hfbHealth, Food & BiotechnologyHealth, Food & Biotechnology2712-7648РОСБИОТЕХ10.36107/hfb.2019.i4.s282hfb-55Research ArticleБИОТЕХНОЛОГИИBIOTECHNOLOGYСоздание низколактозной молочной сыворотки с использованием бактериальной β-галактозидазыCreation of Low-Lactose Milk Serum using Bacterial β-GalactosidaseКрасноваЮ. В.KrasnovaYu. V.

Краснова Юлия Валерьевна

142210, город Серпухов, Большой Ударный переулок, дом 1а

Yuliya V. Krasnova

1a, Bolshoy Udarniy pereulok, Serpukhov, 142210, Russian Federation

krasnova@iifmail.ruБутоваС. Н.ButovaS. N.

Бутова Светлана Николаевна

125080, Москва, Волоколамское шоссе, дом 11

Svetlana N. Butova

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russian Federation

zhirmgupp@mgupp.ruВольноваЕ. Р.VolnovaE. R.

Вольнова Екатерина Романовна

125080, Москва, Волоколамское шоссе, дом 11

Ekaterina R. Volnova

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russian Federation

volnovaer@mgupp.ruНиколаеваЮ. В.NikolaevaJu. V.

Николаева Юлия Владимировна

125080, Москва, Волоколамское шоссе, дом 11

Julia V. Nikolaeva

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russian Federation

organikamgupp@mail.ruМежрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики»РоссияInterregional public organization «Institute of Engineering Physics»Russian FederationФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств»РоссияMoscow State University of Food ProductionRussian Federation20190605202114105113Copyright © Краснова Ю.В., Бутова С.Н., Вольнова Е.Р., Николаева Ю.В., 20202020Краснова Ю.В., Бутова С.Н., Вольнова Е.Р., Николаева Ю.В.Krasnova Y.V., Butova S.N., Volnova E.R., Nikolaeva J.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.hfb-journal.ru/jour/article/view/55

На сегодняшний момент существует проблема переработки отходов молочной промышленности, в частности молочной сыворотки. Молочная сыворотка является ценным белоксодержащим продуктом, однако на переработку поступает не более 30 % от объёма её выработки в России. В настоящей статье представлены результаты исследования, посвящённые ферментативной переработке молочной сыворотки, направленной на получение низколактозного молочного полуфабриката. В работе использовался фермент бактериальной природы – β-галактозидаза со стандартной активностью 5500 BLU/г. Изучалось влияние рН в интервале от 5,5 до 6,5, температуры в диапазоне от 40 до 45 °С, количества вносимой β-галактозидазы (0,01-0,07 % от массы сыворотки), продолжительности процесса ( от 3 до 24 часов) на эффективность гидролиза молочной сыворотки. Установлено, что при рН= 6,0; температуре 40 °С; продолжительности гидролиза 3 часа β-галактозидаза в дозировке 0,05 % обеспечивает оптимальное остаточное количество лактозы в сыворотке, равное 0,6 %. Максимального снижения лактозы в сыворотке (массовая доля лактозы составила 0,1 %) также удалось добиться при следующих параметрах: рН=6,0; температура 40 °С, продолжительность 24 часа, количество фермента 0,07 %. Но проведение гидролиза при указанных параметрах было признано нерациональным и экономически нецелесообразным. Таким образом, были получены оптимальные параметры переработки молочной сыворотки при помощи бактериальной β-галактозидазы. Был получен низколактозный молочный полуфабрикат, который является перспективной сырьевой основой функциональных и специализированных продуктов питания, предназначенных для людей, страдающих лактозной непереносимостью.

Today, there is a problem of processing waste of the dairy industry, in particular whey. Whey is a valuable protein-containing product, but no more than 30% of the volume of its generation in Russia goes into processing. This article presents the results of research on enzymatic processing of whey aimed at obtaining low-lactose dairy semi-finished product. The enzyme of bacterial nature - β-galactosidase with a standard activity of 5500 BLU/g was used in the research. The influence of pH in the range from 5.5 to 6.5, temperature in the range from 40 to 45 °C, amount of β-galactosidase introduced (0.01-0.07% of serum mass) and the duration of the process (from 3 to 24 hours) on the efficiency of whey hydrolysis was studied. It was found that at pH = 6.0; temperature of 40 °C and the duration of hydrolysis of 3 hours the dosage of β-galactosidase amounting to 0.05% provides optimal residual amount of lactose in serum equal to 0.6%. The maximum reduction of lactose in serum (the mass fraction of lactose was 0.1%) was also achieved at the following parameters: pH = 6.0; temperature 40 °C, duration 24 hours, the amount of enzyme 0.07%. But the hydrolysis at these parameters was considered irrational and economically inappropriate. Thus, optimal parameters for milk whey processing using bacterial β-galactosidase were determined. A low-lactose dairy semi-finished product was obtained, which is a promising raw material for functional and specialized food products intended for people suffering lactose intolerance.

