Аналіз технологічного процесу одержання добавок дієтичних селен-білкових

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналіз технологічного процесу одержання добавок дієтичних селен-білкових

М.П. ГОЛОВКО, доктор технічних наук, професор;

Т.М. ГОЛОВКО, кандидат технічних наук, доцент;

В.Г. ПРИМЕНКО

(Харківський державний університет харчування та торгівлі)

Анотація. Метою дослідження є обґрунтування параметрів технологічного процесу виробництва добавок дієтичних селен-білкових (ДДСБ) «Сивоселен Плюс» та «Неоселен». Дослідження виконано за методикою титрування маточних розчинів дисульфідом натрію з подальшою обробкою отриманих результатів статистичними методами. Визначено оптимальні технологічні параметри синтезу ДДСБ «Сивоселен Плюс» та «Неоселен», збагачених на біоорганічні сполуки Бе та його наночастки. Установлено характер взаємодії між амінокислотними залишками сироваткових білків та аніонами селенових солей. Наведено аналіз кінетичних процесів під час одержання дієтичних добавок. Отримані в ході досліджень закономірності дозволили визначити оптимальні технологічні параметри синтезу ДДСБ «Сивоселен Плюс» та «Неоселен», збагачених на біоорганічні сполуки Бе та його наночастки. Під час одержання ДДСБ «Неоселен» та «Сивоселен Плюс» мають місце, переважно, окисно-відновні реакції між амінокислотними залишками сироваткових білків та аніонами селенових солей. Установлено, що 26,7% Бе в ході отримання ДДСБ виділяється в елементному стані. Ще 39% від загальної кількості №2Бе03 перетворюється на інші сполуки селену, відновлення яких триває до утворення селеноцистеїнсульфідів. Це додатково підтверджує можливість використання вищезазначених ДДСБ у технології оздоровчої продукції.

Ключові слова: добавка дієтична селен-білкова (ДДСБ), селен, амінокислота, білок.

Постановка проблеми в загальному вигляді та зв'язок із найважливішими науковими чи практичними завданнями. Макро- і мікроелементози спричиняють ряд дефіцитних станів організму людини. Особливе місце серед них займають Se-дефіцитні, ліквідація (або кореляція) яких може стати вирішальним фактором у подоланні ряду серцево-судинних, онкологічних хвороб тощо [1].

Нівелювання згубної дії регіонального гіпоселенозу на здоров'я людини можливе через використання дієтичних добавок або введення Se в харчові продукти підвищеного попиту [2]. Вони, як відомо, не є лікарськими препаратами й належать до безрецептурних профілактичних засобів, які дозволяють наситити організм дефіцитними елементами їжі й, тим самим, зміцнити здоров'я [3].

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Людині доцільно вживати продукти, що містять нетоксичні органічні форми Se: зернові та продукти їх переробки, горіхоплідні, продукти тваринництва тощо [4]. Але, беззаперечним є той факт, що ситуація Se-дефіциту в Україні та світі має тенденцію до погіршення саме за рахунок зменшення кількості мікроелементу у ґрунтах і, як наслідок, у продуктах рослинництва та тваринництва [5]. Тому, актуального значення набуває питання розробки технологій дієтичних добавок, збагачених на селен.

Більшість науковців уважають за краще застосовувати сполуки, максимально наближені за біосинтезом до Se-цистеїну е-метіоніну) з метою уникнення небажаних побічних реакцій, які неминучі під час багатостадійних синтезів (беруть початок від селенатів і селенітів) і загрожують акумулятивними ефектами [6-9].

Використання розроблених нами ДДСБ «Сивоселен Плюс» та «Неоселен» [10, 11] у технологіях соусів є досить інноваційним способом зменшення ймовірності виникнення селен-дефіцитних станів у мешканців селен-патогенних районів України. Тому, актуального значення набуває характер зв'язку Se з органікою молочної сироватки.

Формування цілей статті (постановка завдання). Метою дослідження є обґрунтування параметрів технологічного процесу виробництва ДДСБ «Сивоселен Плюс» та «Неоселен».

