он изолировал из болгарской простокваши. Этот представитель лактобацилл совместно со Streptococcus salivarius subsp. termophilus (далее S. termophilus) в последующем составил основу заквасок подавляющего боль­шинства присутствующих на рынках всего мира йогуртов. Позднее для лечения и профилактики ряда заболеваний желудочно-кишечного тракта были предложены кисломолоч­ные продукты, заквашенные не L. bulgaricus, а штаммами ацидофильных лактобацилл, изолированными из толстого кишечника человека. Успехи, достигнутые в области микробиологического изучения микрофлоры кишеч­ника человека, явились предпосылкой разработки и использования в качестве лекарственных препаратов, био­логически активных пищевых добавок и заквасок при изго­товлении диетических и лечебно-профилак-тических мо­лочнокислых продуктов представителей других родов и видов Lactobacillus, Bifidobacterium и Streptococcus животного и человеческого происхождения. Во второй половине XX века в повседневный пищевой рацион жителей многих стран мира помимо молочнокислых микро­организмов и кисломолочных продуктов на их основе стали активно входить разнообразные моно- или композиции биологически активных добавок к пище преимущественно натуральной природы с целью коррекции недостающих в пище нутриентов, поддержки функциональной активности органов и тканей, а также для профилактики и лечения тех или иных заболеваний. Для обозначения новых катего­рий лекарственных препаратов, биологически активных добавок к пище и продуктов питания в научную и популяр­ную литературу последней четверти XX века были внедрены разнообразные термины и обозначения (пробиотики, эубиотики, пребиотики, синбиотики, конбиотики, нутрицевтики, парафармацевтики, пробиотические продукты, лечеб­ное питание, здоровое питание, функциональное питание и т.д. [306, 423, 427, 465, 466, 523].

Таким образом, на действии микроорганизмов построены современные биотехнологии, которые получили развитие в фундаментальных и прикладных трудах ряда известных учёных: И.А. Рогова, В.И. Ганиной, А.И. Жарикова, И.С. Хамагаевой, М.Б. Данилова, Н.Б. Гавриловой [18, 42, 43, 59, 91, 92, 117, 292, 332, 402].

Вице-президент Россельхозакадемии Е.И. Сизенко отметил, что более 25 % в общем объеме НИР институтов академии на сего­дняшний день занимают фундаментальные исследо­вания и разработки. Полученные в ходе выполнения этих исследований результаты позволили разрабо­тать и создать: системы прогрессивных технологий белковых концентратов, композитов и биологически активных добавок и методы их применения при про­изводстве поликомпонентных пищевых продуктов общего и специального назначения; широкий ассор­тимент экологически безопасных конкурентоспо­собных продуктов с использованием высокоэффек­тивных добавок функционального назначения, в том числе для детского, школьного и геродиетического питания [199].

Академик Россельхозакадемии Л.М. Аксенова дала подробное определение понятия "нанотехнологии" применительно к пищевой и перерабатывающей промышленности. "Нанотехнологии" – это умение целенаправленно созда­вать объекты с заранее заданными наноразмерами, структурой и свойствами, а "нанонауки" – совокуп­ность получения знаний о свойствах веществ в нано-размерном масштабе. В это определение включаются не только объекты с наногеометрическими размера­ми, но и технологические процессы, осуществляемые с помощью наночастиц на уровне молекул и атомов, биологические и физиологические процессы в живой природе на уровне одноклеточных и многоклеточных микро- и наноорганизмов: бактерий, микрогрибов, микроспор, вирусов, водорослей и их составных час­тей. Их размеры составляют от 0,1 до 1000 нм, а об­щее количество трудно исчисляемо (в 1 см³ достигает десятков миллионов), и в большинстве своем они яв­ляются болезнетворными. Биотехнология и генная инженерия – перспектив­ные нанотехнологии в сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности [199].

Два активно развивающихся направ­ления современной науки нанотехнологии и биотехнологии до недавнего времени ассоциировались с разными областями знаний: нанотехнологии – с электронной техникой, а био­технологии - с живыми системами. Их развитие нашло отражение в двух при­оритетных направлениях науки, техно­логий и техники Российской Феде­рации: технологии живых систем – в части критических технологий биоинженерии; индустрии наносистем и материалов – в части нанотехноло­гии и наноматериалов [355].

Анализ публикаций и патентов показывает, что в настоящее время за рубежом проводятся интенсивные исследования в области пищевых нанотехнологий по следующим направлениям:

• теоретические и экспериментальные исследования способов получения, свойств и поведения наномеров;

• разработка технологий производства исходных элементов нанотехнологий – наночастиц, нанонитей, нанокапсул и пр.;

• исследования процессов формирования наноструктур и нанокомпозиций с заданными свойствами из исходных наномеров;

• разработка теоретических основ производства из нанокомпозиций пищевых продуктов заданного состава с необходимыми органолептическими показателями;

• обеспечение и методы оценки безопасности готовых пищевых продуктов, изготовленных по нанотехнологиям;

• разработка новых упаковочных материалов с использованием нанотехнологий, обеспечивающих сохраняемость и безопасность готового продукта [525, 527].

