По данным Минздрава РФ, только 2,8% выпускников школ страны можно считать сейчас абсолютно здоровыми.
Это обусловлено тем, что структура фактического рациона питания россиян, в том числе школьников, сложившаяся в настоящее время, не соответствует физиологическим потребностям организма.
Школы представляют собой жизненно важную среду, используя которую можно оказывать влияние на процесс правильного питания и формировать у школьников правильные навыки и стереотипы питания [1].
У детей в связи с высокой интенсивностью обменных процессов отмечается повышенный основной обмен, который превышает основной обмен взрослого человека в 1,52 раза. Помимо повышенного основного обмена, у детей, по данным Шермана, отмечаются повышенные общие энергетические затраты, которые приведены в таблице 1.
Повышенный основной обмен и повышенные энергетические затраты у детей выдвигают необходимость при разработке пищевых рационов обращать особое внимание на достаточно высокий уровень в них белка и калорийности. Физиологические нормы питания детей, приведены в таблице 2.
В детском питании соотношение белков, жиров и углеводов должно быть 1:1:3 в младшем возрасте и 1:1:4 в старшем.
Для питания школьников важно соблюдение рекомендуемых норм физиологических потребностей организма в пищевых веществах и энергии. Однако сложившаяся система питания школьников должна базироваться на разработанных и признанных научных основах и требованиях науки о питании.
Рациональное питание — важный фактор в профилактике алиментарнозависимых заболеваний школьников, способствующий сохранению здоровья и высокой работоспособности.
В настоящее время усиливается внимание к производству продуктов, позволяющих не только удовлетворить энергетические и питательные потребности человека, но также имеющих биологическую и физиологическую ценность, обладающих лечебно-профилактическими свойствами.
Белки являются одним из эссенциальных нутриентов рациона питания. Аминокислотный баланс пищи необходимо строить в соответствии с потребностями организма [2].
Потребность в различных белках для рациона питания школьников питании может быть компенсирована специально разработанными продуктами питания. Молочный белок является наиболее распространенным источником белка при проектировании продуктов школьного питания.
Наиболее перспективным источником белка является белок молочной сыворотки (БМС), который обладает уникальными характеристиками: в отличие от растительного белка он является полноценным белком, обладающим высокой степенью гидратации, что позволяет использовать его для очень быстрого поступления в организм белков.
Сывороточный белок содержит 20% всего молочного белка и богат разветвленными (лейцин, изолейцин и валин) и незаменимыми аминокислотами (цистеин), функциональными пептидами, антиоксидантами и иммуноглобулинами, которые обуславливают ее высокий потенциал при производстве продуктов лечебного и диетического назначения, используемых для профилактики широкого спектра заболеваний, таких как сердечнососудистые осложнения, гипертония, ожирение, диабет, рак и фенилкетонурия [3].
Сывороточные протеины являются наиболее ценными компонентами сыворотки. Они состоят из термочувствительных фракций, таких как β-лактоглобулин, α-лактальбумин, альбумин сыворотки крови и иммуноглобулин, а также термостабильный протеозопептон.
Сывороточные белки имеют компактную глобулярную структуру, которая объясняет их растворимость (в отличие от казеинов, которые существуют в виде мицеллярной суспензии, с относительно равномерным распределением неполярных, полярных и заряженных групп).
Эти белки имеют аминокислотные профили, имеющие большую долю серосодержащих аминокислотных остатков. Белки молочной сыворотки дефосфорилированы, легко денатурируются при нагревании, нечувствительны к Ca2+ и чувствительны к образованию внутримолекулярных связей через дисульфидные мостики между Cysсульфгидрильными группами.
Использование белков в организме тесно связано с соотношением цистеина: метионина, которое в сывороточных белках примерно в 10 раз выше, чем в казеине. Термически денатурированный сывороточный белок практически полностью усваивается в пищеварительной системе. Суточные потребности в наиболее незаменимых аминокислотах могут быть удовлетворены путем потребления ~ 1,5 л сыворотки или 0,5 л молока.
Сыворотка также может быть источником биологически активных пептидов (специфические белковые фрагменты), которые оказывают положительное влияние на функции организма и могут, в конечном итоге, влиять на здоровье. При пероральном введении биоактивные пептиды оказывают влияние на основные системы организма, а именно на сердечно-сосудистую, пищеварительную, иммунную и нервную системы. Благотворное воздействие на здоровье может быть классифицировано как антимикробное, антиоксидантное, антитромботическое, антигипертензивное, антимикробное или иммуномодулирующее [4].
Сывороточные белки обладают хорошими технологическими параметрами, такими как растворимость, вязкость, желирующие и эмульгирующие свойства, а их концентраты широко используются в пищевой промышленности. Поскольку сывороточные белки лучше усваиваются, чем казеин, то они используются для таких целей, как производство детских смесей или для увеличения питательной ценности молочных и других пищевых продуктов.
Кроме того, иммуноглобулин и другие гликопротеины (лактоферрин, трансферрин) и ферменты (лизоцим, лактопероксидаза) являются очень важными составляющими, способствующими укреплению иммунной системы человека. Они проявляют антимикробные свойства и могут уменьшать или ингибировать аллергические реакции.