β-галактозидазамолочная промышленностьсывороткаферментативный гидролизнизколактозный полуфабрикатβ-galactosidasedairy industryserumenzymatic hydrolysislow-lactose semifinished productReferencesАрсеньева, Т. П. (2010). К чему приводит лактазная недостаточность. Молочная промышленность, 7, 28-30.Arsen’eva, T. P. (2010).What lactase deficiency leads to. Molochnaya promyshlennost’ [Dairy industry], 7, 28-30.Афанасьева, М. М., & Широкова, Н. В. (2019). Низколактозный кисломолочный продукт с растительным наполнителем. В Научные основы создания и реализации современных технологий здоровьесбережения (c. 229-232).Afanas’eva, M. M., & Shirokova, N. V. (2019). Lowlactic fermented milk product with vegetable filler. In Nauchnye osnovy sozdaniya i realizacii sovremennyh tekhnologij zdorov’esberezheniya [Scientific foundations for the creation and implementation of modern technologies for health conservation] (p.229-232).Бедных, Б. С., & Евдокимов, И. А. (2015). Моделирование углеводного состава в продуктах детского питания. Научные и практические аспекты. Молочная промышленность, 9, 50-52.Bednyh, B. S., & Evdokimov, I. A. (2015). Modeling of carbohydrate composition in baby food. Scientific and practical aspects. Molochnaya promyshlennost’ [Dairy industry], 9, 50-52.Беркетова, Л. В. (2018). Разработка продуктов с пониженным содержанием лактозы В Ю.Н. Зубцов (ред.), Здоровьесберегающие технологии в ВУЗе: состояние и перспективы (с.91-95).Berketova, L. V. (2018). Development of low lactose products. In Zdorov’esberegayushchie tekhnologii v VUZe: sostoyanie i perspektivy [Healthy-saving technologies in university: state and prospects] (p.91-95).Гаврилова, Н. Б., & Бортникова, О. А. (2019). Перспективы использования молочной сыворотки в технологии производства специализированных молочных продуктов. В Состояние и перспективы развития наилучших доступных технологий специализированных продуктов питания (c.148-150).Gavrilova, N. B., & Bortnikova, O. A. (2019). Prospects for the use of whey in the production technology of specialized dairy products. In Sostoyanie i perspektivy razvitiya nailuchshih dostupnyh tekhnologij specializirovannyh produktov pitaniya [State and development prospects of the best available technologies for specialized food products] (p.148-150).Голубев, А. Е., Ионова, И. И., & Машков В. В. (2019). Актуальность расширения низколактозных кисломолочных напитков. Вестник науки, 4 (4), 137-141.Golubev, A. E., Ionova, I. I., & Mashkov V. V. (2019). The relevance of expanding low-lactic fermented milk drinks. Vestnik nauki [Herald of Science], 4(4), 137-141.Добриян, Е. И., & Зоров И. Н. (2010). Основные направления применения β-галактозидазы в производстве молочных консервов. В Перспективные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК (c. 354-359).Dobriyan, E. I., & Zorov I. N. (2010). The main areas of application of β-galactosidase in the production of canned milk. In Perspektivnye biokatalizatory dlya pererabatyvayushchih otraslej APK [Promising biocatalysts for the processing industries of the agro-industrial complex] (p.354-359).Калинина, Е. Д., Гаврилов, А. В., & Филонов, Р. А. (2015). Исследование влияния массовой доли β-галактозидазы и продолжительности процесса на гидролиз лактозы молока. Известия сельскохозяйственной науки Тавриды, 2 (165), 98-103.Kalinina, E. D., Gavrilov, A. V., & Filonov, R. A. (2015). Investigation of the influence of the mass fraction of β-galactosidase and the duration of the process on the hydrolysis of milk lactose. Izvestiya sel’skohozyajstvennoj nauki Tavridy [News of agricultural science of Tauris], 2 (165), 98-103.