Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

Одним из направлений инновационного развития в пищевой промышленности является создание новых продуктов функционального и профилактического назначения. Употребление таких продуктов положительно влияет на микробный состав кишечника и позволяет предотвратить различные заболевания, связанные с образом жизни. Кроме того, функциональные продукты имеют значение и с точки зрения экологии в силу того, что они обуславливают повышение резистентных свойств организма человека к неблагоприятным условиям окружающей среды [1]. В настоящее время многие потребители пищевых продуктов отдают предпочтение здоровому питанию, продуктам без добавок, поэтому создание продуктов питания функционального и профилактического назначения является приоритетным для пищевых предприятий.

Функциональные пищевые продукты – это продукты, которые помимо естественного значения пищи для организма человека оказывают влияние на определенные функции человеческого организма и укрепляют здоровье в целом [2]. Функциональные продукты питания включают в себя в основном пробиотики, пребиотики и, в последнее время, симбиотики [3, 4]. Молочные продукты, такие как сыр, простокваша, йогурт и другие, принято считать основными представителями пробиотических продуктов. Однако в последние несколько лет в качестве пробиотических субстратов разрабатываются другие альтернативные пищевые продукты [5, 6]. Основная причина необходимости разрабатывать альтернативные продукты заключается в том, что существуют категории потребителей с различными отклонениями в состоянии здоровья, такими как непереносимость лактозы, аллергия к казеину, одному из основных белков, присутствующих в молоке [7, 8]. Поэтому в качестве альтернативы молочным продуктам многие исследователи рассматривают зерновые, овощи и фрукты в ферментированной и неферментированной формах [9]. В частности, фруктовые соки считаются хорошими субстратами для пробиотиков [10, 11]. Многие фруктовые соки были исследованы и оценены на предмет их пригодности в качестве жизнеспособных и стабильных для сохранения пробиотиков путем ферментации молочной кислоты. Тем не менее ферментация представляет собой сложный процесс, который требует подбора необходимых технологических параметров и осуществления контроля для достижения качественных органолептических показателей и сохранения функциональности и жизнеспособности пробиотических клеток. Точно так же к критическим параметрам необходимо отнести правильный выбор закваски для ферментации фруктовых соков и возможные модификации фруктовых соков (до ферментации). Молочнокислые бактерии – общее название бактерий семейства Lactobacillaceae, основным свойством которых является способность образовывать молочную кислоту в качестве основного продукта брожения, являются наиболее распространенными микроорганизмами, применяемыми для ферментации фруктового сока. В частности, Lactobacillus plantarum или, как в последнее время стали называть Lactiplantibacillus (Lpb.) Plantarum subsp. plantarum [12] – перспективный хорошо изученный штамм ферментации фруктовых соков. Цель данной статьи – предоставить обзор последних результатов исследований, касающихся возможностей применения L. plantarum для ферментации фруктовых соков.

1. Молочнокислое брожение фруктовых соков

Спрос со стороны потребителей на фруктовые соки, нектары и готовые сокосодержащие напитки за последнее десятилетие во всем мире значительно увеличился [13], так как предпочтения потребители отдают качественным, минимально обработанным продуктам, а также их пищевой ценности [14]. Фруктовые соки содержат значительное количество пищевых волокон, антиоксидантов, полифенолов, минералов и витаминов. Срок годности свежих фруктовых соков очень короткий и колеблется от 5 до 7 дней при температуре 4 °C, поэтому для увеличения срока годности и сохранения продукта применяют различные методы термической и нетермической обработки, а также внесение консервантов [15–17]. Молочнокислое брожение фруктовых соков может быть хорошей альтернативой и в полной мере удовлетворить запросы и предпочтения потребителей. Анализ научных публикаций свидетельствует о нескольких исследованиях, подтверждающих явное положительное влияние на продление срока хранения фруктовых соков ферментации с помощью молочнокислых бактерий (LAB). Результат ферментации зависит от вида фруктового сока и его химического состава, применяемого штамма, а также от условий ферментации и хранения (время, температура и т.д.). Молочнокислое брожение фруктовых соков может сохранить или улучшить потребительские качества, пищевую ценность и органолептические показатели конечного продукта [18, 19]. Данный процесс также считается мягким методом консервирования, с минимальной обработкой [20]. Наиболее распространенной группой бактерий, применяемой для молочнокислого брожения фруктовых соков, является lactic acid bacteria (LAB).