Виклад основного матеріалу дослідження з повним обґрунтуванням отриманих наукових результатів. Об'єкт дослідження - технологічний процес одержання добавок дієтичних селен-білкових. Предмет дослідження - добавки дієтичні селен-білкові. Методи дослідження: фізико-хімічні, методи математичної обробки з використанням комп'ютерних технологій.

Відповідно до технології одержання ДДСБ у якості носія Se-іонів було обрано такі селенові солі, як CaSeO4, №^е03.

Перспективними для безпечного введення до раціону людини є органічні сполуки Se (особливо ті, що поєднані із білком). Визнаним є також факт заміщення або сполучення Se із S-вмісними фрагментами білкових молекул. Тому, було вирішено поєднувати солі Se із середовищем, у якому міститиметься білок із достатньою кількістю цих фрагментів. Таким середовищем виявилася сироватка молочна (сирна). Склад сироваткових білків за фракціями наведено нижче (рис. 1).

Рис. 1. Фракціонування сироваткових білків [12]

добавка дієтичний селен білок

Р-лактоглобуліни та а-лактоальбуміни сироватки молока відрізняються підвищеним вмістом амінокислотних залишків Cys (5 і 8 залишків в одній послідовності відповідно) в порівнянні із казеїнами молока (1 залишок). У структурі Cys наявна тіольна група (^Н). Цей факт є сприятливим для отримання продукту з підвищеним умістом органічно зв'язаного селену.

Вибір сироватки як основного сировинного компонента також зумовлений її низькою вартістю, що матиме вплив і на кінцеву собівартість ДДСБ. Загальну характеристику основних фізико-хімічних властивостей сировинних інгредієнтів наведено в табл. 1, 2.

Таблиця 1

Порівняльна характеристика основних фізико-хімічних
властивостей селенових солей [13]

Таблиця 2

Порівняльна характеристика основних фізико-хімічних властивостей молока та молочної сироватки

Як видно з порівняльних табл. 1, 2, використання сироватки сирної для одержання ДДСБ з точки зору харчової та біологічної цінності є більш виправданим, ніж підсирної та казеїнової, і селеніту натрію - через ліпші хімічні властивості. Але, необхідно зазначити, що селенат кальцію дисоціюватиме на йони Са2+ та SeO42- у рідинному середовищі сироватки, тому передбачається наявність не тільки окисно-відновлювальних реакцій між SeO42- та білками сироватки, а й йонами Са2+. Цей аспект обумовлює розроблення двох технологій одержання ДДСБ з урахуванням властивостей інгредієнтів.

Згідно з табл. 1 досліджувані селенові солі мають різний ступінь розчинності у воді. Тож, пошук кількості поєднуваної сировини, дослідження часових параметрів одержання ДДСБ, можливих продуктів білок-сольових реакцій, їх безпечності для живих організмів, їх функціонально-технологічних властивостей тощо стають принципово важливими та актуальними.

Реакція між сироватковими білками й селеновими солями має місце бути. Доказом цьому слугує зміна кольору сироватко-сольового розчину: уже через 30 хв він червоніє. Такий колір може бути зумовлений продуктами окисно-відновних процесів, що призводять до виділення наночасток елементного Se0 з/або утворенням Se-білкових сполук.

Як відомо, глобулярні білки сироватки молока представлені, в основному, значною кількістю сірковмісних амінокислот: Cys, Cys- Cys, Met. S в останніх входить або в тіольну групу Cys-SH, яка здатна за наявності кислого середовища утворювати дисульфідні містки --S--S-- в Cys-Cys, або сполучатися з радикалом -СН^ як у залишках молекул Met (рис. 2).

Рис. 2. Структурна будова молекул: а - Cys, б - Cys-Cys, в - Met

S є досить потужним відновником у даних сполуках. Тоді, виникає припущення: S тіольних груп Cys окислюватиметься, відновлюючи Se, що входить у ряд неорганічних сполук, які використовються для синтезу Se-збагачених ДДСБ «Неоселен» і «Сивоселен Плюс»: Na2SeO3, CaSeO4. Найбільш імовірними продуктами взаємодії можуть бути структури, приведені на рис. 3.

