Изменение аминокислотного состава молока при стерилизации бета-излучением

УДК 637.03

Кривоногова А.С., Баранова А.А., Моисеева К.В., Кривоногов П.С., Молокова Н.Б.
ФГБОУ ВПО "Уральский государственный аграрный университет", г. Екатеринбург
Исаева А.Г. ФГБНУ Уральский НИВИ РАСХН, г. Екатеринбург
Мочульская Н.Н., Супонькина А.Н., Войнов В.С. ФГАОУВПО "УрФУ имени
первого Президента России Б. Н. Ельцина", г. Екатеринбург

Актуальность темы. В настоящее время проблема производства качественных продуктов питания стала особенно актуальной в связи с внешнеполитическими условиями. В условиях запрета ввоза в Российскую Федерацию сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия в соответствии с Указом Президента РФ от 06.08.2014 г. обострились проблемы импортозаме-щения основных продовольственных товаров (мясо, молоко, овощи, фрукты) [2]. Ввоз продовольствия из-за рубежа ограничен, и отечественные производители вынуждены не только увеличивать объем продукции, но и повышать её качество. Техническое регулирование в области продовольствия товаров осуществляется на основе технических регламентов Таможенного союза (Беларусь, Казахстан, Россия) [3].

Законодательно определены требования, предъявляемые к продуктам животноводства, и соответствие этим требованиям является условием выхода продукции на внутренний рынок и рынок стран Таможенного союза. Соблюдение норм технических регламентов - гарантия качества и безопасности продукции животноводства [3]. В животноводческом секторе оптимизация производства биологически безопасных продуктов питания, соответствующих стандартам качества требует внедрения новых технологий и методов на всех этапах: от выведения новых пород животных и производства кормов до изготовления готовой молочной, мясной и другой продукции. Проводить генетическое улучшение показателей воспроизводства животных сложно, так как они имеют низкий уровень наследственности и определяются преимущественно разными по силе влияния факторами внешней среды [7]. К факторам внешней среды, затрудняющим получение биологически безопасной продукции высокого качества, можно отнести неблагоприятное экологическое состояние районов, в которых расположены животноводческие хозяйства. В промышленных регионах, а также в областях, входящих так называемую "Зону рискованного земледелия", фермерам приходится сталкиваться с рядом трудностей, вызванных техногенным загрязнением биоресурсов либо климатическими особенностями местности, что приводит к обеднению кормов, накоплению в них вредных веществ, возрастанию адаптационной нагрузки, ухудшению здоровья животных, и, в конечном итоге, снижению качества получаемой мясной и молочной продукции. Проведенные исследования по изучению состояния крупного рогатого скота в разных экологических зонах показали, что адаптационный резерв у животных достаточно высок, о чем свидетельствует высокий уровень продуктивности и показатели воспроизводства. В процессе адаптации животных к сложившимся экологическим условиям в первую очередь происходит ряд общих изменений, проявляющихся угнетением гемо-поэза, иммуносупрессией, нарушением белкового обмена [8]. Эти изменения влияют на белковый и аминокислотный состав получаемого молока. Еще один фактор, значительно снижающий шансы животноводческого предприятия на производство качественного молока - устаревшие технологии и требующее модернизации оборудование. Известно, что использование аппаратов машинного доения и полностью автоматизированных современных доильных залов и систем сбора и хранения молока на ферме уменьшает контаминацию молока патогенной и условно-патогенной микрофлорой, увеличивая тем самым срок его хранения. И наоборот, загрязнение сырого молока микроорганизмами ведет к потере качества молока, снижает его ценность как сырья для производства кисломолочных продуктов, сыров, детского питания и прочих видов молочных продуктов [6]. В настоящее время проблема обеззараживания молока решается с помощью пастеризации, ультрапастеризации и стерилизации. Используются различные методы и способы, основанные на физических процессах - воздействие высокой температурой, чередование высокой и низкой температуры, облучение ультрафиолетом, ультразвуковая обработка, радиационная пастеризация и стерилизация. Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее широко применяется ультрапастеризация, как метод, позволяющий уничтожить споры и вегетативные формы микроорганизмов, но сохранить основные питательные вещества в молоке. Тем не менее, многие составляющие молока при кратковременном нагреве до 140"C и последующем резком охлаждении разрушаются, в результате чего снижается пищевая ценность. Еще один недостаток ультрапастеризации - невозможность обработки молока в закрытой таре, требуется дальнейший разлив в асептических условиях в стерильную тару, что усложняет технологический процесс. В настоящее время все большее применение находят альтернативные методы обработки молока: воздействие лучистой энергии в разных диапазонах (инфракрасное, ультрафиолетовое, ионизирующее излучение). Применение ионизирующей радиации имеет ряд преимуществ перед тепловой стерилизацией. При стерилизации с помощью ионизирующего излучения температура стерилизуемого объекта поднимается незначительно, в связи с чем такие методы называют холодной стерилизацией [13]. Радиационный метод широко применяется для обработки термолабильных пищевых продуктов. Его действие основано на специфичном повреждении структур и нарушении биохимических процессов в микробной клетке. Способность излучения с высокой энергией разрушать микроорганизмы без заметного повышения температуры основного вещества особенно актуальна для стерилизации медикаментов, различных сложных биологических веществ и пищевых продуктов, особенно при длительном хранении. Применительно к радиационной обработке продукции МАГАТЭ предложены специальные термины: радисидация (4-6 кГр), радуризация (6-10 кГр) и радаппертизация (10-50 кГр) [11]. На современном этапе научных исследований к приоритетным задачам следует отнести оценку влияния на качество облученной продукции материалов упаковки [12,15, 17], а также ряда органических токсических веществ, поступающих в продукты питания вследствие техногенного загрязнения окружающей среды и последующей миграции веществ по трофическим цепям [5, 9, 10, 14, 16]. К критериям оценки качества молока относятся чистота, жирность, плотность, содержание белков, количество соматических клеток, бактериальная обсемененность, наличие патогенных микроорганизмов, кислотность, содержание вредных примесей (пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды, афлатоксины), а так же органолептическая оценка [4]. Кроме того, большое значение имеют содержание в молоке аскорбиновой кислоты, аминокислот доля незаменимых аминокислот и показатели сыропригодности. Радиационная обработка молока позволяет уменьшить количество микроорганизмов до уровня, когда они не обнаруживаются с помощью стандартных методик, но сохранность ценных питательных веществ требует дальнейшего изучения. Аминокислотный состав молока играет большую роль в пищевой ценности самого молока и производимых из него продуктов. Особенно важны незаменимые аминокислоты, которые не образуются в организме человека - валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин; для детей незаменимыми также являются аргинин и гистидин. При обязательной в технологическом цикле температурной обработке молока белки подвергаются частичному разрушению. В зависимости от условий тепловой обработки степень деструкции нативных полипептидов достигает 15-27% для коровьего молока. Режим, обеспечивающий максимально возможную сохранность полипептидных фракций молока, соответствует 76"С в течение 5 мин [1]. Исследование содержания полипептидов и аминокислот в молоке, стерилизованном радиационным методом, представляется интересным для оценки эффективности данной группы методов.

Цель исследований - оценка содержания аминокислот в молоке, подвергнутом радиационной обработке пучком ускоренных электронов в стерилизующей дозе 10 кГр.

Задачи исследований. Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Оценить аминокислотный состав молока, подвергнутого раду-ризации пучком ускоренных электронов, при поглощенной дозе 10 кГр.
2. Изучить бактериальную обсемененность радиационно-обработанного молока для оценки стерилизующего эффекта данной дозы.

Материалы и методы исследований. В качестве объекта изучения было выбрано сырое коровье молоко. Пробы молока отбирали на трех молочно-товарных фермах из молочного танка после утреннего доения, затем в асептических условиях разливали в стерильную полистироловую тару и транспортировали в термосе при температуре +4"С. Радуризация осуществлялась на линейном ускорителе электронов УЭЛР-10-10С2, предназначенном для радиационной стерилизации продуктов питания, медицинских изделий и других объектов. Опытные пробы подвергались однократному воздействию импульсного бета-излучения с максимальной энергией не более 10 МэВ, длительность импульса 1,7 10*-5 с, расчетная поглощенная доза составляла 10 кГр, экспериментальная 9,5-10,2 кГр. Контрольные пробы облучению не подвергались, но находились в тех же условиях, что и опытные. Далее пробы молока исследовали в аккредитованной лаборатории, проводился микробиологический и химический анализ. Бактериальную обсемененность оценивали по показателю КМАФАнМ (количество мезофильной аэробной и факультативно анаэробной микрофлоры). КМАФАнМ определяли в соответствии с ГОСТ Р 53430-2009 методом редуктазной пробы с резазурином.Содержание аминокислот определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Статистическая обработка данных проводилась с использованием программы Microsoft Excel.

