Разработка технологии ферментированных молочных продуктов с применением ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов Шершенков Борис Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор научной, технической и патентной информации .13

1.1 Актуальные проблемы молочной промышленности .13

1.1.1 Вопросы выработки ферментированных молочных продуктов в условиях дефицита качественного молочного сырья 13

1.1.2 Производство функциональных ферментированных молочных продуктов с пониженным содержанием лактозы 16

1.1.3 Проблемы утилизации вторичного молочного сырья и варианты их решения .19

1.1.4 Направленный биосинтез функциональных компонентов на средах на основе молочной сыворотки 24

1.2 Витамин B12 – перспективный функциональный компонент для обогащения ферментированной молочной продукции 27

1.2.1 Свойства витамина B12 и его роль в жизнедеятельности человека и животных 27

1.2.2 Промышленное производство витамина B12 на основе молочной сыворотки 32

1.3 Применение ультразвука в пищевой биотехнологии .35

1.3.1 Воздействие ультразвуковой обработки на биотехнологические среды .35

1.3.2 Ультразвук как перспективный метод повышения эффективности технологических процессов молочной промышленности 39

1.3.3 Ультразвуковая интенсификация биотехнологических процессов молочной промышленности 43

Глава 2 Объекты и основные методы исследований 49

2.1 Организация проведения исследования 49

2.2 Объекты исследования 53

2.3 Методы исследований 55

2.3.1 Нормативная база применяемых методов исследования 55

2.3.2 Описание методик определения влияния ультразвука на физико-химические показатели исследуемых образцов 57

2.3.3 Математическая обработка результатов измерений 65

Глава 3 Влияние ультразвуковой обработки при заданных режимах на физико химические показатели восстановленного молока, подвергнутого ультразвуковой обработке различной интенсивности и длительности 69

Глава 4 Влияние ультразвуковой обработки на ферментативную активность смесей мезофильных культур микроорганизмов, используемых в производстве ферментированных молочных продуктов 77

4.1 Исследование влияния ультразвуковой обработки на ферментативную активность сублимированной смеси культур Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. cremoris (biovar diacetylactis) .77

4.2 Анализ физико-химических, структурно-механических и микробиологических показателей образцов выработанных продуктов .78

4.3 Исследование влияния ультразвуковой обработки на ферментативную активность мезофильных культур лиофилизированной закваски прямого внесения 85

4.4 Анализ физико-химических показателей, технологических и потребительских свойств образцов выработанных продуктов .86

4.5 Определение режимов ультразвуковой интенсификации ферментативной активности мезофильных культур микроорганизмов 95

4.6 Разработка методики управления качеством продукции в технологическом потоке при помощи ультразвуковой интенсификации ферментативной активности мезофильных культур микроорганизмов 98

Глава 5 Влияние ультразвуковой обработки на ферментативную активность термофильных симбиотических культур микроорганизмов, используемых в производстве ферментированных молочных продуктов 103

5.1 Исследование влияния ультразвуковой обработки на ферментативную активность сублимированной симбиотической культуры Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus 103

5.2 Анализ физико-химических, структурно-механических и микробиологических показателей образцов выработанных продуктов 104

5.3 Исследование влияния ультразвуковой обработки на ферментативную активность термофильных культур лиофилизированной закваски прямого внесения 111

5.4 Анализ физико-химических показателей, технологических и потребительских свойств образцов выработанных продуктов 112

5.5 Определение режимов ультразвуковой интенсификации ферментативной активности термофильных культур микроорганизмов 122

5.6 Разработка методики управления качеством продукции в технологическом потоке при помощи ультразвуковой интенсификации ферментативной активности термофильных культур микроорганизмов 124

Глава 6 Влияние ультразвуковой обработки на метаболическую активность промышленной культуры Propionibacterium schermanii 129

6.1 Исследование влияния ультразвуковой обработки на образование кобаламинов чистыми штаммами Propionibacterium schermanii 129