Кисель, А. А. (2019). Растительные альтернативы молоку - развивающийся сегмент функциональных напитков. В Конкурентоспособность территорий (c. 184-186).Kisel’, A. A. (2019). Plant-based alternatives to milk – a growing segment of functional beverages. In Konkurentosposobnost’ territorij [Competitiveness of territories] (p.184-486).Козлов, С. Г. (2008). Исследование и разработка технологии сывороточных гелеобразных продуктов с использованием растительного сырья [Кандидатская диссертация, Кемеровский технологический институт пищевой промышленности]. Кемерово, Российская ФедерацияKozlov, S. G. (2008). Issledovanie i razrabotka tekhnologii syvorotochnyh geleobraznyh produktov s ispol’zovaniem rastitel’nogo syr’ya [Research and development of technology for whey gel products using plant materials] [Candidate dissertation] Kemerovo.Костеневич, А. А., & Сапунова, Л. И.(2013). Бактериальные β-галактозидазы: биохимическое и генетическое разнообразие. Труды БГУ 2013, 8 (1), 52-63.Kostenevich, A. A., & Sapunova, L. I.(2013). Bacterial β-galactosidases: biochemical and genetic diversity. Trudy BGU 2013 [Proceedings of BSU 2013], 8 (1), 52-63.Красникова, Л.В., Маркелова, В.В., Вербицкая, Н.Б., Добролеж, О.В. (2012). Функциональные продукты из молочной сыворотки с использованием антагонистически активных штаммов ацидофильных лактобактерий. Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 1 (325), 41-43.Krasnikova, L. V., Markelova, V. V., Verbickaya, N. B., & Dobrolezh, O. V . (2012). Functional whey products using antagonistically active strains of acidophilic lactobacilli. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Pishchevaya tekhnologiya [News of higher educational institutions. Food technology], 1 (325), 41-43.Кушугулова, А. Р. (2010). Актуальные вопросы исследований и производства пробиотической продукции. Биотехнология. Теория и практика, 2, 25-31.Kushugulova, A. R. (2010). Current issues of research and production of probiotic products. Biotekhnologiya. Teoriya i praktika [Biotechnology. Theory and practice], 2, 25-31.Остроумов, Л. А., & Гаврилов, В. Г. (2013). Биотрансформация лактозы ферментными препаратами β-галактозидазы. Техника и технология пищевых производств, 1, 1-5.Ostroumov, L. A., & Gavrilov, V. G. (2013). Biotransformation of lactose with β-galactosidase enzyme preparations. Tekhnika i tekhnologiya pishchevyh proizvodstv [Technique and technology of food production], 1, 1-5.Поротова, Е. Ю., Храмицев, А. Г., & Лодыгин, А. Д. (2015). Исследование закономерностей ферментативного гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье. Известия сельскохозяйственной науки Тавриды, 3(166), 36-40.Porotova, E. YU., Hramicev, A. G., & Lodygin, A. D. (2015). The study of the patterns of enzymatic hydrolysis of lactose in secondary milk raw materials. Izvestiya sel’skohozyajstvennoj nauki Tavridy [News of agricultural science of Tauris], 3(166), 36-40.Сапунова, Л. И., & Костеневич, А. А. (2014). Внеклеточные полисахариды дрожжевого гриба Cryptococcus flavescens - продуцента β-галактозидазы. Успехи медицинской микологии, 12, 264-266.Sapunova, L. I., & Kostenevich, A. A. (2014). Extracellular polysaccharides of the yeast fungus Cryptococcus flavescens - producer of β-galactosidase. Uspekhi medicinskoj mikologii [Advances in Medical Mycology], 12, 264-266.