Результаты исследований. При проведении аминокислотного анализа молока выявлена тенденция к увеличению содержания большинства аминокислот в образцах, подвергнутых радиационной обработке. Так, отмечается заметное повышение содержания таких аминокислот как аспарагиновая и глутаминовые кислоты, аланин, пролин, изолейцин, цистеин. В меньшей степени увеличилось процентное содержание серина, гистидина, треонина, пролина, тирозина, валина, лейцина и лизина. Статистически значимого повышения содержания в молоке триптофана, фенилаланина и оксипролина не установлено.

Таблица 1. Содержание аминокислот в пробах молока после радуризации

Как видно из таблицы 1, в большинстве проб изменения количества глицина, метионина и аргинина не выходили за рамки значений погрешности метода.

Рис. 1. Содержание аминокислот в молоке после воздействия бета-излучением

В молоке, подвергнутом радиационной обработке, увеличилось содержание незаменимых аминокислот (рисунок 1, 2), в том числе, наблюдали повышение количества гистидина, являющегося незаменимой аминокислотой для детей. Содержание аргинина в среднем не изменилось. Заметная тенденция к увеличению содержания аминокислот в молоке, обработанном бета-излучением в дозе около 10 кГр, вероятно, связана с частичной деструкцией полипептидов и крупных белковых молекул под воздействием потока электронов высокой энергии. В целом увеличение содержания большинства аминокислот в том числе незаменимых, повышает биодоступность и придает молоку диетические качества, так как усвоение аминокислот в желудочнокишечном тракте происходит значительно быстрее и легче, чем усвоение высокомолекулярных пептидов и крупных белковых молекул

Рис. 2. Содержание незаменимых аминокислот в молоке после радуризации

Исследование бактериальной обсемененности молока показало, что значение КМАФАнМ в пробах, облученных импульсным электронным пучком в дозе 9,7-10,2 кГр не превышало 1*102 КОЕ/г, при нормативном значении для молока высшего сорта КОЕ не более 1*105 в грамме. Таким образом, радуризация молока бета-излучени-емв дозе 10 кГр и более обеспечивает микробную обсемененность молока науровне, соответствующем молоку высшего качества.

Заключение. Современные стандарты качества, предъявляемые к сельхозпроизводителям, требуют поиска и внедрения новых технологий производства и переработки молока и молочной продукции.

В настоящее время все шире применяются альтернативные методы пастеризации и стерилизации молока, обеспечивающие его микробиологическую безопасность, но максимально щадящие по отношению к термолабильным питательным веществам, витаминам и другим ценным компонентам. Одним из таких методов является радиационная обработка молока импульсом электронов высокой энергии (бета-излучение), производимая на специальных ускорителях - установках для лучевой стерилизации.

К показателям качества молока и молочной продукции относится содержание заменимых и незаменимых аминокислот. Установлено, что при радиационной обработке молока бета-излучением в дозах, достаточных для элиминации патогенной и условно-патогенной микрофлоры, происходит увеличение содержания отдельных аминокислот в среднем на 9-13%, вероятно, вызванное частичной деструкцией белковых молекул. Можно предположить, что увеличение количества аминокислот может повышать биодоступность и диетическую ценность молока, подвергнутого стерилизации бета-излучением.

Применение радиационных технологий, в частности метод стерилизации бета-излучением является перспективным, так как позволяет обеспечить микробиологическую безопасность молока, не снижая пищевой ценности продукта.