На підтвердження вищесказаного було проведено дослідження маточного (сироватко-сольового) розчину ДДСБ титруванням на предмет виявлення кінетичної залежності під час їхнього одержання. Результати титрування наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Характеристика результатів титрування маточних розчинів ДДСБ

Із графіка (див. рис. 4) видно, що кінетична взаємодія була складною. Це може відображати декілька процесів, що проходять у такій системі. На початку реакції видно, що значна частина, наприклад №^еО3, швидко реагує з молочною сироваткою; потім реакція сповільнюється. Протягом першої доби кількість №^еО3 зменшується на 30 %, а протягом другої - ще на 9 %. Усього 39 % від загальної кількості №^еО3 перетворилося в інші сполуки селену.

Рис. 4. Кінетична крива залежності ступеня перетворення окисно-відновних реакцій

Лактоальбумін сироватки молока має функціональні групи, які виявляють достатньо сильні відновлювальні властивості, і під час взаємодії із №2Єе03 (потужним окисником) окислюються, утворюючи Cys-Cys. Цей факт наводить на іншу гіпотезу: молекулярний Se, що входить до №2Єе03, може відновлюватися під дією протеїнів сироватки молока до елементного Se0 (рис. 5).

Рис. 5. Відновлення Se (IV) до Se0 цистеїном лактоальбуміну

З даних, отриманих у ході попередніх до- результати титрування дозволили побудувати сліджень, в 1 г ДДСБ «Неоселен» та «Сиво- графіки характеристик кінетичних процесів селен Плюс» має міститися 3 мг Se. Отримані одержання ДДСБ (рис. 6).

Рис. 6. Графіки залежності кількості відновленого Se0 від часу вистоювання (набрякання): а - ДДСБ «Неоселен»; б - ДДСБ «Сивоселен Плюс»

Зі збільшенням часу нагрівання втрачається частина селенистої кислоти, що утворюється під час дисоціації селенових солей. Це пояснюється протіканням супутніх її реакцій із білковою частиною матриці ДДСБ і подальшим утворенням летких сполук S та Se.

Якщо взяти до уваги середні відтворювані значення, то можна припустити, що в 1 г ДДСБ2 знаходиться 0,8 мг жодним чином не зв'язаного чистого Se. Тобто 26,7 % Se в ході отримання ДДСБ виділилося в елементному стані. Структурні елементи Cys (БН-група, рис. 3 а) окислюються йонами натрієвих солей (Бе042-, SeO32- та Se2-) у кислому середовищі з утворенням Cys-Cys, що містить -Б-Б- місток. Відновлення селенових солей під дією Б2-, вірогідно, триває до утворення селеноцистеїн- сульфідів (рис. 7).

Рис. 7. Реакція відновлення селеніту залишками Cys з утворенням селеноцистеїнсульфіду

У результаті їх гідрогенолізу можуть утворюватися проміжні сполуки, що містять аніони Se2-. Останні з аденозинтрифосфатом (АТФ) дають селенофосфати, які, взаємодіючи із Ser, окислюють його до Se-Met [3].

За недостатньої кількості тіольних груп у білків молочної сироватки проявляються властивості до окислення. У такому випадку, для синтезу ДДСБ «Сивослен Плюс» виправданим є застосування селенатів (CaSeO4, Na2SeO4), що визначаються як більш сильні окисники. У результаті проходитиме тільки реакція соле- утворення (на кшталт реакцій, зображених на рис. 3 в, г).

Глобулярні білки мають у своєму складі радикали Lys, Arg, His, Glu та Asp, що містять функціональні групи, здатні до іонізації (йоногенні групи). Крім того, на N- і С-кінцях поліпептидних ланцюгів є а-аміно- і а-карбоксильна групи, також здатні до цього процесу. Сумарний заряд білкової молекули залежить від співвідношення іонізованих аніонних радикалів Glu і Asp і катіонних радикалів Lys, Arg, His [4]. Ступінь іонізації функціональних груп цих радикалів залежить від рН середовища. За рН розчину близько 7,0 всі йоногенні групи білка знаходяться в іонізованому стані. У кислому середовищі збільшення концентрації протонів (Н+) призводить до пригнічення дисоціації карбоксильних груп і зменшенню негативного заряду білків:

-СОО- + Н+ ^ -СООН

Слід відмітити наявність лужного середовища маточного розчину ДДСБ. У лужному середовищі зв'язування надлишку ОН- із протонами, що утворюються за дисоціації NH3+ з утворенням води, призводить до зменшення позитивного заряду білків:

-NH3+ +ОН- ^ -NH + H2O

Тобто, одним із вірогідних варіантів одержання Se-білкових систем є також адсорбція, що полягає в хімічних реакціях сорбата (розчини селенових солей) з речовиною поверхні сорбенту (глобулярні білки молочної сироватки), що мають місце завдяки утворенню буферного пулу.