6.2 Анализ физико-химических показателей ферментированной сыворотки .131

6.3 Разработка методики ультразвуковой модуляции метаболизма производственных штаммов Propionibacterium schermanii развивающихся на средах на основе молочной сыворотки .137

Глава 7 Технико-экономическая часть 139

7.1 Технологические решения для ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов в молочном производстве 139

7.2 Разработка технологии производства ферментированных молочных продуктов с применением ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов .145

7.3 Разработка технологии производства обогащённой витамином B12 молочной сыворотки с применением ультразвуковой обработки ферментируемой смеси 149

7.4 Оценка показателей экономической эффективности

предлагаемых мероприятий .152

Выводы 154

Литература

• Производство функциональных ферментированных молочных продуктов с пониженным содержанием лактозы
• Нормативная база применяемых методов исследования
• Анализ физико-химических, структурно-механических и микробиологических показателей образцов выработанных продуктов
• Исследование влияния ультразвуковой обработки на ферментативную активность термофильных культур лиофилизированной закваски прямого внесения

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Ферментированные молочные продукты
являются одним из важнейших источников незаменимых аминокислот, витаминов,
микроэлементов и других биологически активных веществ, поддерживающих активность
иммунной системы человека, поэтому рекомендуется их ежедневное присутствие в
рационе питания лицам всех возрастов. Перспективным инструментом для повышения
рентабельности производства таких продуктов путём сокращения длительности
ферментационного процесса, повышения потребительских свойств и обогащения

продукции биологически-активными веществами является кратковременная

низкочастотная ультразвуковая обработка ферментируемой смеси.

В последние десятилетия ультразвук зарекомендовал себя как мощный и
экономичный инструмент для изменения агрегатного состояния вещества,

диспергирования, эмульгирования, изменения скорости диффузии, кристаллизации и растворения веществ, а также активизации химических и биохимических реакций.

Исследования воздействия ультразвука на биотехнологические системы пищевой промышленности отражены в работах множества российских и зарубежных учёных, таких как И.А. Рогов, А.В. Горбатов, П.П. Дергачёв, С.В. Зверев, А.В. Лобанов, Н.А. Тихомирова, M. Ashokkumar, J.Chandrapala, Y. Chisti, M.F. Ertugay, N. Masuzawa, T.M.P. Nguyen, M. Sakakibara, P. Sfakianakis, B. Sizu, M. Palmer, T. Toba и других.

Применение ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов в
производстве ферментированных молочных продуктов наряду с другими методами
ультразвуковой обработки молочного сырья даст возможность повысить

производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать функциональные и инновационные продукты с повышенными потребительскими качествами.

Рабочая гипотеза заключается в том, что применение ультразвуковой обработки
молочной смеси после внесения закваски позволяет сократить длительность

ферментации, а также повысить технологические и потребительские свойства вырабатываемого продукта путём воздействия на ферментативную активность заквасочных микроорганизмов.

Целью работы являлось определение режимов ультразвуковой обработки, обеспечивающих максимальную интенсификацию биотехнологических процессов в молочном производстве и разработка технологии ферментированных молочных продуктов с её применением.

Задачи исследования:

1. Обосновать возможность применения ультразвуковой обработки низкой частоты при режимах, соответствующих параметрам работы промышленных ультразвуковых гомогенизаторов, для интенсификации биотехнологических процессов молочной промышленности.

2. Изучить влияние ультразвуковой обработки при заданных режимах на технологические свойства используемого для ферментации восстановленного молочного сырья.

3. Определить параметры ультразвуковой обработки, обеспечивающие максимальную ферментативную активность лиофилизированных смешанных мезофильных культур рода Lactococcus и симбиотических культур Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, при культивировании на средах

на основе восстановленного обезжиренного молока.

4. Установить параметры режимов ультразвуковой обработки, обеспечивающие наибольшее повышение потребительских свойств готовых ферментированных молочных продуктов.