Серба, Е. М., Оверченко, М. Б., Игнатова, Н. И., Медриш, М. Э., & Римарева, Л. В. (2018). Обоснование метода определения β-галактозидазной активности ферментных препаратов. Вестник российской сельскохозяйственной науки, 6, 65-68. https://doi.org/10.30850/vrsn/2018/6/65-68Serba, E. M., Overchenko, M. B., Ignatova, N. I., Medrish, M. E., & Rimareva, L. V. (2018). Justification of the method for determining β-galactosidase activity of enzyme preparations. Vestnik rossijskoj sel’skohozyajstvennoj nauki [Bulletin of the Russian agricultural science], 6 , 65-68. https://doi.org/10.30850/vrsn/2018/6/65-68Судакова, О. А., Вийтив, И. М., & Лашеб, С. Л. (2017). Анализ рыночного предложения детских молочных смесей в Москве. Тверской медицинский журнал, 1, 51-52.Sudakova, O. A., Vijtiv, I.M., & Lasheb, S. L. (2017). Analysis of the market supply of infant formula in Moscow. Tverskoj medicinskij zhurnal [Tver Medical Journal], 1, 51-52.Тихомирова, Н. А. (2016). Низколактозные и безлактозные продукты детского и лечебного питания. Переработка молока, 3 (197), 16-23.Tihomirova, N. A. (2016). Low-lactose and lactose- free products for children and medical nutrition. Pererabotka moloka [Milk processing], 3(197), 16-23.Чернышова, К. С., Андреева, А. А., & Кузнецова, Д. С. (2016). Вторичная лактазная недостаточность в аспекте симбионтного пищеварения. В Mолодежь, наука, медицина (c. 536-537).Chernyshova, K. S., Andreeva, A. A., & Kuznecova, D. S. (2016).Secondary lactase deficiency in the aspect of symbiotic digestion. In Molodezh’, Nauka, Medicina [Youth, Science, Medicine] 536-537.Adiguzel, A., Nadaroglu, H., & Adiguzel, G. (2018). Purification and characterization of -mannanase from Bacillus pumilus (M27) and its applications in some fruit juices. Journal of Food Science and Technology-mysore, 52(8), 5292-5298. https://doi.org/10.1007/s13197-014-1609-yAdiguzel, A., Nadaroglu, H., & Adiguzel, G. (2018). Purification and characterization of -mannanase from Bacillus pumilus (M27) and its applications in some fruit juices. Journal of Food Science and Technology-mysore, 52(8), 5292-5298. https://doi.org/10.1007/s13197-014-1609-yArnold, J. W., Simpson, J. B., Roach, J., Bruno- Barcena, J. M., & Azcarate-Peril, M. A. (2018). Prebiotics for Lactose Intolerance: Variability in Galacto-Oligosaccharide Utilization by Intestinal Lactobacillus rhamnosus. Nutrients, 10(157), https://doi.org/10.3390/nu10101517Arnold, J. W., Simpson, J. B., Roach, J., Bruno- Barcena, J. M., & Azcarate-Peril, M. A. (2018). Prebiotics for Lactose Intolerance: Variability in Galacto-Oligosaccharide Utilization by Intestinal Lactobacillus rhamnosus. Nutrients, 10(157), https://doi.org/10.3390/nu10101517Bosso, A., Setti, A. C. I ., Tomal, A. B., Guemra, S., Morioka, L. R. I., & Suguimoto, H. H. (2019). Substrate consumption and beta-galactosidase production by Saccharomyces fragilis IZ 275 grown in cheese whey as a function of cell growth rate. Biocatalysis and agricultural biotechnology, 21, UNSP 101335. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2019.101335Bosso, A., Setti, A. C. I ., Tomal, A. B., Guemra, S., Morioka, L. R. I., & Suguimoto, H. H. (2019). Substrate consumption and beta-galactosidase production by Saccharomyces fragilis IZ 275 grown in cheese whey as a function of cell growth rate. Biocatalysis and agricultural biotechnology, 21, UNSP 101335. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2019.101335Juajin, O., Nguen, Thu-Ha, Maischberger, T., Iqbal, S., Haltrich, P., & Yamabhai, M. (2011). Cloning, purification, and characterizationof β-galactosidase from Bacillus licheniformis DSM 13. Biotechnologically Relevant Enzymes and Proteins, 89, 645-654. https://doi.org/10.1007/s00253-010-2862-2Juajin, O., Nguen, Thu-Ha, Maischberger, T., Iqbal, S., Haltrich, P., & Yamabhai, M. (2011). Cloning, purification, and characterizationof β-galactosidase from Bacillus licheniformis DSM 13. Biotechnologically Relevant Enzymes and Proteins, 89, 