Специалисты Научно-исследовательского центра пищевой промышленности и фармацевтики (НИЦ ППиФ) ГК «СОЮЗСНАБ» разработали заквасочную культуру для высокобелкового йогурта с помощью математической модели подбора микроорганизмов.
Модель оценила около миллиона возможных сочетаний штаммов и отобрала 20 наиболее перспективных. После проверки в продукте учёные выбрали из них две композиции. Чтобы перебрать такой массив классическим лабораторным методом, понадобились бы столетия. Разработка позволяет управлять скоростью ферментации и структурой продукта: она предотвращает образование крупных белковых агрегатов и отделение сыворотки.
Высокобелковый йогурт нельзя получить простым увеличением концентрации белка в классической рецептуре. При содержании белка 8–10% молочная система ведёт себя иначе. Возрастает буферная ёмкость, меняется кинетика кислотообразования, усложняется взаимодействие казеиновых мицелл и сывороточных белков. Привычные закваски в таких условиях дают чрезмерно плотный или неоднородный сгусток, крупитчатость и синерезис, то есть отделение сыворотки при хранении.
До сих пор культуры для таких систем подбирали экспериментально. Исследователи комбинировали штаммы, сквашивали образцы, измеряли реологию геля и оценивали его стабильность. Лаборатория успевает проверить около десяти сочетаний в день, поэтому даже 10 000 вариантов требуют порядка трёх лет работы. При этом число возможных комбинаций растёт с каждым новым штаммом, а результат, полученный для одной белковой системы, не всегда переносится на другую.
Учёные НИЦ ППиФ перенесли основную часть перебора в расчёт. Модель объединяет характеристики белковой матрицы и технологические свойства микроорганизмов: интенсивность кислотообразования, совместимость штаммов, особенности формирования белковой сети, её влагоудерживающую способность и риск образования крупных агрегатов.
Ключевое отличие подхода в том, что он решает обратную задачу. При традиционном подборе исследователь выясняет, какой продукт даст конкретная закваска. Модель движется в обратном направлении: от заданного результата к составу культуры. Сначала задаются нужные свойства йогурта: плотность, однородность, стабильность геля, параметры ферментации. Затем модель рассчитывает комбинации микроорганизмов, способные их обеспечить.
В результате эксперимент перестаёт быть перебором вслепую. Из миллиона расчётных вариантов в лабораторию попали 20, и в продукте подтвердились две композиции. Объём испытаний сократился на несколько порядков, а сам подбор стал целенаправленным.
«Главная сложность высокобелкового йогурта в том, что рост концентрации белка меняет не только консистенцию, но и условия жизни микроорганизмов. Нужно одновременно учитывать метаболизм бактерий, кинетику кислотообразования и механизмы формирования белкового геля. Мы объединили эти параметры в модели и перешли от экспериментального перебора к расчётному подбору штаммов под заданные свойства продукта. Вместо трёх лет на 10 000 вариантов мы просчитали миллион и проверили в лаборатории только лучшие», — поясняют специалисты НИЦ ППиФ ГК «СОЮЗСНАБ».
Основой разработки стала собственная коллекция ГК «СОЮЗСНАБ», в которой более 10 тысяч штаммов производственно ценных микроорганизмов. Чем богаче коллекция, тем больше возможных сочетаний. Именно поэтому при таком масштабе без математического отбора не обойтись.
Работа развивает направление вычислительной биотехнологии. Здесь математика применяется не только для описания ферментации, но и для проектирования микробных композиций с заданными функциями. Большинство существующих моделей прогнозирует поведение уже выбранных микроорганизмов. Модель НИЦ ППиФ решает другую задачу: она определяет, какие микроорганизмы выбрать.
Следующий этап исследований включает расширение экспериментальных данных и адаптацию модели к другим белковым матрицам. В перспективе технология позволит создавать закваски для разных категорий высокобелковых ферментированных продуктов. При этом будут учитываться не только концентрация белка, но и его происхождение, соотношение фракций и особенности технологической обработки.
Расчётный подход, впервые применённый специалистами ГК «СОЮЗСНАБ», меняет саму задачу: подходящую закваску больше не ищут, её состав проектируют под конкретный продукт. Это создаёт научную основу для нового поколения заквасочных культур с заданными свойствами для высокобелковых молочных систем.
Источник: ssnab.ru