Несколько исследований с указанием соответствующих преимуществ представлены в таблице.

Следует отметить, что ферментированный гранатовый сок c LAB хранился в холодильнике в течение 45 дней (примерно на 38 дней больше, чем неферментированный сок) при температуре 4 °C без каких-либо добавок [32]. Добавление ферментированного LAB сока дыни к свежему соку дыни, хранящемуся при 8 °C, продлило срок хранения конечного продукта на 6 месяцев [33]. Микробиологической порчи ферментированного гранатового сока L. plantarum ATCC 14917 не наблюдалось после 28 дней хранения в холодильнике при температуре 4 °C, тогда как свежий гранатовый сок обычно портится в течение 5–7 дней при хранении в холодильнике при 4 °C.

Примеры ферментированных фруктовых соков с различными штаммами LAB (включая L. plantarum) отдельными культурами или смешанными

Тем не менее на функциональность и физиологический статус LAB во время молочнокислого брожения и хранения сброженных соков в холодильнике может повлиять воздействие определенных факторов, таких как кислота и холод. В частности, некоторые очень кислые фруктовые соки, такие как клюквенный (pH 2,7), гранатовый (pH 3,0–3,5), лимонный и лаймовый сок (pH 2,8) [34], оказывают серьезное влияние на жизнеспособность LAB, [35] во время процесса производства и хранения [36]. В частности, касаемо пробиотических штаммов LAB, выживание в неблагоприятных условиях является важным критерием сохранности пробиотиков [37]. Воздействия неблагоприятных факторов можно избежать, используя предварительную адаптацию, инкапсуляции, а также смешивание со вторым соком и правильный выбор пробиотических штаммов LAB.

Наиболее распространенным способом адаптации к стрессу является изменение питательной среды и/или условий инкубации. Преадаптивная или адаптивная эволюция [38] включает в себя воздействие на микроорганизмы сублетального стресса (pH, холод, осмотическое давление и т.д.). Воздействие этих факторов в течение ограниченного времени будет способствовать устойчивости к деформации при дальнейшем воздействии стресса более высокого уровня или другого стресса. Этот метод был применен в процессе молочнокислой ферментации фруктовых соков пробиотиками, и были получены положительные результаты [39–41].

Микрокапсулирование считается перспективным методом повышения жизнеспособности пробиотиков в функциональных напитках. Микрокапсулирование пробиотиков обеспечивает высокую степень сохранения пробиотических свойств и укрепления клеток в процессе различных физико-химических изменений, таких как pH, температура, соли желчных кислот и т.д. [42–45]. Помимо повышения жизнеспособности штаммов бактерий в пищевых продуктах еще одной целью микрокапсулирования пробиотиков является повышение устойчивости пробиотических клеток в желудочно-кишечном тракте. Были предложены различные методы микрокапсулирования пробиотических клеток, такие как эмульгирование, распылительная сублимационная сушка и экструзия, с многочисленными инкапсулирующими агентами [46]. Наиболее часто применяемыми инкапсулирующими агентами являются природные биополимеры, такие как альгинат и κ-каррагинан, а также пребиотики, такие как резистентный крахмал, инулин, фруктоолигосахарид и клетчатка [47]. Применение пребиотиков в качестве инкапсулирующих агентов кажется более приемлемым, поскольку это рентабельная технология в промышленных масштабах и дает обнадеживающие результаты [48, 49]. Функциональность LAB может быть значительно улучшена с помощью физических методов. Наиболее распространенная применяемая технология – ультразвук (УЗИ). Пробиотику L. casei NRRL B442 удается выжить в течение как минимум 21 дня при 4 °C в обработанном ультразвуком ананасовом соке [50]. В другом исследовании L. reuteri, L. plantarum, L. casei, бифидобактерии и пропионибактерии обрабатывали УЗИ перед инокуляцией в натуральном рисовом напитке, в результате pH и вкусовые показатели сохранялись в течение 7 дней [51, 52]. Другой перспективный способ – добавление второго сока (свежего или ферментированного) к основному. Основная причина такой обработки – небольшое повышение низкого значения pH основного сока, чтобы повысить выживаемость пробиотического штамма. Точно так же для этой цели был предложен морковный сок, так как он имеет значение pH около 6. Кроме того, добавление 5 % сока ацеролы к апельсиновому соку предотвращало образование углекислого газа в течение трех недель и не влияло на содержание пробиотиков в течение четырех недель хранения при 8 °C [53].