Висновки із зазначених проблем і перспективи подальших досліджень у поданому напрямі. Отримані в ході досліджень закономірності дозволили визначити оптимальні технологічні параметри синтезу ДДСБ «Сивоселен Плюс» та «Неоселен», збагачених на біоорганічні сполуки Se та його наночастки. Під час одержання ДДСБ «Неоселен» та «Сивоселен Плюс» мають місце, переважно, окисно-відновлювальні реакції між амінокислотними залишками сироваткових білків та аніонами селенових солей. Установлено, що 26,7 % Se в ході отримання ДДСБ виділяється в елементному стані. Ще 39 % від загальної кількості Na^O3 перетворюється на інші сполуки селену, відновлення яких триває до утворення селеноцистеїнсульфідів. Це додатково підтверджує можливість використання вищезазначених ДДСБ у технології оздоровчої продукції.

Список використаних джерел

1. Гордієнко С. І. Онкологічні захворювання в Україні під пильною увагою громадськості [Електронний ресурс] / С. І. Гордієнко // Аптека-UA. -- 2014. -- № 929 (8). - Режим доступу: http://www. apteka.ua/artide/278390.html (дата звернення: 18.06.2018) - Назва з екрана.

2. Cadavid, A. S. (2014),Multicomponent quality control analysis for the tomato industry using portable mid-infrared (MIR) spectroscopy, The Ohio State University, 182 p.

3. Manios, S. G. (2014), A generic model for spoilage of acidic emulsifiedfoods: Combining physicochemical data, diversity and levels of specific spoilage organisms / Manios, S. G., Lambert, R. J. W., Skandamis, P. N. // International Journal of Food Microbiology, Vol. 170, pp. 1-11.

4. Perali, F. (2003) The behavioral and welfare analysis of consumption, Springer Science + Business Media, Columbia, 1123 p.

5. Цимбаліста Н. В. Гігієнічна оцінка рівнів споживання основних груп харчових продуктів населенням України / Н. В. Цимбаліста // Укр. наук.-мед. молод. журн. - 2008. - № 1-2. - С. 33-36.

6. Макарнікова Л. А. Дефіцит селену та шляхи його корекції в організмі людини / Л. А. Макарнікова, Л. А. Шигіна, Г А. Го- реликова // Пиво та напої. - 2005. - №1. - С. 34-36.

7. Erbersdobler, H. F. Summarising lecture and prospectsforfuture research and development, Functional Foods-Challenges for the New Millenium, pp. 323-325.

8. Sunde, R. A. (1990) Molecular biology of selenoproteins / Sunde R. A. // Annu. Rev. Nutr. - Vol. 10. - pp. 451-474.

9. (2011), Optimization of coagulation-flocculation process for wastewater derived from sauce manufacturing using factorial design of experiments / Martin M. A., Gonzalez I., Berrios M., Siles J. A., Martin A. Chemical Engineering Journal - Vol. 172 - pp. 771-782.

10. Пат. на корисну модель № 99720 Україна, МПК А 23 J 1/20, А 61 К 31/095. Спосіб одержання біологічно активної добавки «Сивоселен Плюс» / Черевко О. І. (Україна), Головко М. П. (Україна), Примен- ко В. Г (Україна), Головко Т. М. (Україна). - № 201411482; заявл. 21.10.2014; опубл. 25.06.2015. - Бюл. № 12.

11. Пат. на корисну модель № 104883 Україна, МПК А 23 J 1/20, А 61 К 31/095. Спосіб одержання біологічно активної добавки «Неоселен»/ Черевко О. І. (Україна), Головко М. П. (Україна), Применко В. Г. (Україна), Головко Т. М. (Україна). - № 201507794; Заявл. 05.08.2015; Опубл. 25.02.2016. - Бюл. № 4.