А.Г. Храмцов, Б.М. Синельников, И.А. Евдокимов и др. разработали научно-технические основы биотех­нологии переработки белково-углеводного молочного сырья с получением но­вого поколения экологически чистых продуктов пищевой категории: лактозы, сывороточных белковых концентратов, лактулозы и бифидогенных кисломо­лочных напитков двойного качества.

Такие продукты-синбиотики обладают "двойным качеством" и имеют высокую бифидогенную активность за счёт со­держания как жизнеспособных клеток бифидобактерий (пробиотиков), так и бифидус-факторов (пребиотиков), стимулирующих развитие бифидофлоры в продукте и в организме человека [9, 16, 359, 360, 408].

Е.И. Мельникова на основе исследования биотехнологического потенциала творожной сыворотки обосновала новые подходы и принципы модификации химического соста­ва, прогнозирования качества творожной сыворотки с целью максимального применения её нутриентов в производстве функцио­нальных и обогащенных пищевых продуктов [214].

В социально-экономических приоритетах любого индустри­ального государства особое место должно занимать разви­тие наукоемких отраслей производства с высоким уровнем добавленной стоимости. Лидерами мировой экономики на современном этапе в качестве такого направления опреде­лена наноиндустрия [197].

Профессором Н.А. Тихомировой дана характеристика нанотехнологиям, как основе инноваций в пищевой технологии, а также тотального мониторинга качества и безопасности производства продуктов питания путем диагностики так называемых квантовых точек (наносенсоров), способных достоверно определить химические, биологические и другие включения [384].

Развитие нанотехнологий в производ­стве продуктов питания должно бази­роваться на следующих общеизвест­ных положениях: социально-экономические аспек­ты питания; фундаментальные и прикладные постулаты технологии и биотехнологии пищевых производств; нутрициологические аспекты пита­ния.

Существующая в мире проблема обес­печения населения планеты продукта­ми питания может быть решена за счет использования современных дости­жений науки и техники, в том числе на­нотехнологий. Ниже приведена структурная схема реализации нанотехнологий в пищевой промышленности (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1 Направления использования нанотехнологий в

производстве продуктов питания

Профессор А.Ю. Просеков и др. определяют нанотехнологию, как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, т.е. регулирования структуры и состава вещества.

К наночастицам или наноструктурам относятся объек­ты размером от 1 до 100 нм, в связи с чем многие биологические материалы могут быть классифицированы как наночастицы. Бактерии, размеры кото­рых составляют 1-10 мкм, относятся к миру мезоскопических масштабов, ви­русы находятся в верхней части диапа­зона наночастиц – от 10 до 200 нм, бел­ки – внизу нанометрового диапазона, обычно между 4 нм и 50 нм. Строительные блоки белков, т.е. 20 протеиногенных аминокислот, имеют размеры около 1 нм, т.е. вблизи нижней границы наноструктур [314].

В технологии создания наночастиц существует два принципиально разных подхода к обработке вещества:

• "сверху вниз", т.е. уменьшение размеров физических тел механиче­ской или иной обработкой до объектов с нанометровыми параметрами;

• "снизу вверх", т.е. сборка создава­емого нанообъекта из элементов "низ­шего порядка" (атомов, структурных фрагментов биологических клеток и т.п.).

То есть для получения иммун­ных белковых наночастиц рациональ­но использовать первый метод как бо­лее дешевый и доступный для молочной промышленности [23, 69, 159, 165, 188, 321, 512, 516].

В рамках реализации нанотехнологий Н.А. Тихомировой разработана научная концепция получения природного ангиогенина из молочного сырья, биологически активного вещества, обладающего полифункциональными свойствами [383, 386].

Академиком А.Г. Храмцовым предложена доктрина инновационных технологий молочных продуктов. Парадигма доктрины заключа­ется в том, что молочное сырье (обратите внимание – это по­стоянно возобновляемые ресурсы) и получаемые из него продукты питания следует рассматривать как объекты нанотехнологии, а их составляющие на молекулярном уровне – как данные природой кластеры в виде простых (молекулы, атомы) или сложных (ми­целлы, агрегаты, частицы) соединений. На основе имеющейся информации, не повторяя тривиальные сведения о составе, раз­мерах и свойствах молочного сырья, приведена схема формирования систе­мы (рис. 1.1.2) и кластерная структура ос­новных соединений (рис. 1.1.3) – липидов (молочный жир); азотсодержащих со­единений – белковых веществ (казеин и сывороточные белки) и углеводов (аномеры лактозы) [406].

Согласно смысловому понятию нанотехнологий применительно к молоч­ному сырью ее объектами являются лактоза и минеральные соли (размер около 1 нм), а также на уровне моле­кулярных структур: глицеридов и жир­ных кислот; пептидов и аминокислот – все другие компоненты – молочный жир, казеин и сывороточные белки.

Рис. 1.1.2 Система дисперсных фаз молочного сырья (по А. Балларину)

Рис. 1.1.3 Кластерная структура основных компонентов молочного сырья

Глобальная цель доктрины – фор­мирование государственной програм­мы, проектов (грантов), бизнес-планов реализации принципов нанотехнологии в промышленной переработке молочного сырья на продукты функци­онального питания нового поколения – про,- пре- и синбиотики на основе научного, кадрового и информационно­го обеспечения национальных проектов в области образования, АПК и медици­ны (в условиях вступления нашей стра­ны с ВТО, интеграции в ЕЭС, адапта­ции системы ХАССП) [406].