Следует отметить, что тип штаммов LAB, применяемых для молочнокислого брожения, также имеет решающее значение, поскольку клетки могут выдерживать воздействие физико-химических параметров фруктового сока (особенно низкие значения pH). В последнее время штаммы пробиотических LAB привлекают к себе внимание, поскольку считаются штаммами с устойчивостью к кислоте. Однако есть примеры, что жизнеспособность некоторых пробиотиков также может снижаться во время ферментации и хранения молочной кислоты, особенно при низких температурах в течение более 14 дней. В целом фруктовое сырье может влиять на жизнеспособность пробиотиков как положительно, так и отрицательно. Кроме того, снижение жизнеспособности пробиотиков неизбежно при хранении ферментированных фруктовых соков в холодильнике более трех недель. Главная проблема в уровне снижения, особенно пробиотических штаммов. Например, пробиотик L. reuteri сильно зависит от вида сока. Он сохранился в ананасовом, апельсиновом и яблочном соках, тогда как в красных фруктах он значительно снизился [54]. В другом исследовании жизнеспособность пробиотических клеток L. plantarum ATCC 14917 в соке кизиловой вишни снизилась примерно в 4 раза после 28 дней холодного хранения, в то время как мякоть асаи улучшила жизнеспособность L. acidophilus, B. animalis ssp. lactis и B. longum в течение четырех недель хранения в холодильнике. Тем не менее большинство пробиотических штаммов, применяемых для молочнокислого брожения фруктового сока, сохраняют свою жизнеспособность до минимального предела (6 log КОЕ/мл), и они могут придавать пробиотические свойства конечному продукту [55]. Таким образом, выбор подходящих LAB, способных преодолевать неблагоприятные условия окружающей среды в составе фруктового сока и, кроме того, улучшать функциональные характеристики сока, является возможным и перспективным. Поэтому и пробиотические штаммы L. plantarum в последнее время привлекают к себе повышенное внимание с целью использования для ферментации фруктового сырья.

2. Основные преимущества применения L. plantarum при ферментации пищевых продуктов

L. plantarum является безопасным микроорганизмом и широко используется в технологиях ферментации пищевых продуктов. Он также использовался в производстве пищевых пробиотиков, таких как штамм L. plantarum 299v, который широко применяется в промышленности [56]. Это факультативная гетероферментативная форма LAB, которая может переносить комбинацию высокой кислотности и концентрации этанола и выживать в условиях, которые обычно фатальны для LAB. Адаптивность L. plantarum к процессу ферментации, его метаболическая гибкость и универсальность – вот некоторые из важнейших характеристик, которые делают его уникальным среди других LAB. L. plantarum был выделен из многочисленных источников пищи, таких как злаки, мясо, молочные продукты, овощи, фрукты и напитки [57, 58], а также из организма человека и млекопитающих. L. plantarum может адаптироваться к различным видам растительного сырья, вероятно, из-за размера его генома (в среднем 3,3 Мб), который является одним из крупнейших, обнаруженных в пределах рода Lactobacillus [59].