5. Определить параметры режимов ультразвуковой обработки, обеспечивающих максимальную ферментативную активность и выход кобаламинов при культивировании лиофилизированной культуры Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii на средах на основе молочной сыворотки.

6. Разработать методики выбора параметров ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих выработку продукции заданного качества в технологическом потоке.

7. Разработать технологические схемы производства ферментированных молочных продуктов с применением ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов.

8. Составить проект технической документации на обогащённую витамином В₁₂ молочную сыворотку с применением ультразвуковой обработки.

Научная новизна. Обоснована и экспериментально подтверждена интенсификация
биотехнологических процессов в производстве ферментированных молочных продуктов
при применении кратковременной ультразвуковой обработки восстановленных
молочных смесей в заданном диапазоне режимов после внесения лиофилизированных
заквасок молочнокислых микроорганизмов. Установлено влияние режимов

ультразвуковой обработки на интенсивность ферментационных процессов.

Экспериментально показано повышение эффективности производства витамина В₁₂ и его аналогов при ферментации пропионовокислыми бактериями сред на основе осветлённой молочной сыворотки с применением ультразвуковой обработки. Определено влияние ультразвуковой обработки в заданном диапазоне режимов на выход кобаламинов.

Получены математические зависимости физико-химических и органолептических показателей конечных продуктов, выработанных с использованием исследуемых видов заквасочных микроорганизмов, от параметров ультразвуковой обработки.

Практическая значимость. Показана возможность интенсификации

биотехнологических процессов, сокращения длительности ферментации и выработки продукции заданного качества в технологическом потоке при применении кратковременной обработки молочной смеси после внесения лиофилизированной закваски ультразвуком низкой частоты при режимах, соответствующих параметрам работы промышленных ультразвуковых гомогенизаторов.

Получены уравнения регрессии, описывающие зависимости физико-химических и органолептических показателей продукта от параметров ультразвуковой обработки, и на их основе предложены методики выбора параметров ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих выработку продукции заданного качества в технологическом потоке.

Разработаны технологические схемы производства ферментированных молочных продуктов, позволяющие обеспечить интенсификацию ферментативных процессов с адаптацией применяемого на молочных предприятиях ультразвукового оборудования.

Составлен проект технической документации СТО и ТИ на обогащённую витамином В₁₂ молочную сыворотку с применением ультразвуковой обработки.

Результаты исследования были использованы в серии прикладных научных исследований, которые проводились в рамках Международной научной лаборатории в составе подразделения «Международный научный центр «Биотехнологии третьего тысячелетия». Проект поддержан грантом Правительства Санкт-Петербурга, серия ПСП, № 14569 от 11.12.2014.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований обеспечивалась четырёхкратными повторностями опытных культиваций и последующим проведением многократных измерений исследуемых показателей. Полученные результаты подвергались статистической обработке по общепринятым методикам с помощью программ Microsoft Office 2010 и MathCad 15.

Результаты исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: конференция «Достижения и перспективы развития биотехнологии» МГУ им. Н.П. Огарева (Саранск, 2012); школа-семинар СПбГТЭУ «Качество и безопасность продукции в рамках гармонизации государственной политики в области здорового питания населения» (Санкт-Петербург, 2012); конференция молодых ученых «Современные тенденции в развитии пищевой биотехнологии» в рамках TEMPUS–DEFRUS (Санкт-Петербург, 2013); китайско-русская конференция «Питание и специальные пищевые продукты в экстремальных условиях» (Харбин, 2013); VI Международная конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2013); семинар «Функциональные продукты из сырья растительного происхождения» (Санкт-Петербург, 2014); International Scientific Conference of Environmental and Climate Technologies CONECT 2014 (Riga, Latvia, 2014); школа-семинар для молодых ученых «Качество и безопасность продукции: проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург, 2014); ХLII, XLIII и XLIV научные и учебно-методические конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013-2015); II, III и IV Всероссийские конгрессы молодых учёных (Санкт-Петербург, 2013-2015); 5 и 6 международные конференции «Biosystems Engineering» (Tartu, Estonia, 2014-2015).

