Нутрициологическое значение молочнокислой заквасочной микрофлоры в производстве ферментированных функциональных молочных продуктов
На рубеже веков во всем мире получило широкое признание развитие нового направления в пищевой промышленности – продуктов функци-онального питания (ПФП) [451]. В России впервые понятие ПФП было введено акад. РАСХН И.А. Роговым. Точного определения понятия «фун-кциональные продукты» долгое времени не существовало. Место функци-онального (позитивного) определяли как среднее между обычным, когда человек ест с целью насытить организм и лечебным питанием, пред-назначенным для больных людей [77].
Функциональные продукты питания должны иметь вид обычной пищи и потребляться регулярно в составе нормального рациона питания. При употреблении функциональных продуктов питания «спрятанные» в них функциональные пищевые добавки усваиваются организмом в ряде случаев лучше, в частности из-за присоединения элементов к амино-кислотам.
Важно не только содержание того или иного минерального вещества в пище, но и влияние отдельных нутриентов друг на друга в процессе их усвоения организмом. Функциональные продукты рассматривают как средство активного лечебно-профилактического воздействия на организм, которое повышает сопротивляемость организма к неблагоприятным факторам внешней среды, способствует сохранению физического и психического здоровья, снижает риск развития любой патологии и увеличивает продолжительность жизни [324]. Согласно британскому определению [526] функциональные – специальным образом обработанные продукты, содержащие ингредиенты, способствующие выполнению тех или иных физиологических функций и являющиеся питательными веществами. По американскому определению – это «продукты, имеющие в своем составе потенциально целебные вещества, включая генетически модифицированные продукты или пищевые ингредиенты, способные обеспечить пользу для здоровья [565].
Официальное определение функциональных пищевых продуктов, включающее дополнительное понятие функциональных пищевых ингредиентов, узаконено документом «Термины и определения в области пищевой и перерабатывающей промышленности, торговли и общественного питания», 2007 г.
Оно сформулировано следующим образом.
Функциональный пищевой продукт – пищевой продукт, предназначенный для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми возрастными группами населения, снижающих риск заболеваний, связанных с питанием, сохраняющий и улучшающий здоровье за счет включения в его состав физиологически функциональных пищевых ингредиентов.
Физиологически функциональный пищевой ингредиент – вещество или комплекс веществ животного, растительного, микробиологического, минераль-ного происхождения или идентичные натуральным, а также живые микроорганизмы, входящие в состав функционального пищевого продукта, обладающие способностью оказывать благоприятный эффект на одну или несколько физиологических функций, процессы обмена веществ в организме при систематическом употреблении в количествах, составляющих от 10 до 50% суточной физиологической потребности.
Таким образом, ПФПобладают повышенной пищевой ценностью вследствие обогащения их биологически активными веществами (микроорганизмами, олигосахаридами, минеральными веществами, витаминами, аминокислотами и др.), и предназначенны для профилактики нарушений физиологических функций практически здорового человека [349].
В категорию ПФП следует включать [509, 669]:
- продукты питания, содержащие требуемые количества функционального ингредиента или их группы, в естественном виде;
- натуральные продукты, дополнительно обогащенные каким-либо функциональным ингредиентом или несколькими;
- натуральные продукты, из которых удален компонент, препятствующий проявлению физиологической активности присутствующих в них функциональных ингредиентов;
- натуральные продукты, в которых исходные потенциальные функциональные ингредиенты модифицированы таким образом, что они проявили свою физиологическую активность или эта активность усилилась;
- натуральные пищевые продукты, в которых в результате тех или иных модификаций биоусвояемость входящих в них функциональных ингредиентов увеличивается;
- натуральные или искусственные продукты, которые в результате применения комбинации вышеуказанных технологических приемов приобретают способность сохранять и улучшать физическое и психическое здоровье человека и/или снижать риск возникновения РИЗ.
Принципиальным различием между ПФП и БП к пище является лишь форма, в которой недостающие организму человека функциональные ингредиенты доставляются в организм человека. Если в виде препарата или добавки, схожей с лекарством для орального применения (таблетки, капсулы, порошки и т. д.), то следует говорить БП как форме БАДа.
Хотя в настоящее время продукты функционального питания составляют не более 5% всех известных пищевых продуктов, судя по прогнозам, в ближайшие 15 лет их доля достигнет 30% всего продуктового рынка. При этом они на 35–50% вытеснят многие традиционные лекарственные препараты из арсенала средств сохранения здоровья. Если 15–20 лет назад ни одна из 250 самых крупных фармацевтических фирм мира не занималась БАДами и ПФП, то в 1993 году 2/3 из них имели отделы подобного направления. Схожие тенденции наблюдаются и в крупнейших фирмах-производителях тра-диционных пищевых продуктов [166, 298].