Кроме того, L. plantarum может участвовать в нескольких биохимических реакциях, обычно заканчивающихся необходимыми метаболитами, из-за своего специфического ферментативного состава. L. plantarum содержит множество внеклеточных ферментов, которые способствуют секреции и модификации белков, а также модификации и деградации внеклеточных соединений, что позволяет использовать такие молекулы в качестве источника питательных веществ [60]. В частности, L. plantarum обладает ферментами, такими как танназа, β-глюкозидаза, α-глюкозидаза и β-галактозидаза, p-декарбоксилаза кумаровой кислоты и общая декарбоксилаза, которые катализируют производство соединений с высокой добавленной стоимостью, таких как фенольные соединения, приводящие к образованию соединений, которые положительно влияют на аромат пищи и увеличивают антиоксидантную активность [62]. Производство арил-β-глюкозидаз L. plantarum инициирует повышение функционально (антиоксидантная активность и биодоступность) гликозилированных фенольных соединений. Кроме того, использование L. plantarum в различных растительных продуктах, таких как фруктовые соки, с высоким содержанием дубильных веществ, снижает фенольную терпкость, которая является причиной неприятного вкуса многих фруктовых соков [63].

В последнее время пробиотические штаммы L. plantarum были успешно применены в медицине с перспективными результатами. В частности, эффективность штаммов L. plantarum в лечении желудочно-кишечных расстройств, снижении холестерина и уменьшении симптомов синдрома раздраженного кишечника (СРК) была исследована и испытана на людях [64].

Несколько штаммов L. plantarum проявили антимикробную и антагонистическую активность против некоторых вредных микроорганизмов, противогрибковую активность и противовирусные эффекты. Кроме того, следует выделить широкий спектр бактериоцинов и экзополисахаридов (ЭПС), которые L. plantarum способен продуцировать. Бактериоцины обладают широким спектром антимикробной активности против грамположительных и грамотрицательных бактерий, в то время как ЭПС обладает потенциальными полезными для здоровья свойствами в отношении функциональных пищевых продуктов [65].

3. Применение штаммов L. plantarum при ферментации различных фруктовых соков

Штаммами L. plantarum было успешно ферментировано большое количество фруктовых соков, что привело к получению конечных продуктов с потенциально функциональными свойствами. Большинство из этих зарегистрированных положительных эффектов представлены нами в таблице, их можно обобщить следующим образом: усиление антиоксидантной активности, повышение общего содержания фенольных соединений и общего содержания антоцианов, продление срока хранения фруктовых соков и улучшение органолептических свойств полученных продуктов. Установлено, что L. plantarum ATCC14917 изменял фенольный состав яблочного сока после ферментации и увеличил его общую антиоксидантную способность, а также биодоступность полифенолов яблок [28]. Употребление человеком фенолов, содержащихся в пище, необходимо для проявления их полезных свойств в организме. В основном это оценивается по их химической структуре, которая зависит от таких факторов, как степень гликозилирования и конъюгации с другими фенольными соединениями [66].

С другой стороны, предприятия пищевой промышленности ищут способы производить новые продукты с повышенной питательной ценностью. Более того, есть много подтверждений того, что применение пробиотических бактерий при ферментации фруктовых соков может привести к получению конечного продукта с функциональными свойствами и особыми преимуществами для здоровья человека [67–69].