В связи с высокой пищевой ценностью и производимыми большими объемами молочной сыворотки исследователи в течение последних 50 лет изучают возможности максимального ее использования, уделяя особое внимание ее высококачественным белкам. Сыворотку используют для производства различных типов порошков, изолятов белка, рибофлавина, молочной кислоты, сывороточного сыра и других продуктов [4].
Потребление белка молочной сыворотки препятствует ожирению и защищает мышцы во время диеты, увеличивая термогенез и поддерживая мышечную массу.
Однако основным компонентом сыворотки является лактоза (~ 70% в пересчете на сухое вещество). Большинство молочных углеводов попадают в сыворотку после сыроварения, из которых 90% составляют лактоза, а также глюкоза, галактоза, олигосахариды и аминосахары. Лактоза является очень важным источником энергии и выполняет несколько функций. Некоторые из полезных эффектов лактозы:
• стимулирует перистальтику кишечника, способствующей усвоению кальция и фосфора;
• устанавливает слабокислую реакцию в кишечнике и, тем самым, предотвращает рост и размножение вредных бактерий;
• обеспечивает оптимальный уровень магния и улучшает усвоение жира и других питательных веществ в организме человека;
• препятствует развитию зубного налета;
• термическая обработка сыворотки превращает лактозу в лактулозу, которая является одним из стимуляторов роста бифидобактерий.
Основной промышленной обработкой сыворотки является сушка, что составляет 70% годовой переработки сыворотки. Из-за высокой питательной ценности сывороточного порошка его можно использовать в пищевой промышленности в качестве добавки при производстве многих пищевых продуктов (кондитерские, хлебобулочные изделия, молочные, мясные продукты, детское питание, напитки, супы, соусы, начинки, сливки). При этом улучшаются органолептические свойства продуктов, некоторые физические характеристики, такие как способность образовывать пену и другие. Например, в производстве мороженого, сывороточный порошок успешно используется для замены более дорогого сухого обезжиренного молока.
Основными белками молочной сыворотки являются α-лактальбумин и β-лактоглобулин и являются наиболее ценными благодаря высокому содержанию незаменимых аминокислот, особенно триптофана, цистеина и лизина. Белок α-лактальбумин в основном используется в качестве нутрицевтика для терапевтических целей [4].
Белки молочной сыворотки получают методом ультрафильтрации (УФ) через полимерные мембраны, что практически не оказывает влияния на его пространственную структуру. Недостатками этих методов являются очень низкая степень очистки и выхода, значительная денатурация белков и высокая стоимость, необходимая при расширении до промышленного уровня.
Наиболее эффективной оказалась двухстадийная мембранная обработка молочной сыворотки. На первой стадии, при микрофильтрации сыворотки удаляются бактерии, фосфолипиды и казеин. Этот процесс позволяет получить сывороточнопротеиновый концентрат более высокого качества и повысить скорость потока при последующей ультрафильтрации на второй стадии. Для микрофильтрации сыворотки следует использовать керамические мембраны с размером пор 0,2 мкм, при этом скорость фильтрации сыворотки составляет 90–100 л/(м2 ч), при факторе концентрирования 10. При последующем ультрафильтрационном концентрировании очищенной таким образом сыворотки достигается содержание сухих веществ в концентрате 2225% и белка — 19%. После сушки белкового концентрата до влажности 4% получается высоко очищенный белок с содержанием 85% белка и менее 0,4% жира.
В настоящей работе предложено выделение сыворотных белков с помощью тангенциальной ультрафильтрации на керамических мембранах. В этом случае при трансмембранном давлении 6 ат получают пермеат — поток, прошедший через мембрану и ретентат — не прошедший через мембрану поток на выходе из мембранного аппарата, содержащий сывороточные белки. УФ сыворотки позволяет получать белковые концентраты с содержанием белка от 30 до 95%. В ходе концентрирования происходит также отделение раствора лактозы и солей.
Белки, полученные ультрафильтрацией по массовой доле компонентов превосходят результаты, полученные по традиционной технологии с применением тупиковых потоков deadend flow фильтров и полимерных мембран.
Для повышения эффективности регенерации керамических мембран предложена система непрерывной очистки в импульсном режиме.
Для повышения качества отделенных сывороточных белков требуется технологическое решение следующих вопросов:
• замена традиционного оборудования с фронтальной фильтрацией на аппараты с керамическими мембранами и тангенциальной ультрафильтрацией;
• снижение температуры процесса для сохранения химического состава и биоактивности эссенциальных компонентов;
К проблемным явлениям мембранной технологии МФ и УФ фильтрования молочных продуктов, сдерживающим более широкое применение в промышленности, относятся:
• концентрационная поляризация (из-за повышения концентрации у мембранной поверхности снижается ее селективность и удельная производительность);
• отложение осадков на мембране (ее загрязнение из-за адсорбции, образования слоя геля и забивания пор), задерживающее поток.
Для устранения указанных проблем разработана автоматизированная система регенерации мембран, которая предусматривает регенерацию в непрерывном режиме работы ультрафильтрационной установки с керамическими трубчатыми мембранами и поперечным (перпендикулярным) потоком (cross flow) отвода фильтрата. Способ регенерации реализуется кратковременными воздействиями пульсаций давления и расхода в системе импульсной рециркуляции пермеата обратным потокам через наружную поверхность мембран внутрь каналов. Это препятствует образованию нежелательного слоя отложений, тем самым увеличивая безрегенерационную работу мембранного аппарата, что ведет к повышению эффективности процесса ультрафильтрации.