В рамках программы ЕЭС на 2002–2006 годы, посвященной вопросам обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов, было выделено
685 миллионов евро на научные разработки в области продуктов функцио-нального питания [637].
Обеспечение современного человека в необходимых количествах хорошей с санитарно-гигиенической и физиологической точек зрения водой, биодоступными макро- и микроэлементами, «полезными» микро-орга-низмами или соединениями, обеспечивающими необходимый их баланс и жизнедеятельность, а также нутриентами, оптимизирующими работу оксидантно/антиоксидантной системы человека, ликвидация белковой недостаточности, обеспечение безопасности пищи и повышение уровня знаний населения в вопросах здорового питания – это первоочередные на-правления современной нутрициологии и восстановительной медицины, реализация которых позволит в XXI веке при минимальных экономических затратах за счет сбалансированного и правильно организованного питания создать реальные предпосылки увеличения средней продолжительности жизни россиян, длительного сохранения их физического и духовного здоровья, социального и нравственного удовлетворения, активной жизни у пожилых и рождения здорового поколения [102, 338].
Значение молочнокислой (а также, не молочнокислой) микрофлоры, законы ее влияния и правил приготовления и приема на здоровье человека большей частью связаны с понятиями пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков. Именно от состояния кишечника, его нормальной микрофлоры на 70–80% зависит сопротивляемость организма к болезням [102], которое, как доказано, может быть скорректировано перорально (через пищу, микробные препараты).
Одной из частых причин развития дисбактериоза кишечника является широкое применение антибактериальных средств в соответствии со струк-турой заболеваемости и современными лечебными стандартами. Как осложнение антибиотикотерапии в первую очередь развивается так называемая антибиотико-ассоциированная диарея [504]. По разным данным, ее диагностируют в 4,9–25% случаев [536, 709]. Многочисленные проявления болезней, расстройства в функционировании тех или иных органов и систем часто напрямую связаны с нарушениями микробиоценоза ЖКТ [68]. Увеличение частоты и тяжести острых инфекционных заболеваний, латентное течение воспалительных процессов, в частности ЧВДП, и переход их в хроническое состояние многими специалистами связываются с нарушениями качественного и количественного состава нормальной микрофлоры, что побуждает к поиску новых и эффективных приемов их коррекции.
  | Уже более 100 лет назад Илья Ильич Мечников выдающийся биолог и патолог, почетный член Петербургской АН Илья Мечников (Нобелевский лауреат 1908 г.) обобщил разрозненные экспериментальные данные в области изучения явления антагонизма молочнокислых бактерий [266, 267] и доказал, что употребление кисломолочных продуктов полезно для здоровья и долголетия. Основным средством в борьбе против самоотравления организма и старения человека Мечников считал болгарскую молочнокислую палочку – Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus – вид лактобацилл. Конечной целью борьбы с преждевременной старостью Мечников считал ортобиоз – достижение «полного и счастливого цикла жизни, заканчивающегося спокойной естественной смертью». И.И. Мечников ввел в оборот термин пробиозис (probiosis), обозначающий улучшение здоровья человека в процессе модификации (восстановления) собственной кишечной микрофлоры. | ||
| Сергей Александрович Королёв, профессор, первый зав. кафедрой микробиологии и зоологии в Вологодском молочнохозяйственном институте,занимаясь улучшением качества молочных продуктов и повышения сроков хранения (в 1922–1926 годах), отводил определяющую роль в решении проблемы антагонизму молочнокислых бактерий. С.А. Королёв является автором книги «Техническая микробиология молока и молочных продуктов», признанной лучшим пособием в данной отрасли науки [219]. В соавторстве с Г.С. Иниховым им был издана «Химия и бактериология молока и молочных продуктов» (1923 г.). |  | ||
Феномен пробиозиза определяется как «ассоциация двух организмов, которая стимулирует жизненные процессы каждого из них» [357], а «живая микробная кормовая добавка, которая оказывает полезное действие на человека или животное-хозяина путем улучшения его кишечного микробного баланса» [577], получила название пробиотика. Термин «пробиотики», что означает «для жизни», был предложен в 1974 г. Р. Паркером [493]. По мнению Б.А. Шендерова, пробиотики – это препараты и продукты питания, в состав которых входят вещества микробного и немикробного происхождения, оказывающие при естественном способе введения благоприятные эффекты на физиологические функции и биохимические реакции организма хозяина через оптимизацию его микробиологического статуса. Это определение предполагает, что любые живые или убитые микроорганизмы, их структурные компоненты, метаболиты, а также вещества другого происхождения, оказывающие позитивное влияние на функционирование микрофлоры хозяина, способствующие лучшей адаптации его к окружающей среде в конкретной экологической нише, могут рассматриваться как пробиотики.
