Технологические решения при получении обогащённой витамином В12 молочной сыворотки
УДК 637.344
Технологические решения при получении обогащённой витамином В12 молочной сыворотки
Шершенков Б.С.
shersh-brain@mail.ru
Сучкова Е.П.
silena07@bk.ru
Институт Холода и Биотехнологий НИУ ИТМО
Одной из основных проблем современной молочной промышленности попрежнему остаётся переработка молочной сыворотки. В работе рассматриваются вопросы реализации процесса направленного микробного синтеза витамина В12 на сгущенной молочной сыворотке, позволяющего с минимальными затратами производить обогащённые функциональными компонентами продукты для лечебного и специального питания. Ключевые слова: молочная сыворотка, витамин В12, ультразвуковая обработка.
Молочная сыворотка образуется как побочный продукт при изготовлении сыров и творога и получении казеина и казеинатов, при этом её объём составляет около 80% от массы исходного сырья [3]. Темпы роста производства сыворотки значительно превышают темпы её переработки, поэтому настоящее время объёмы молочной сыворотки, не подвергающейся утилизации, попрежнему очень значительны и составляют 75-78% от общего объёма выработки.
В настоящее время на первый план выходят биотехнологии глубокой переработки сыворотки и её компонентов, из которых наибольший интерес представляет направленный микробиологический синтез комплексных высокомолекулярных соединений [3,4], позволяющий с минимальными затратами обогащать функциональными компонентами продукты на основе молочной сыворотки для лечебного питания и удовлетворения потребности человека в определённых полезных веществах.
Примером может служить витамин В12 – группа кобальтсодержащих биологически-активных корриноидов, известных как кобаламины, участвующих в различных биокаталитических реакциях организма [2]. В природе они синтезируется исключительно микроорганизмами и содержатся только в пище животного происхождения, поэтому зачастую в рационе может наблюдаться недостаток этих соединений, который приводит к различным заболеваниям.
Направленный химический синтез витамина В12 отличается сложностью и затратностью, поэтому в промышленных условиях его получают исключительно биосинтетическим путем.
С помощью специальных штаммов пропионовокислых бактерий Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii, синтезирующих высокоактивный витамин В12 и хорошо сбраживающих лактозу, на молочных предприятиях может быть налажено производство различных обогащённых витамином В12 продуктов на основе молочной сыворотки [4].
При этом с целью экономии производственных площадей и времени обработки возможно использование для сбраживания концентрированной молочной сыворотки.
При определении оптимальных значений концентрации сухих веществ в сгущенной сыворотке по показателю активности воды (не менее 0,98), что позволит осуществлять направленный синтез витамина В12 пропионовокислыми бактериями в благоприятных условиях, нами было проведено исследование подготовленных образцов. Был определен оптимальный диапазон концентрации сухих веществ в сыворотке, предельный уровень которых составил 15%. (Рис. 1).
Рис1. График зависимости среднего значения активности воды от количества сухих веществ в образце
Синтез витамина на молочной сыворотке по известной методике [4], дал сравнительно невысокие результаты культивирования – содержание витамина колебалось от 5,97 до 6,03 мг/л среды [5]. Кроме того такой метод микробиологического получения витамина требует длительного многоступенчатого процесса синтеза витамина, высокотемпературной обработки клеточной суспензии для его высвобождения, а также использования для стабилизации и экстракции витамина таких опасных и токсичных веществ, как цианиды и фенол, применение которых на пищевом предприятии недопустимо.
Технологической альтернативой этим методам может служить применение ультразвуковой обработки клеточной суспензии. Ультразвук – это упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 15-20 КГц и до 1 ГГц, оказывающие сильное воздействие на биологические системы вследствие явления кавитации [1]. В недавнее время ультразвук использовался лишь в нескольких биотехнологических процессах, например с целью разрушения
клеток для высвобождения внутриклеточных ферментов и органелл. В настоящее время известно, что ультразвук способен ускорять обмен между клетками и питательной средой, уменьшать длительность ферментного гидролиза и поддерживать активность некоторых ферментов, что позволяет увеличить эффективность множества ферментационных процессов [1].