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК и 2 в зарубежных журналах, индексируемых в SCOPUS, а также статьи по материалам конференций и семинаров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Научное обоснование параметров ультразвуковой обработки для интенсификации биотехнологических процессов молочной промышленности.

2. Влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки на технологические и потребительские свойства ферментированных молочных продуктов, выработанных с применением заквасок на смешанных мезофильных культурах рода Lactococcus. Результаты исследований физико-химических и органолептических показателей.

3. Влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки на технологические и потребительские свойства ферментированных молочных продуктов, выработанных с применением симбиотических заквасок, содержащих термофильные микроорганизмы видов Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Результаты исследований физико-химических и органолептических показателей.

4. Влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки на ферментативную активность и выход кобаламинов при культивировании лиофилизированной культуры Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii. Результаты исследований физико-химических показателей.

5. Обоснование режимов ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих повышение качества продукции в технологическом потоке.

Структура и объём диссертации. Работа включает 7 глав и состоит из введения, обзора литературы, методологии исследования, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 140 страницах основного машинописного текста и содержит 25 таблиц и 54 рисунка. Список литературы включает 153 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

Производство функциональных ферментированных молочных продуктов с пониженным содержанием лактозы

Одним из важнейших источников поступления незаменимых аминокислот, витаминов и микроэлементов в рационе питания человека являются ферментированные молочные продукты. Помимо соединений, присутствующих в молоке изначально, такие продукты в процессе ферментации различными микроорганизмами дополнительно обогащаются биологически активными веществами, поддерживающими активность иммунной системы человека и снижающими воздействие вредных факторов окружающей среды. Рекомендуется их ежедневное присутствие в рационе питания лицам всех возрастов.

Тем не менее, в последние десятилетия наблюдается значительное снижение потребления молока и молочных продуктов среди населения. По статистике в сравнении с 1990 годом в среднем этот показатель стал меньше на 35 – 40% [151].

Это во многом связано с уменьшением общего производства молока и закрытием множества небольших молокоперерабатывающих предприятий, снабжающих население на местах. Уменьшение общего количества предприятий, в свою очередь, привело к сильному обострению одной из основных проблем молочного производства - сезонного характера получения молока. Так, например, в ноябре объёмы молока, поступающего на переработку, в среднем более чем на 40% меньше, чем в летние месяцы.

Согласно статистическим данным, потребление молочной продукции, наоборот, в апреле-августе имеет тенденцию к снижению и возрастает в сентябре-декабре [11]. Таким образом, в летние месяцы возникает избыток молочного сырья, переработка которого обычно решается производством продуктов длительного хранения, в частности сухого молока. Уменьшение количества молокоперерабатывающих предприятий также привело к значительному повышению затрат на транспортировку больших объёмов молока-сырья и готовой продукции.

При этом, часто транспортировка ферментированных молочных продуктов с небольшим сроком реализации на дальние расстояния невозможна в связи с её нерентабельностью, из-за чего население регионов страны, удалённых от основных мест производства молока-сырья, не имеет возможности включать такую продукцию в свой ежедневный рацион. Влияние всех этих факторов в последние годы, привели к резкому увеличению объемов производства молочных продуктов на основе восстановленного молока. Такое решение позволяет повысить равномерность качества готовой продукции и уменьшить зависимость предприятий по выработке кисломолочной продукции от поставок молока [56].

Кроме того, использование сухого молока также позволяет создать резерв молочного сырья, необходимый для обеспечения бесперебойного производства молочной продукции, однако в настоящее время отечественное производство в целом не может удовлетворить спрос на него [149].