645-654. https://doi.org/10.1007/s00253-010-2862-2Kim, S., Huang, E., Park, S., Holzapfel, W., & Lim, S. D. (2018). Physiological Characteristics and Anti-obesity Effect of Lactobacillus plantarum K10. Korean Journal for Food Science of Animal resources, 38(3), 554-569. https://doi.org/10.5851 /kosfa.2018.38.3.554Kim, S., Huang, E., Park, S., Holzapfel, W., & Lim, S. D. (2018). Physiological Characteristics and Anti-obesity Effect of Lactobacillus plantarum K10. Korean Journal for Food Science of Animal resources, 38(3), 554-569. https://doi.org/10.5851 /kosfa.2018.38.3.554Lapides, R. A., & Savaiano, D. A. (2018). Gender, Age, Race and Lactose Intolerance: Is There Evidence to Support a Differential Symptom Response? A Scoping Review. Nutrients, 10(12). 1956. https://doi.org/10.3390/nu10121956Lapides, R. A., & Savaiano, D. A. (2018). Gender, Age, Race and Lactose Intolerance: Is There Evidence to Support a Differential Symptom Response? A Scoping Review. Nutrients, 10(12). 1956. https://doi.org/10.3390/nu10121956Liu, P., Xie, J. X., Liu, J. H., & Ouyang, J. (2019). A novel thermostable beta-galactosidase from Bacillus coagulans with excellent hydrolysis ability for lactose in whey. Journal of Dairy Science, 102(11), 9740-9748. https://doi.org/10.3168/jds.2019-16654Liu, P., Xie, J. X., Liu, J. H., & Ouyang, J. (2019). A novel thermostable beta-galactosidase from Bacillus coagulans with excellent hydrolysis ability for lactose in whey. Journal of Dairy Science, 102(11), 9740-9748. https://doi.org/10.3168/jds.2019-16654Mano, M. C. R., Paulino, B. N., & Pastore, G. M. (2019). Whey permeate as the raw material in galacto-oligosaccharide synthesis using commercial enzymes. Food Research International, 124, 78-85. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.09.019Mano, M. C. R., Paulino, B. N., & Pastore, G. M. (2019). Whey permeate as the raw material in galacto-oligosaccharide synthesis using commercial enzymes. Food Research International, 124, 78-85. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.09.019Szilagyi, A., & Ishayek, N. (2018). Lactose Intolerance, Dairy Avoidance, and Treatment Options. Nutrients, 10(12), 1994. https://doi.org/10.3390/nu10121994Szilagyi, A., & Ishayek, N. (2018). Lactose Intolerance, Dairy Avoidance, and Treatment Options. Nutrients, 10(12), 1994. https://doi.org/10.3390/nu10121994Thum, C., Weinborn, V., Barile, D., McNabb, W. C., Roy, N. C., & Bell, J. M. L. N. D. (2019). Understanding the Effects of Lactose Hydrolysis Modeling on the Main Oligosaccharides in Goat Milk Whey Permeate. Molecules, 24(18), 3294. https://doi.org/10.3390/molecules24183294Thum, C., Weinborn, V., Barile, D., McNabb, W. C., Roy, N. C., & Bell, J. M. L. N. D. (2019). Understanding the Effects of Lactose Hydrolysis Modeling on the Main Oligosaccharides in Goat Milk Whey Permeate. Molecules, 24(18), 3294. https://doi.org/10.3390/molecules24183294Zheng, X., Chu, H., Cong, Y., Deng, Y., Long, Y., Zhu, Y., Pohl, D., Fried, M., Dai, N., & Fox, M. (2015). Self-reported lactose intolerance in clinic patients with functional gastrointestinal symptoms: prevalence, risk factors, and impact on food choices. Neurogastroenterology and Motility, 27(8), 1138-1146. https://doi.org/10.1111/nmo.12602Zheng, X., Chu, H., Cong, Y., Deng, Y., Long, Y., Zhu, Y., Pohl, D., Fried, M., Dai, N., & Fox, M. (2015). Self-reported lactose intolerance in clinic patients with functional gastrointestinal symptoms: prevalence, risk factors, and impact on food choices. Neurogastroenterology and Motility, 27(8), 1138-1146. https://doi.org/10.1111/nmo.12602

The authors declare that there are no conflicts of interest present.