Эффекты ультразвуковой обработки одной частоты и интенсивности различаются для разных видов бактерий вследствие различий в их строении и размерах. Исходя из этого для работы с пропионовокислыми бактериями нами была выбрана частота в 20 КГц, так как известно, что обработка ультразвуком этой частоты увеличивает скорость роста и выход биомассы цианобактерий, близких к ним по размерам и строению, а также эта частота используется для активизации процессов брожения.
При увеличении интенсивности звукового облучения можно добиться разрушения клеток и высвобождения внутриклеточных веществ, что может использоваться вместо тепловой деструкции и как более щадящий режим позволяет избежать стадии стабилизации витамина цианистыми соединениями. Для этой цели оптимально использовать частоту в 20 КГц, так как это позволяет использовать одну установку с постоянным генератором ультразвука, а также вследствие того, что ультразвук более высокой частоты может вызывать инактивацию высокомолекулярных биологически активных веществ [1], к которым относится витамин В12.
Согласно вышеприведённым данным была спроектирована и собрана на базе лаборатории пищевой биотехнологии на кафедре ТМиПБТ культивационная установка (Рис. 2):
Рис. 2. Культивационная установка с применением ультразвуковой обработки 1. Воздушный компрессор для аэрации среды 2. Клапан для регулировки подачи воздуха 3. Воздухораспределитель с водным фильтром 4. Пеногасительные воронки 5. Колбы с питательной средой 6. Аэрирующе-перемешивающие устройства 7. Водяной термостат 8. Генератор звуковой ГЗ-34, динамический диапазон 20-20000 Гц 9. Пьезодинамики, динамический диапазон 20-20000 Гц
Применение установки данной конструкции позволит проводить ультразвуковую обработку клеточной суспензии, находящейся в колбах, различной длительности и интенсивности на различных этапах синтеза витамина и исследовать влияние ультразвука частотой до 20 КГц на накопление клеточной массы и метаболическую активность при развитии пропионовокислых бактерий на питательных средах на основе сгущенной молочной сыворотки. Это в дальнейшем позволит повысить эффективность и рентабельность процесса синтеза витамина В12 и получения обогащённой витамином молочной сыворотки для дальнейшего использования в качестве биологически активной пищевой добавки.
Список литературы 1. Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с
биологическими объектами: Учеб. пособие / Под ред. С. И. Щукина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 224 с. 2. Беликов В.Г. Фармацевтическая химия. В 2 ч.: Учебн. пособие. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: МЕДпресс-информ, 2007. – 624 с. 3. Евдокимов И.А., Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Современное состояние переработки молочной сыворотки. /Молочная промышленность, №11, 2008, с.36-40 4. Залашко М.В. Биотехнология переработки молочной сыворотки. – М.: Агропромиздат, 1990. - 192 с. 5. Шершенков Б.С. Производство витаминизированных продуктов на основе молочной сыворотки. – Сборник трудов молодых учёных. Ч. I: Сб. тр., с. 3-6. – СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. - 89 с. 6. Timothy J. Mason, John Philipp Lorimer. Applied sonochemistry: Uses of Power Ultrasound in chemistry and processing. – Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. – 2002
Technical decisions in laboratory-scale production of milk whey enriched by B12 vitamin.
Shershenkov B.S.
shersh-brain@mail.ru
Suchkova E. P.
silena07@bk.ru Institute of Refrigeration and Biotechnologies NRU ITMO
One of the most important dairy industry present-day problems is still the milk whey utilization. This study discusses problems of realization of the B12 vitamin direct microbial synthesis process on the condensed milk whey, which allow to produce food products enriched by the functional components for medical and special nutrition with minimal costs. Key words: milk whey, B12 vitamin, ultrasound treatment.