Это приводит к увеличению импорта сухого молока из-за рубежа и создаёт трудности в регулировании его качества, что сказывается и на качестве восстановленного молока как сырья для производства функциональной кисломолочной продукции [69]. Для выработки ферментированной молочной продукции с использованием восстановленного молока, соответствующей требованиям ГОСТ и обладающей высокими потребительскими качествами, важно использование сухого молока с высоким содержанием неденатурированных сывороточных белков (индекс WPNI 4,8) [36].

В случае несоблюдения этого условия значительно затрудняется получение на основе восстановленного молока стабильных сгустков, выдерживающих механическое воздействие мешалок, насосов и охладителей при перекачивании готового продукта по трубопроводам к месту расфасовки. Ферментированные молочные продукты являются аномально вязкими (псевдопластичными) жидкостями, а их вязкость зависит и от напряжения, и от скорости сдвига, поэтому в результате таких воздействий в случае использования некачественного сырья структура сгустка часто разрушается и продукт становится менее вязким, что приводит к расслоению готового продукта при транспортировке и длительном хранении.

Корректировку структуры и свойства сгустков в производственном процессе можно выполнять, изменяя состав заквасок, а также режимы пастеризации и гомогенизации. Так, например, применение энергичных кислотообразователей способствует образованию плотных сгустков с выраженными синеретическими свойствами, а повышение температуры пастеризации, повышения массовой доли сухих веществ в восстановленном молоке увеличение размера мицелл казеина при длительной выдержке молока при восстановлении позволяет получить более прочные сгустки [53,77].

Однако применение всех этих мер приводит к увеличению продолжительности производственного процесса, перерасходу сырья и повышению себестоимости готового продукта [57].

В связи с вышеназванными факторами в последнее время все более актуальным становится поиск новых технологических направлений, которые обеспечивали бы наряду с совершенствованием технологии традиционных продуктов создание новых методов, позволяющих сохранить нативные свойства сырья и повысить потребительские качества готовых ферментированных продуктов [65]. Кроме того, всегда актуальным направлением исследований остаётся разработка технологий, позволяющих повысить эффективность ферментационного процесса и сократить длительность производственной стадии ферментации без негативного влияния на свойства продукции.

Нормативная база применяемых методов исследования

Для ультразвуковой обработки исследуемых объектов использовался лабораторный ультразвуковой гомогенизатор SonoPuls mini20 (BANDELIN, Германия) с пьезокерамическим преобразователем диаметром 2,5 мм, работающий на частоте 30±1 кГц (максимальный объём озвучиваемого образца – 25 мл), а также ультразвуковая установка на базе генератора ГЗ-34, работающая на частоте 20±2 кГц (максимальный объём озвучиваемого образца – 100 мл). Организация работы на ультразвуковых установках была проведена в соответствии требованиями безопасности [12, 74].

Измерение активности воды осуществлялось криоскопическим методом с помощью прибора для определения активности воды АВК 4 по методике СГАУ им. Н.И. Вавилова посредством снятия термограммы охлаждения-замораживания исследуемого образца с помощью прецизионного датчика температуры и ее последующего числового дифференцирования [67, 92].

Дифференцирование данных проводилось в программе Microsoft Excel при помощи специализированной надстройки. Для проведения измерения образец объёмом 8 мл помещался в специальную медную кювету, после чего в неё вставляется прецизионный датчик температуры с пробкой. Затем кювета помещалась в отверстие термоэлектрического охлаждающего устройства на основе элемента Пельтье, и через равные промежутки времени производилось измерение температуры образца. По измеренным значениям строилась температурная кривая, которая затем обрабатывалась для нахождения криоскопической точки и последующего определения активности воды в образце. Пример полученной термограммы показан на рисунке 2.2.

Термограмма охлаждения-замораживания и криоскопическая точка контрольного образца восстановленного обезжиренного молока Определение среднего частичного веса казеиновых мицелл производилось методом светорассеяния по Дьяченко и Влодавцу [46].