Факторы, способствующие нарушению состава микрофлоры и приводящие к развитию дисбактериозов и РИЗ на их фоне, весьма многочисленны: это не только прием лекарственных препаратов различных групп, стрессы, неблагоприятная экологическая обстановка, неправильный рацион питания, голодание, стрессы. При антибиотикотерапии в первую очередь в нормальной микрофлоре уменьшается количество «нормальных» кишечные палочки, и их место занимают условно патогенные и патогенные эшерихии, способные вызывать как местные, так и генерализованные инфекционно-воспалительные процессы. Известен так же термин «Диарея путешественников». Частота возникновения этого заболевания варьирует в пределах от 5 до 50% в зависимости от места путешествия. Основными в профилактике диареи являются диетические рекомендации. Комбинации L.acidophilus и В.bifidum достоверно предотвращают возникновение диареи и предложены в качестве эффективного и безопасного метода ее профилактики [211, 334, 411].
С учетом действующего начала, содержащегося в пробиотиках, их подразделяют на ряд групп: аутопробиотики – действующим началом являются штаммы нормальной микрофлоры, выделенные от конкретного животного или человека, которые используются для обеспечения собственного нормального микробиоценоза.
Гомобиотики – действующим началом являются штаммы, выделенные от конкретного вида животных, или человека и для них использующиеся.
Гетеропробиотики – предназначены для животных и человека без учета видовой принадлежности хозяина, первоначального носителя штамма пробиотических бактерий.
Существуют определенные требования к мироорганизмам – пробио-тикам [15, 442] (рис. 1.4), которые необходимо соблюдать.
Пробиотики должны:
1) выживать при пассировании через желудочный тракт, что предполагает их резистентность к кислоте и жёлчи;
2) адгезироваться на эпителиальных клетках кишечника с последующей колонизацией;
3) стабилизировать кишечную микрофлору;
4) не иметь признаков патогенности;
5) сохранять жизнеспособность как в пищевых продуктах, так и в процессе получения фармакопейных лиофилизированных препаратов;
6) быстро размножаться, колонизируя кишечный тракт.
Указанным критериям в наибольшей степени соответствуют группа микроорганизмов нормальной микрофлоры, включающая таких постоянных обитателей кишечной экосистемы, как лакто- и бифидобактерии, кишечная палочка [576, 584].
Важнейшим фактором, определяющим приживление или элиминацию пробиотических микроорганизмов в кишечнике больного, является со-стояние колонизационной резистентности, что, в свою очередь, связано с биологическими свойствами пробиотических бифидо- и лактобактерий и других индигенных представителей кишечной микрофлоры. С одной стороны, между колониями микроорганизмов и кишечной стенкой скла-дывается тесная взаимосвязь, объединяющая их в единый микробно-тканевой комплекс [243, 271], а с другой – между самими микро-организмами формируется определенный тип взаимоотношений и, как следствие, их конкурентоспособность или совместимость.
Иммуномодулирующий эффект пробиотиков зависит от исходного иммунологического статуса больного.
| Должны быть изолированы из организмов тех видов животных и человека, для которых они будут предназначены |
| Должны обладать высокой скоростью роста и размножаться в условиях, близких таковым в кишечном тракте |
| При введении в больших количествах должны обладать минимальной способностью к транслокации из просвета пищеварительного тракта во внутреннюю среду микроорганизма; при длительном использовании не должны вызывать побочных эффектов |
| Должны обладать стабильными характеристиками как в клиническом, так и в технологическом плане |
| Должны обладать полезным воздействием на организм хозяина, подтвержденным лабораторными исследованиями и клиническими наблюдениями |
| Должны обладать колонизационным потенциалом (быть устойчивыми к низким значениям рН, желчным кислотам, антимикробным субстанциям; хорошо адгезироваться к эпителию соответствующих слизистых оболочек) |
| Должны иметь четкую физиолого-биохимическую и генетическую маркировку, как для исключения фальсификации, так и для периодического контроля идентичности исходных штаммов и производственных культур в процессе их эксплуатации |
Р и с. 1.4. Требования к микроорганизмам – пробиотикам по Шендерову [15]
Предотвращение развития аллергических реакций гарантированно может быть достигнуто лишь при использовании аутопробиотиков. В данном случае штаммы нормальной микрофлоры изолируются от конкретного индивидуума и используются для коррекции его микроэкологии. Однако указанный способ неприемлем для массового применения в условиях пищевых или фармацевтических производств [256]. Именно для профилактической коррекции микроэкологических нарушений в кишечнике и преодоления бионесовместимости предлагается производить новые поливалентные или комбинированные препараты с иммобилизованными бактериями различных таксономических групп [102, 156–158] или использовать пробиотики, эффективность которых клинически доказана с участием широкомасштабного эксперимента, в частности в составе ферментированных молочных ПФП (пп. 1.4.1).