Технологические решения при получении обогащённой витамином В12 молочной сыворотки
Шершенков Б.С.
shersh-brain@mail.ru
Сучкова Е.П.
silena07@bk.ru
Институт Холода и Биотехнологий НИУ ИТМО
Одной из основных проблем современной молочной промышленности попрежнему остаётся переработка молочной сыворотки. В работе рассматриваются вопросы реализации процесса направленного микробного синтеза витамина В12 на сгущенной молочной сыворотке, позволяющего с минимальными затратами производить обогащённые функциональными компонентами продукты для лечебного и специального питания. Ключевые слова: молочная сыворотка, витамин В12, ультразвуковая обработка.
Молочная сыворотка образуется как побочный продукт при изготовлении сыров и творога и получении казеина и казеинатов, при этом её объём составляет около 80% от массы исходного сырья [3]. Темпы роста производства сыворотки значительно превышают темпы её переработки, поэтому настоящее время объёмы молочной сыворотки, не подвергающейся утилизации, попрежнему очень значительны и составляют 75-78% от общего объёма выработки.
В настоящее время на первый план выходят биотехнологии глубокой переработки сыворотки и её компонентов, из которых наибольший интерес представляет направленный микробиологический синтез комплексных высокомолекулярных соединений [3,4], позволяющий с минимальными затратами обогащать функциональными компонентами продукты на основе молочной сыворотки для лечебного питания и удовлетворения потребности человека в определённых полезных веществах.
Примером может служить витамин В12 – группа кобальтсодержащих биологически-активных корриноидов, известных как кобаламины, участвующих в различных биокаталитических реакциях организма [2]. В природе они синтезируется исключительно микроорганизмами и содержатся только в пище животного происхождения, поэтому зачастую в рационе может наблюдаться недостаток этих соединений, который приводит к различным заболеваниям.
Направленный химический синтез витамина В12 отличается сложностью и затратностью, поэтому в промышленных условиях его получают исключительно биосинтетическим путем.
С помощью специальных штаммов пропионовокислых бактерий Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii, синтезирующих высокоактивный витамин В12 и хорошо сбраживающих лактозу, на молочных предприятиях может быть налажено производство различных обогащённых витамином В12 продуктов на основе молочной сыворотки [4].
При этом с целью экономии производственных площадей и времени обработки возможно использование для сбраживания концентрированной молочной сыворотки.
При определении оптимальных значений концентрации сухих веществ в сгущенной сыворотке по показателю активности воды (не менее 0,98), что позволит осуществлять направленный синтез витамина В12 пропионовокислыми бактериями в благоприятных условиях, нами было проведено исследование подготовленных образцов. Был определен оптимальный диапазон концентрации сухих веществ в сыворотке, предельный уровень которых составил 15%. (Рис. 1).
Рис1. График зависимости среднего значения активности воды от количества сухих веществ в образце
Синтез витамина на молочной сыворотке по известной методике [4], дал сравнительно невысокие результаты культивирования – содержание витамина колебалось от 5,97 до 6,03 мг/л среды [5]. Кроме того такой метод микробиологического получения витамина требует длительного многоступенчатого процесса синтеза витамина, высокотемпературной обработки клеточной суспензии для его высвобождения, а также использования для стабилизации и экстракции витамина таких опасных и токсичных веществ, как цианиды и фенол, применение которых на пищевом предприятии недопустимо.
Технологической альтернативой этим методам может служить применение ультразвуковой обработки клеточной суспензии. Ультразвук – это упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 15-20 КГц и до 1 ГГц, оказывающие сильное воздействие на биологические системы вследствие явления кавитации [1]. В недавнее время ультразвук использовался лишь в нескольких биотехнологических процессах, например с целью разрушения
клеток для высвобождения внутриклеточных ферментов и органелл. В настоящее время известно, что ультразвук способен ускорять обмен между клетками и питательной средой, уменьшать длительность ферментного гидролиза и поддерживать активность некоторых ферментов, что позволяет увеличить эффективность множества ферментационных процессов [1].