Для проведения измерения 5 мл исследуемого восстановленного обезжиренного молока разбавлялось до 250 мл 0,01-нормальным раствором CaCl2. Для устранения ошибок, связанных с наличием следов жира, проводилось параллельное измерение образца исследуемого молока, разбавленного 0,005-нормальным раствором HCl.

Далее определялась оптическая плотность D каждой подготовленной пробы на спектрофотометре SHIMADZU UV–1800 при длине волны 535 нм; для каждой где L – рабочая толщина используемой кюветы; L = 1 см. Далее по формуле 2.2 рассчитывалось соотношение W, учитывающее концентрацию казеина в исследуемом растворе: H – эмпирическая константа; H = 4,3810-6; С – концентрация казеина в исследуемом растворе (г / мл). Далее рассчитывался средний частичный вес казеиновых мицелл. Для повышения точности расчёта по известным значениям, представленным в литературе с помощью программы Microsoft Excel была получена формула эмпирической зависимости (2.3) с достоверностью R2 = 0,9999 (Рисунок 2.3). рассчитывались значения среднего частичного веса казеиновых мицелл. Измерение содержания лактозы в продуктах ферментации проводилось по методу Лоренса [54].

Для этого из исследуемого продукта извлекался белок путем растворения 1 г продукта в 25 см3 дистиллированной воды, добавления 2 см3 1 М раствора гидроксида натрия, доведения объёма пробы до 100 мл и её последующего фильтрования. Затем к полученному фильтрату добавлялись 1 см3 5% раствора фенола и 5 см3 концентрированной серной кислоты. Определение оптической плотности раствора, содержащего образованный комплекс лактозы с фенолом, производилось на спектрофотометре SHIMADZU UV–1800 при длине волны 490 нм. Для сравнения использовалась контрольная проба, содержащая 1 см дистиллированной воды, 1 см3 5%-ного раствора фенола и 5 см3 концентрированной серной кислоты.

Массовая доля лактозы в образцах затем рассчитывалась по градуировочному графику, построенному по результатам фотометрирования ряда разведений раствора лактозы известной концентрации по вышеуказанной методике (Рисунок 2.4).

С помощью программы Microsoft Excel методом наименьших квадратов была получена формула эмпирической зависимости (2.4) концентрации лактозы от оптической плотности раствора с достоверностью R2 = 0,9884:

Градуировочный график зависимости концентрации лактозы в исследуемом образце от оптической плотности раствора Определение структурно-механических показателей образцов ферментированного восстановленного молока проводилось на ротационном вискозиметре RHEOTEST RN 4.1 [51].

Полученные данные обрабатывались в программе Microsoft Excel 2010, при этом выявлено, что деформации на прямом и обратном ходу с высокой степенью достоверности описываются уравнением Оствальда-де Виля [55] (Формула 2.5): где к - коэффициент консистенции, зависящий от природы материала и измерительной аппаратурызависимость касательных напряжений в продукте от градиента скорости; п - индекс течения.

Данное уравнение использовалось для аппроксимации полученных кривых течения. Полученные индексы течения п применялись для оценки псевдопластичности полученного продукта и отклонения его свойств от ньютоновских.

Микроскопирование и получение микрофотографий производилось с помощью микроскопа CARL ZEISS Axio Lab.Al.

Сравнительная оценка концентрации кобаламинов в ферментированной молочной сыворотке производилась фотометрическим методом [38, 48].

Для этого были сняты спектры поглощения препаратов цианкобаламина различной концентрации на основе молочной сыворотки, определены степени поглощения света при максимуме поглощения 361 нм и построен калибровочный график.