Список литературы:

1. Балакирева Ю.В., Зайцев С.Ю., Каримова Ф.Г., Акулов А.Н., Ахмадуллина Ф.Ю. Влияние режима пастеризации на полипептидный состав молока // ФГОУ ВПО "Казанский государственный технологический университет" ФГОУ ВПО "Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И. Скрябина" Учреждение Российской академии наук "Казанский институт биохимии и биофизики" КНЦ РАН**
2. Воронин Б.А., Донник И.М.. Агропродовольственный рынок России - проблемы импортозамещения // Нивы Зауралья. 2014. № 9.
3. Воронин Б.А., Донник И.М., Лоретц О.Г. Обеспечение качества и безопасности продукции животноводства в рамках таможенного союза (информация о технических регламентах) // Аграрный вестник Урала. 2014.№ 4 (122).
4. ГОСТ Р 52054-2003. Молоко коровье сырое. Технические условия (с Изменением N 1) ГОСТ Р 52054-2003
5. Донник И.М., Кривоногова А.С., Шкуратова И.А. Профилактические мероприятия для коррекции содержания экотоксикантов у животных с повышенным их содержанием [Детоксикация тяжелых металлов путем введения в рационы откормочных бычков зостерина (морская трава ZOSTERA MARINA) и альгината натрия (бурая водоросль LAMINARIA JAPONICA)]. // Ветеринария Кубани, 2014. N 1.
6. Донник И.М., Лоретц О.Г. Влияние технологии доения на молочную продуктивность и качество молока коров//Аграрный вестник Урала. 2014. № 12 (130). С. 13-16.
7. Донник И.М., Мымрин В.С., Лоретц О.Г, Лиходеевская О.Е., Барашкин М.И. Влияние имбридинга на молочную продуктивность, качество молока и воспроизводительную способность коров // Аграрный вестник Урала. 2013. № 5 (111).
8. Донник И.М., Шкуратова И.А. Особенности адаптации крупного рогатого скота к неблагоприятным экологическим факторам окружающей среды // Российский журнал "Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии". 2009. № 1.
9. Мельникова Т.В., Полякова Л.П., Козьмин Г.В. Исследование стабильности модельных растворов хлорорганических пестицидов под влиянием гамма-излучения // Радиационная биология и Радиоэкология. 2001. Т. 41(6). C. 683-687.
10. Мельникова Т.В., Полякова Л.П., Козьмин Г.В. Экологические проблемы радиационно-биологической технологии подготовки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья. Известия Калужского общества изучения природы. Книга седьмая. (Сборник научных трудов) Под ред. С.К. Алексеева и В.Е. Кузьмичева Калуга: КГПУ им. К.Э. Циолковского. 2006 С. 60-66.
11. Радиационная стерилизация пищевых продуктов. http://gamma-stop./ru/index/sterilizacija/0-32
12. Allen D.W., Crowson A., Leathard D.A.1991. A comparison of the effects of gamma- and electron beam-irradiation on additives present in food contact polymers. Paper presented at the Project Review Meeting of the MAFF Working Party: Chemical Contaminants from Food Contact Materials, Norwich, March 5-6.
13. Arvanitoyannis I.S.Irradiation of food commodities: techniques, applications, detection, legislation, safety and consumer opinion. Elsevier, 2010.
14. Bojanowska-Czajka, Gatezowska A., Trojanowicz M. Decomposition of pesticide chlorfenvinphos in aqueous solutions by gamma-irradiation. J. Radioanal. Nucl. Chem. (2010) 285:215-221.
15. Chuaqui-Offermanns, N. 1989. Food packaging materials and radiation processing of food a brief review. Int. J. Radiat. Appl. Instrum., Part C, Radiat. Phys. Chem., 34, 1005.
16. Da Silva M.P., Vieira M. Degradation of alachlor herbicide by gamma radiation from cobalt-60 in aqueous and alcohol solution.J. RadioanalNucl. Chem. (2009) 281:323-327.13. Мельникова Т.В., Полякова Л.П., КозьминГ.В. Экологические проблемы радиационно-биологической технологии подготовки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья. Известия Калужского общества изучения природы. Книга седьмая. (Сборник научных трудов) Под ред. С.К. Алексеева и В.Е. Кузьмичева Калуга: КГПУ им. К.Э. Циолковского. 2006 С. 60-66.
17. Variyar P.S., Rao B.Y.K., Alur M.D., Thomas P.2000. Effect of gamma irradiation on migration of additive in laminated flexible plastic pouches. J. Polym.24 Mater. 17, 87.