12. Дідух Г В. Отримання мікропартикуляту з концентрату білків молочної сироватки / Г. В. Дідух // Хімія харчових продуктів і матеріалів. Нові види сировини : харчова наука і технологія. - 2015. - № 2(31). - С. 52-56.

13. The selenocysteine-specific elongation factor contains a novel and multi-functional domain / Gonzalez-Flores J. N., Gupta N., DeMong L. W., Copeland P. R. // Journal of Biological Chemistry. - 2012 - Vol. 87(46). - p. 38936-38945.

References

1. Gordienko, S. (2014). Onkologichni zaxvo- ryuvannya v Ukrayini pid pylnoyu uvagoyu gromadskosti. Apteka.uA, Vol. 929 (8). Available: http://www.apteka.ua/article/278390.html.

2. Cadavid, A. S. (2014). Multicomponent quality control analysis for the tomato industry using portable mid-infrared (MIR) spectroscopy, The Ohio State University, 182.

3. Manios, S. G., Lambert, R. J. W., Skandamis, P N. (2014). A generic model for spoilage of acidic emulsified foods: Combining physicochemical data, diversity and levels of specific spoilage organisms. International Journal of Food Microbiology, Vol. 170, 1-11.

4. Perali, F. (2003). The behavioral and welfare analysis of consumption. Springer Science + Business Media, Columbia, 1123 p.

5. Cy'mbalista, N. V (2008). Gigiyenichna ocinka rivniv spozhy'vannya osnovny'x grup xarchovy'x produktiv naselennyam Ukrayiny. Ukr. nauk.-med. molod. zhurn., Vol. 1-2, 33-36.

6. Makarnikova, L. A., Shy'gina, L. A., Gore- ly'kova, G. A. (2005). Deficyt selenu ta shlyaxy jogo korekciyi v organizmi lyudyny. Pyvo ta napoyi, Vol. 1, 34-36.

7. Erbersdobler, H. F. Summarising lecture and prospects for future research and development. Functional Foods-Challenges for the New Millenium, 323-325.

8. Sunde, R. A. (1990). Molecular biology of selenoproteins. Annu. Rev. Nutr., Vol. 10, 451-474.

9. Martin, M. A., Gonzalez, I., Berrios, M., Siles, J. A., Martin, A. (2011). Optimization of coagulation-flocculation process for wastewater derived from sauce manufacturing using factorial design of experiments. Chemical Engineering Journal, Vol. 172, 771-782.

10. Cherevko, O. I., Golovko M. P., Pry- menko V G., Golovko T. M. Sposib oder- zhannya biologichno akty'vnoyi dobavky' “Sy'voselen Plyus”. Pat. 99720 Ua, MPK A 23 J 1/20, A 61 K 31/095. 201411482; zayavl. 21.10.2014; opubl. 25.06.2015. - Bul. 12.

11. Cherevko O. I., Golovko M. P, Pry'menko V G., Golovko T. M. Sposib oderzhannya biologichno akty'vnoyi dobavky' “Neoselen”. Pat. na kory'snu model 104883 Ua, MPK A 23 J 1/20, A 61 K 31/095. 201507794; zayavl. 05.08.2015; opubl. 25.02.2016. - Bul. 4.

12. Didux, G. V (2015) Otrymannya mikro- partykulyatu z koncentratu bilkiv molochnoyi syrovatky. Xarchova nauka i texnologiya, Vol. 2(31), 52-56.

13. Gonzalez-Flores, J. N., Gupta, N., DeMong, L. W., Copeland, P. R. (2012). The selenocysteine- specific elongation factor contains a novel and multi-functional domain. Journal of Biological Chemistry, Vol. 287(46), 38936-38945.

Н.П. Головко, доктор технических наук, профессор; Т.Н. Головко, кандидат технических наук, доцент; В.Г. Применко (Харьковский государственный университет питания и торговли). Анализ технологического процесса получения добавок диетических селенбелковых.