Несмотря на то, что L. plantarum обычно может размножаться при температурах от 15 до 30 °C и значениях pH, близких к 4 [70], существуют определенные пробиотические штаммы L. plantarum с хорошей переносимостью при низких значениях pH (приблизительно 3,2) и при низких температурах самих фруктовых соков (4–8 °С) [71]. Например, жизнеспособность пробиотика L. plantarum NCIMB 8826 снижалась при хранении в холодильнике (4 °C) соков клюквы, граната, лимона и лайма с начальными значениями pH примерно 3. Однако только в случае с соком лимона и соком лайма клетки были жизнеспособными до тридцать пятого дня. Это можно объяснить высокими уровнями фенольных соединений в клюквенном соке [32] и гранатовом соке, которые, как известно, обладают сильными антимикробными свойствами, и тем фактом, что клетки были преадаптированы к лимонной кислоте, которая является основным противомикробным соединением в соке лимона и лайма, что приводит к более высокой жизнеспособности этого сока по сравнению с другими [32]. В другом недавнем исследовании жизнеспособность клеток пробиотика L. plantarum ATCC14917 оставалась на высоком уровне в течение 21 дня холодного хранения (4 °C) ферментированного гранатового сока (первоначально 11,43 log КОЕ/мл) и снизилась до 8,83 log КОЕ/мл на четвертой неделе хранения сверх установленного срока для проявления пробиотических свойств. Такие же наблюдения были сделаны при хранении в холодильнике (4 °C) ферментированной кизиловой вишни и гранатового сока с L. plantarum ATCC 14917 и ферментированного сладкого лимонного сока (Citrus Limetta) с L. plantarum LS5 [70, 71].

Кроме того, L. plantarum положительно влияет на вкус фруктовых соков, приводя к более высокому содержанию желаемых летучих соединений во время ферментации. Молочнокислая ферментация сока L. plantarum значительно улучшила состав и выработку необходимых летучих соединений, что привело к усилению аромата и улучшенным органолептическим показателям. L. plantarum 285 продемонстрировал интересные свойства с точки зрения общего ароматического потенциала, а также типа летучих соединений, образующихся в результате кисломолочной ферментации сока бузины [17]. Ферментация черничных соков с L. plantarum повысила приемлемость конечного продукта [72].

Проведено исследование пригодности ананасового сока в качестве сырья для производства ферментированного пробиотического сока молочнокислыми бактериями Lactobacillus plantarum [73]. Три пробиотических образца сока, инокулированных L. plantarum (S-2), L. fermentum (S-3), а также L. plantarum и L. fermentum (S-4), сравнивали с контрольным образцом (S-1), где штаммы Lactobacillus не использовались. Ферментацию проводили при 37 °С в течение 48 ч. Затем образцы сока хранили при 4 °C и изучали изменение их физико-химических свойств на 0, 7, 14 и 21 день. Было установлено, что L. plantarum способны выдерживать и использовать фруктовые соки для синтеза своих клеток, снижая содержание сахаров и увеличивая кислотность. Хотя молочнокислые культуры постепенно теряли свою жизнеспособность, количество жизнеспособных клеток этих штаммов оставалось на уровне 107 КОЕ/100 мл после 14 дней хранения в холодильнике. Органолептическая оценка показала, что образец сока, приготовленный с L. plantarum, показал наилучшие результаты во время хранения. Следовательно, ананасовый сок можно использовать в качестве сырья для производства полезных пробиотических напитков профилактического и функционального назначения.

В проведенном исследовании [74] авторы сравнивали три потенциальных пробиотических штамма для ферментации соков черники и ежевики. Количество жизнеспособных клеток штаммов L. plantarum увеличилось на 0,7 log КОЕ/мл в среде с ягодным соком после 48-часовой ферментации. При этом содержание цианиндин-3-глюкозида уменьшилось более чем на 30 %. Установлено повышение содержания сиринговой кислоты, феруловой кислоты, галловой кислоты и молочной кислоты во время ферментации. Однако содержание протокатеховой кислоты, хлорогеновой и яблочной кислот незначительно уменьшилось. Соки как ежевики, так и черники, ферментированные Lactobacillus plantarum, показали самое высокое содержание молочной кислоты. Пробиотическая ферментация значительно улучшила органолептические показатели соков ежевики и черники.

Учитывая, что яблоки являются наиболее распространённым фруктовым сырьем, необходимо особо выделить научное исследование, проведенное китайскими и австралийскими учеными [75].