Ферментированные молочные продукты получают сквашиванием молока или сливок чистыми заквасочными культурами молочнокислых бактерий, иногда с участием дрожжей и уксуснокислых бактерий. В процессе сквашивания протекают сложные микробиологические и физико-химические процессы, в результате которых формируются вкус, запах, консистенция и внешний вид готового продукта. Качество и функциональные свойства кисломолочного продукта во многом определяются тем, насколько благоприятной является среда – молоко для развития культур молочнокислых бактерий [432].
Микроэлементы относятся к биологически активным веществам, входящим в состав активного центра многих ферментных систем. Они активизируют действие многих ферментов, или входят в их активные группы, участвуют в построении клеточных компонентов, а также влияют на создание в среде определенных физико-химических условий. В состав бактериальной клетки входят свыше 70 элементов, играющих важную роль в процессах жизнедеятельности. Особенно важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов играют переходные элементы периодической системы, имеющие переменную валентность и отличающиеся высокой каталитической активностью.
Работами Л.А. Банниковой, А.В. Гудкова, Г.Д. Перфильева, А.И. Кузина и др. исследователей [33, 148, 238, 239, 393] показано, что среда для развития пробиотичеких микроорганизмов должна содержать зольные элементы (фосфор, серу, кальций, магний, железо) и микроэлементы (бор, молибден, кобальт, марганец, цинк, никель, медь, хлор, натрий, кремний и др.).
Эти вещества необходимы для многих биосинтетических процессов у бактерий, однако потребность в них у разных видов микроорганизмов неодинакова. С учетом имеющегося недостатка в питании современного человека многих микронутриентов (железа, кальция, магния, иода, цинка, селена и др.) [217] обогащение функциональных продуктов с пробиотиками является задачей вдвойне актуальной. При этом важно знать, какова должна быть степень обогащения ПФП для эффективного стимулирования развития пробитической микрофлоры в нем и восполнения дефицита микронутриента у потребителей, для которых продукт предназначен.
С другой стороны, тяжелые металлы, попадая в молоко-сырье, тормозят развитие пробиотической заквасочной микрофлоры. Кроме того, тяже-лые металлы, в чатности кадмий и свинец, попадая в организм человека из многочисленных источников, оказывают мутагенное, канцерогенное, токсическое действие [331, 416, 405]. Токсическое действие производных тяжелых металлов связано с тем, что ионы этих элементов образуют прочные комплексы с белками, в т.ч. с ферментами, которые, вследтвие этого, уже не могут выполнять свои функции.
Содержание наиболее высокотоксичных элементов (ртути, свинца, кадмия, мышьяка) в продовольственном сырье и продуктах питания в недопустимых количествах выявляется на 15–20 территориях Российской Федерации [174]. При высоком содержании они оказывают сильное токсическое действие на живые организмы и могут аккумулироваться в органах или тканях человека. Тяжелые металлы не только негативно влияют на организм, но и часто ухудшают технологические свойства растительного и животного сырья, затрудняя или делая невозможным приготовление высококачественных продуктов питания [174, 175]. Кроме того, было установлено, что молоко с содержанием кадмия, свинца и ртути в количестве ПДК и ½ ПДК показывало высокую мутагенную активность и подострую или скрытую токсичность при значительном потреблении молочных продуктов. Другими словами, проявляя скрытую хроническую или подострую токсичность, образцы полностью соответствовали требованиям высококачественных продуктов [284].
Кадмий – сильнодействующее токсическое канцерогенный элемент, который коммулятивно накапливается в организме в течение всей жизни, в основном в печени и почках, и трудно поддаётся выведению из них. При сепарировании молока 95% кадмия переходит в обезжиренное молоко.
Свинец – сильнодействующий токсический элемент, также способный накапливаться в организме. Установлено, что 50% свинца, содержащегося в воздухе, переходит в сухое молоко. Значительная доля свинца попадает в организм с молоком. Свинец – главный антропогенный элемент из группы тяжелых металлов из-за высокого индустриального загрязнения и выбросов автомобильного транспорта.