Аннотация. Целью исследования является обоснование параметров технологического процесса производства добавок диетических селен-белковых (ДДСБ) «Сивоселен Плюс» и ««Неоселен». Исследование выполнено по методике титрования маточных растворов дисульфидом натрия с последующей обработкой полученных результатов статистическими методами. Определены оптимальные технологические параметры синтеза ДДСБ ««Сивоселен Плюс» и ««Неоселен», обогащенных на биоорганические соединения Se и его наночастицы. Установлен характер взаимодействия между аминокислотными остатками сывороточных белков и анионами селеновых солей. Приведен анализ кинетических процессов при получении диетических добавок. Полученные в ходе исследований закономерности позволили определить оптимальные технологические параметры синтеза ДДСБ «Сивоселен Плюс» и ««Неоселен», обогащенных биоорганическими соединениями Se и его наночастицами. При получении ДДСБ ««Неоселен» и ««Сивоселен Плюс» имеют место преимущественно окислительно-восстановительные реакции между аминокислотными остатками сывороточных белков и анионами селеновых солей. Определено, что 26,7 % Se в ходе получения ДДСБ выделяется в элементном состоянии. Еще 39 % от общего количества Na2SеO3 превращается в другие соединения селена, восстановление которых продолжается до образования селеноцистеинсульфидов. Это дополнительно подтверждает возможность использования вышеупомянутых ДДСБ в технологии оздоровительной продукции.

Ключевые слова: добавка диетическая селен-белковая (ДДСБ), селен, аминокислота, белок, получение, технология.

M. Нolovko, Dc. Tech. Sci., Professor; T. Нolovko, PhD, Associate Professor; V Prymenko (Kharkov State University of Food Technology and Trade). The analysis of technological process of obtaining the selenium-protein dietary additives.

Annotation. Macro- and microelementozes cause a number of scarce conditions of the human body. A special place among them belongs to Se-scarce. The leveling of the detrimental effects of regional hypozilosis on human health is possible through the use of dietary supplements or the introduction of Se into high-demand foods. The development of technologies for dietary supplements enriched with selenium acquires actual value. The use of SPDA “Syvoselen Plus” and “Neoselen” in sauces is a very innovative way to reduce the probability of selenium deficiency in Ukrainian selenium- pathogenic regions. Therefore, the nature of the Se connection with whey proteins becomes relevant. The aim of the study is to substantiate the parameters of the technological process of production of the SPDA “Syvoselen Plus” and “Neoselen”. The study was performed according to the method of titration of mother solutions of dietary selenium-protein supplements by disodium sodium disulfide with subsequent processing of the obtained results by statistical methods. It was decided to combine Se salts with a ground that contained a proteins with a sufficient number of SH-fragments. The milk serum was the same medium. It was found that there would be a place for oxidation-reduction processes. In support of the foregoing, the study of serum-salt solution of SPDA was carried out by titration for the purpose of detecting the kinetic dependence during their receipt. Na2SeO3 reacts quickly with milk whey; then the reaction is slowed down. During the first day, the amount of Na2SeO3 decreases by 30 %, and during the second - by 9 %. A total of 39 % of the total Na2SeO3 was converted into other selenium compounds. Milk whey lactoalbumin has functional groups that exhibit sufficiently strong restorative properties and, when used in conjunction with Na2SeO3 (a powerful oxidant), are oxidized to form Cys-Cys. This fact leads to another hypothesis: the molecular Se, which is part of Na2SeO,, can be restored under the action of milk serum proteins to the elemental Se0. 26,7 % of Se in the course of obtaining the SPDA was allocated in the elemental state. Structural Cys elements are oxidized with sodium salts (SeO42-, SeO32-) in an acidic medium to form a Cys-Cys containing -S-S-bridge. The advantages of the use of additives in terms of physiological usefulness and production technology are given. The possibility of using the dietary supplements “Syvoselen Plus” and “Neoselen” in emulsion sauces' technologies is confirmed. One of the probable variants of obtaining Se-protein systems is also adsorption. The optimum technological parameters of dietary selenium-protein “Syvoselen Plus”. The nature of the interaction between the amino acid residues of serum proteins and selenium salts anions has been established. The analysis of kinetic processes during reception of dietary supplements is given.

Keywords: selenium-protein dietary additive (SPDA), selenium, amino acid.

Размещено на Allbest.ru