Эффекты ультразвуковой обработки одной частоты и интенсивности различаются для разных видов бактерий вследствие различий в их строении и размерах. Исходя из этого для работы с пропионовокислыми бактериями нами была выбрана частота в 20 КГц, так как известно, что обработка ультразвуком этой частоты увеличивает скорость роста и выход биомассы цианобактерий, близких к ним по размерам и строению, а также эта частота используется для активизации процессов брожения.
При увеличении интенсивности звукового облучения можно добиться разрушения клеток и высвобождения внутриклеточных веществ, что может использоваться вместо тепловой деструкции и как более щадящий режим позволяет избежать стадии стабилизации витамина цианистыми соединениями. Для этой цели оптимально использовать частоту в 20 КГц, так как это позволяет использовать одну установку с постоянным генератором ультразвука, а также вследствие того, что ультразвук более высокой частоты может вызывать инактивацию высокомолекулярных биологически активных веществ [1], к которым относится витамин В12.
Согласно вышеприведённым данным была спроектирована и собрана на базе лаборатории пищевой биотехнологии на кафедре ТМиПБТ культивационная установка (Рис. 2):
Рис. 2. Культивационная установка с применением ультразвуковой обработки 1. Воздушный компрессор для аэрации среды 2. Клапан для регулировки подачи воздуха 3. Воздухораспределитель с водным фильтром 4. Пеногасительные воронки 5. Колбы с питательной средой 6. Аэрирующе-перемешивающие устройства 7. Водяной термостат 8. Генератор звуковой ГЗ-34, динамический диапазон 20-20000 Гц 9. Пьезодинамики, динамический диапазон 20-20000 Гц
Применение установки данной конструкции позволит проводить ультразвуковую обработку клеточной суспензии, находящейся в колбах, различной длительности и интенсивности на различных этапах синтеза витамина и исследовать влияние ультразвука частотой до 20 КГц на накопление клеточной массы и метаболическую активность при развитии пропионовокислых бактерий на питательных средах на основе сгущенной молочной сыворотки. Это в дальнейшем позволит повысить эффективность и рентабельность процесса синтеза витамина В12 и получения обогащённой витамином молочной сыворотки для дальнейшего использования в качестве биологически активной пищевой добавки.
Список литературы 1. Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с
биологическими объектами: Учеб. пособие / Под ред. С. И. Щукина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 224 с. 2. Беликов В.Г. Фармацевтическая химия. В 2 ч.: Учебн. пособие. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: МЕДпресс-информ, 2007. – 624 с. 3. Евдокимов И.А., Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Современное состояние переработки молочной сыворотки. /Молочная промышленность, №11, 2008, с.36-40 4. Залашко М.В. Биотехнология переработки молочной сыворотки. – М.: Агропромиздат, 1990. - 192 с. 5. Шершенков Б.С. Производство витаминизированных продуктов на основе молочной сыворотки. – Сборник трудов молодых учёных. Ч. I: Сб. тр., с. 3-6. – СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. - 89 с. 6. Timothy J. Mason, John Philipp Lorimer. Applied sonochemistry: Uses of Power Ultrasound in chemistry and processing. – Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. – 2002
Technical decisions in laboratory-scale production of milk whey enriched by B12 vitamin.
Shershenkov B.S.
shersh-brain@mail.ru
Suchkova E. P.
silena07@bk.ru Institute of Refrigeration and Biotechnologies NRU ITMO
One of the most important dairy industry present-day problems is still the milk whey utilization. This study discusses problems of realization of the B12 vitamin direct microbial synthesis process on the condensed milk whey, which allow to produce food products enriched by the functional components for medical and special nutrition with minimal costs. Key words: milk whey, B12 vitamin, ultrasound treatment.