Отравление кадмием и свинцом обычно представляют собой хроническую форму у практически здоровых людей, с периодически проявляющимися симптомами (раздражительность, нарушения сна, головные боли), при этом высок риск отдаленных последствий, связанных с повреждениями мозга. Удаление токсичных металлов из организма человека представляет собой серьезную проблему, поскольку действие связывающих агентов должно быть достаточно специфичным, не затрагивающим течение других естественных процессов в организме. Введение в продукты большого количества растительной клетчатки, необходимого для удаления тяжелых металлов, приводит к плохому усвоению из этих продуктов биологически важных кальция, магния, железа, цинка и других элементов [196].
Комплексообразующие медицинские препараты (пентацин, динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, тримефацин, пеницилламин и аналогичные им [262], в дозах 0,15÷4,00 г в сутки, применяемых в медицине при острых и хронических отравлениях тяжелыми металлами, имеют побочные эффекты в виде нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта и почек, анемии. Имеются противопоказания – нефриты, нефрозы, заболевания печени с нарушением ее функции. Применение препаратов может вызывать нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта и почек, также может уменьшаться содержание в крови гемоглобина, железа, витамина В12, вводиться кальций, цинк и др. биоэлементы. Поэтому актуальна разработка мягких нутрициологических способов детоксикации тяжелых металлов, в частности кадмия, свинца, меди и ртути.
Дойных коров, в молоке которых содержание тяжелых металлов (свинца, меди, ртути) на 100% превышало предельно допустимые концентрации (ПДК), выпаивали биомосом, представляющим собой раствор комплексообразователя [61], в дозе 10 мг/кг массы тела в четырех литрах слабого раствора патоки на корову. Воздействие биомосами приводило к снижению содержания тяжелых металлов в молоке до уровня ПДК. В молоке коров, получавших раствор патоки без биомосов, концентрация этих металлов не снижалась. Имевший место побочный эффект – снижение на 40% содержания кальция и магния в молоке получавших биомосы коров – может быть устранен путем дополнительного введения кальция и магния в пищу потребителя.
Известно также, что для такой очистки применяют активированный уголь разных марок, полифепан [174], комплексные соединения, в частности производные этилендиаминтетрауксусной кислоты, графены.
Нами получено четыре патента на изобретение [318, 319, 344, 345] по очистке и детоксикации молока-сырья от тяжелых металлов для функциональных продуктов питания с пробиотиками и один патент на способ обогащения минеральными веществами ПФП [343].
Как недостаток, так и избыток в среде тех или иных минеральных компонентов тормозит многие биохимические процессы в микробной клетке. Молоко, как питательная среда для развития молочнокислых бактерий, не содержит сбалансированный состав микроэлементов, необходимых для развития микроорганизмов (железо, медь, марганец, цинк и др.), содержание которых в основном определяется кормовыми рационами. Однако, учитывая то обстоятельство, что кормовоспроизводящие земельные ресурсы эксплуатируются без коррекции минерального состава, можно предположить дефицит важнейших минеральных элементов в кормах и, как следствие, недостаток их у самих животных, продуцирующих молоко, а также и в самом молоке. Следует отметить, что бактериальная клетка не способна синтезировать минеральные элементы и использует при своем развитии только содержащиеся в молоке. В связи с этим целенаправленное внесение в молоко дефицитных в кормах микроэлементов должно оказать положительное влияние на микробиологические и биохимические процессы при производстве продуктов. В ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академии имени Н.В. Верещагина» в результате многолетних исследований в области функционального питания разработан ряд способов производства продуктов с пробиотиками [310-319].
Таким образом, при дальнейшем развитии теоретического направления ПФП и практичекой реализации производства продуктов с пробиотиками необходимо:
- научиться преодолевать бионесовместимость пробиотических штаммов функциональных продуктов с индигенными представителями кишечной микрофлоры (нормофлоры);
- изучать молекулярно-генетические характеристики и пробиотический потенциал штаммов, с целью сохранения свойств выживания пробиотических микроорганизмов в неблагоприятных условиях микроэкологического окружения организма;
- использовать кишечно-бактериологические исследования как основу формирования представления об уникальности индивидуального микробного консорциума у людей и животных, создавать индивидуальные пробиотики на основе аутоштаммов и аутоассоциаций симбиотических микроорганизмов для конкретных групп людей или животных;
- учиться компенсировать (отрицательные нивелировать, положительные оптимизировать) факторы нутриционного статуса молока-среды для молочных ПФП, в том числе с помошью очистки-молока сырья от тяжелых металлов (см. гл. 4), обогащения нутриционными элементами и пребиотическими веществами, избирательно стимулирующими рост и/или активность пробиотических бактерий в толстой кишке (см. п 1.6).