В качестве раствора сравнения использовалась бидистиллированная вода. Величина поглощения при длине волны 361 нм определялась на спектрограмме согласно принципу аддитивности. Фактическая степень поглощения света образцом при каждой длине волны определялась, как среднее арифметическое результатов трёх измерений. В связи с высоким содержанием взвешенных веществ в образцах сыворотки степень поглощения при каждой длине волны в диапазоне волн 310-400 нм изменялась в течение измерения. Для уменьшения влияния посторонних шумов фактическая степень поглощения определялась как среднее арифметическое по результатам 5-7 измерений одного образца через равные промежутки времени (10 секунд).

Для выявления зависимости спектрального состава сыворотки от концентрации кобаламинов был приготовлен ряд разведений раствора цианкобаламина в восстановленной осветлённой молочной сыворотке. Спектры поглощения образцов сыворотки показаны на рисунке 2.5. Разница оптической плотности на длине волны 361 нм, вызванная наличием в сыворотке кобаламинов, определялась графическим методом по принципу аддитивности.

Анализ физико-химических, структурно-механических и микробиологических показателей образцов выработанных продуктов

Микроскопирование образцов показало, что ультразвуковая обработка при заданных режимах изменяет соотношение различных видов микроорганизмов в системе. Так, в образцах, подвергнутых ультразвуковой обработке повышенной мощности, наблюдается увеличение количества палочкообразных бактерий по сравнению с контрольным образцом. Кроме того наблюдается тенденция формирования более длинных цепочек кокковыми микроорганизмами. Данный эффект требует более детального изучения и также не рассматривается в этой работе.

Исследование влияния ультразвуковой обработки на ферментативную активность термофильных культур лиофилизированной закваски прямого внесения В качестве экспериментальной культуры для определения эффекта кратковременной ультразвуковой обработки частотой 30 ± 1 кГц, использовалась термофильная лиофилизированная закваска прямого внесения для резервуарного йогурта Christian Hansen YoFlex Advance 2.0, содержащая культуры молочнокислых бактерий Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus YFL811, YF-L703, YF-L705 и YF-L706.

Навеска в 0,1 г лиофилизированной культуры микроорганизмов, что соответствует стандартной дозе закваски на 1 л согласно рекомендациям производителя, вносилась непосредственно в пастеризованное восстановленное молоко температурой 40 ± 2C.

Культивация также проводилась при постоянной температуре 40 ± 2C. Обработка образцов заквашиваемого молока ультразвуком производилась перед культивированием и через 2 часа после начала культивирования с помощью лабораторного гомогенизатора с пьезокерамическим преобразователем на частоте 30 ± 1 кГц. Длительность обработки разных образцов также составляла от 60 до 180 секунд, мощность обработки варьировалась от 80 до 320 Вт/дм3.

В течение культивирования проводился мониторинг титруемой кислотности образцов. Окончание культивирования определялось по формированию устойчивого сгустка в контрольном образце. Микроорганизмы термофильной закваски прямого внесения обладали более высокой активностью, чем микроорганизмы сублимированной культуры. Общая длительность каждого культивирования до готовности сгустка не превышала 4 часа.

Анализ физико-химических показателей, технологических и потребительских свойств образцов выработанных продуктов

Титруемая кислотность образцов измерялась перед ультразвуковой обработкой в начале культивирования и через два часа после начала культивирования, затем замеры проводились каждый час до готовности сгустка. Для уменьшения влияния случайных погрешностей было проведено четыре параллельных культивирования.

Динамика нарастания титруемой кислотности образцов в течение 4 часов культивирования показана на рисунках 5.5 – 5.7.

Усреднённые значения титруемой кислотности и остаточной концентрации лактозы в образцах по окончании культивирования и доверительные интервалы с 95% достоверностью показаны в таблицах 5.5 и 5.6 соответственно.