В этом исследовании для ферментации яблочного сока были выбраны три штамма молочнокислых бактерий (LAB), включая Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei и Lactobacillus plantarum. В течение 72 ч ферментации эти штаммы молочнокислых бактерий хорошо размножались в яблочном соке со значительным увеличением числа жизнеспособных клеток (с 7,5 log КОЕ/мл до 8,3 log КОЕ/мл) и содержания молочной кислоты (с 0 до 4,2 г/л). С 5,5 до примерно 3,8 снизилась рН. Кроме того, антиоксидантные и антибактериальные свойства ферментированного яблочного сока in vitro были значительно улучшены за счет метаболизма фенольной и органической кислот. После хранения при 4 °С в течение 30 дней общее содержание аминокислот в сброженном яблочном соке значительно увеличилось, хотя количество жизнеспособных клеток и общее содержание фенолов снизилось (p < 0,05). Кроме того, хранящиеся ферментированные яблочные соки по-прежнему обладали антибактериальной и антиоксидантной активностью in vitro. В целом все отобранные штаммы молочнокислых бактерий могут быть пригодны для ферментации яблочного сока и могут эффективно улучшать их биологическую активность.

Следует отметить, что в процессе проводимых исследований, методом пробного сбраживания на сегодняшний день предприятиями пищевой промышленности, для производства различных пробиотических фруктовых напитков путем ферментации отобраны и в основном используются штаммы пробиотиков L. plantarum как отдельно, так и в совокупности со смешанными культурами. На рынке многих стран присутствуют такие продукты, как фруктовый напиток Probi-Bravo Friscus (Швеция) – L. plantarum, L. Paracasei; фруктовый напиток Danone-ProViva (Швеция, Финляндия) – L. plantarum; фруктово-овощное пюре, пробиотик для детей Garden of Life RAW(США) – L. gasseri, L. plantarum, L. casei, L. Acidophilus; фруктовый сок GoodBelly (США) – L. plantarum 299v; фруктово-овощной пробиотический напиток KeVita (США) – B. coagulans, L. rhamnosus, L. Plantarum; пробиотический фруктовый сок Life Probiotic (Австралия) – L. plantarum, L. Casei [76]. Предполагаемый способ использования и применения LAB вполне может быть расширен, так как исследования продолжаются. Благодаря биологической активности, которую проявляют микроорганизмы, можно получать различные пробиотические продукты, укрепляющие иммунитет и способствующих профилактике различных заболеваний.

К сожалению, как видно из материала данного обзора, научных исследований и их практического применения в промышленности Российской Федерации и стран ЕАЭС ферментации фруктовых соков на момент написания рукописи нами практически не установлено. Хотя сырьевая база для создания таких продуктов имеется и производство ферментированных фруктовых соков, особенно яблочного, не требует больших материальных затрат.

Заключение

Фруктовые соки являются подходящими субстратами для молочнокислого брожения. Ферментация фруктовых соков дает возможность получать напитки без лактозы, с пониженным содержанием сахара, со специфическим вкусом и содержанием полезных биологически активных соединений. L. plantarum можно считать универсальным видом, так как он содержит широкий набор ферментов, способствующих образованию биологически активных соединений, бактериоционов и EPS, которые обладают антимикробными, антиоксидантными и пробиотическими свойствами. Применение пробиотических штаммов L. plantarum для брожения фруктовых соков является перспективным, поскольку это позволит создавать пищевые продукты с увеличенным сроком хранения, повышенной пищевой ценностью, улучшенными органолептическими показателями. Получаемые продукты могут использоваться в качестве функционального и профилактического напитка, способствующего укреплению иммунитета и профилактике заболеваний. Хотя различные отрасли пищевой промышленности, связанные с производством функциональных продуктов питания, включая использование в качестве сырья фруктов и овощей, широко используют штаммы пробиотиков L. plantarum, обновленные накопленные научные знания имеют первостепенное значение для оптимального использования штаммов L. plantarum. Результаты данной обзорной статьи могут быть использованы при проведении дальнейших научных исследований, а также специалистами пищевой промышленности при разработке ферментированных фруктовых напитков функционального и профилактического назначения.