Резюме. В настоящее время проблема производства качественных продуктов питания стала особенно актуальной в связи с внешнеполитическими условиями. Законодательно определены требования, предъявляемые к продуктам животноводства, и соответствие этим требованиям является условием выхода продукции на внутренний рынок и рынок стран Таможенного союза. Проводить генетическое улучшение показателей воспроизводства животных сложно, так как они имеют низкий уровень наследственности и определяются преимущественно разными по силе влияния факторами внешней среды. Проведенные исследования по изучению состояния крупного рогатого скота в разных экологических зонах показали, что адаптационный резерв у животных достаточно высок, о чем свидетельствует высокий уровень продуктивности и показатели воспроизводства. В процессе адаптации животных к сложившимся экологическим условиям в первую очередь происходит ряд общих изменений, проявляющихся угнетением гемопоэза, иммуносупрессией, нарушением белкового обмена [14]. Эти изменения влияют на белковый и аминокислотный состав получаемого молока. Целью стала оценка содержания аминокислот в молоке, подвергнутом радиационной обработке пучком ускоренных электронов в стерилизующей дозе 10 кГр. Авторами была дана оценка аминокислотного состава молока, подвергнутого радуризации пучком ускоренных электронов, при поглощенной дозе 10 кГр, а также изучена бактериальная обсемененность радиационно-обработанного молока для оценки стерилизующего эффекта данной дозы. При проведении аминокислотного анализа молока выявлена тенденция к увеличению содержания большинства аминокислот в образцах, подвергнутых радиационной обработке. Исследование бактериальной обсемененности молока показало, что значение КМАФАнМ в пробах, облученных импульсным электронным пучком в дозе 9,7-10,2 кГр не превышало 1х102 КОЕ/г, при нормативном значении для молока высшего сорта КОЕ не более 1х105 в грамме. Таким образом, радуризация молока бета-излучением в дозе 10 кГр и более обеспечивает микробную обсемененность молока на уровне, соответствующем молоку высшего качества.

Ключевые слова: молоко, аминокислотный анализ, незаменимые аминокислоты, безопасность продукции животноводства, бактериальная обсеме-ненность, стерилизация, бета-излучение, радуризация.

Сведения об авторах:

Кривоногова Анна Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры инфекционной и незаразной патологии ФГБОУ ВПО "Уральский государственный аграрный университет"; 620075, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42; тел.: 8 (343)371-33-63; e-mail: academy@ursaca.ru.

Баранова Анна Александровна, кандидат биологических наук, доцент кафедры технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВПО "Уральский государственный аграрный университет"; 620075, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42; тел.: 8 (343)371-33-63; e-mail: academy@ursaca.ru.

Кривоногов Павел Сергеевич, аспирант, старший преподаватель кафедры математики и информатики факультета транспортно-технологических машин и сервиса ФГБОУ ВПО "Уральский государственный аграрный университет"; 620075, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42; тел.: 8 (343)371-33-63; e-mail: academy@ursaca.ru.

Моисеева Ксения Викторовна, аспирант, ассистент кафедры микробиологии и вирусологии ФГБОУ ВПО "Уральский государственный аграрный университет"; 620075, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42; тел.: 8 (343)371-33-63; e-mail: academy@ursaca.ru.

Молокова Нина Борисовна, аспирант кафедры инфекционной и незаразной патологии ФГБОУ ВПО "Уральский государственный аграрный университет"; 620075, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42; тел.: 8 (343)371-33-63; e-mail: academy@ursaca.ru.

Мочульская Наталия Николаевна,кандидат химических наук, доцент кафедры иммунохимии химико-технологического института Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19; тел.: 8(912)2698245; e-mail: contact@urfu.ru.

Супонькина Анна Николаевна, аспирант Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина;620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19; тел.: 8(912)2698245; e-mail: contact@urfu.ru.

Войнов Виктор Сергеевич, магистр Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина;620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19; тел.: 8(912)2698245; e-mail: contact@urfu.ru.

Ответственный за переписку с редакцией: Исаева Альбина Геннадьевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ФГБНУ Уральский НИВИ; 620219. Россия. Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Белинского, 112а.: тел. (343)2572044; e-mail: isaeva.05@bk.ru.