Динамика нарастания титруемой кислотности в образцах молока в течение ферментации термофильной закваской прямого внесения при длительности ультразвуковой обработки 120 секунд

Эксперимент показал, что наиболее быстрое нарастание титруемой кислотности и наименьшее содержание лактозы наблюдается при ультразвуковой обработке мощностью 200 Ватт/дм3 и длительностью 180 секунд. Значения параметров обработки аналогичны полученным ранее для сублимированной культуры, что говорит о единообразии процессов, протекающих в культуральной среде при ферментации термофильными микроорганизмами.

Изменение структурно-механических свойств продукта под действием ультразвука также соответствует изменениям, наблюдаемым при культивировании сублимированной термофильной культуры. Для экспериментальной термофильной закваски были сняты кривые течения и определена эффективная вязкость контрольного образца и образца после обработки при режиме 200 Вт/дм3 и длительностью 180 секунд с помощью ротационного вискозиметра Rheotest (Рисунки 5.8, 5.9).

Кривые течения образцов восстановленного молока после окончания ферментации термофильной закваской прямого внесения при ультразвуковой обработке мощностью 200 Вт/дм и длительностью 180 секунд и сравнение с контролем. Обнаружено, что влияние ультразвуковой обработки в исследуемом диапазоне режимов на структурно-механические свойства продукта, вырабатываемого с применением термофильной закваски, менее выражено, чем при ферментации мезофильными микроорганизмами, однако происходит более эффективная интенсификация ферментативной активности бактерий, что выражается в значительном снижении концентрации лактозы.

Эффективная вязкость образцов восстановленного молока после окончания ферментации термофильной закваской прямого внесения при ультразвуковой обработке мощностью 200 Вт/дм и длительностью 180 секунд и сравнение с контролем Для определения влияния ультразвуковой обработки на общие потребительские свойства продукта была также проведена органолептическая оценка (Рисунок 5.10). Для оценки положительного влияния ультразвука на потребительские качества продукта в каждом образце по пятибалльной шкале оценивалось снижение наиболее существенные негативных вкусовых качеств и показателей консистенции.

Исследование влияния ультразвуковой обработки на ферментативную активность термофильных культур лиофилизированной закваски прямого внесения

При внедрении ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов в промышленное производство традиционных кисломолочных продуктов могут быть достигнуты уменьшение длительности процесса сквашивания и повышение их потребительских качеств.

В результате проведённых исследований были определены режимы ультразвуковой обработки образцов восстановленного молока после внесения закваски, позволяющие увеличить эффективность производства кисломолочной продукции вырабатываемой с использованием различных видов заквасок.

С учётом особенностей влияния ультразвуковой обработки на различные показатели готовых ферментированных продуктов были предложены технологические схемы производства кисломолочных продуктов на мезофильных и термофильных культурах с применением ультразвуковой интенсификации ферментативного процесса (рисунки 7.3, 7.4).

Режим ультразвуковой интенсификации ферментативной активности молочнокислых микроорганизмов рода Lactococcus, найденный в результате исследования, с учётом приемлемой зоны соответствует = 70 ± 10 секунд; р = 270 ± 20 Вт/дм3.

Согласно формулам 7.1 и 7.2 рекомендуемая мощность ультразвуковой обработки ферментируемой мезофильными микроорганизмами восстановленной смеси в производстве может быть рассчитана по формуле (7.3):

Режим ультразвуковой интенсификации ферментативной активности термофильных молочнокислых микроорганизмов Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbruechi subsp. bulgancus, найденный в результате исследования, с учётом приемлемой зоны соответствует = 170 ± 10 секунд; p = 210 ± 20 Вт/дм3.

Согласно формулам 7.1 и 7.2 рекомендуемая мощность ультразвуковой обработки ферментируемой смеси при сквашивании термофильными микроорганизмами в производстве может быть рассчитана по формуле (7.5):

Ультразвуковая интенсификация ферментативной активности мезофильных молочнокислых микроорганизмов рода Lactococcus сопровождается понижением эффективной вязкости продукта, что является благоприятным фактором при производстве кисломолочных напитков резервуарным способом.

Напротив, ультразвуковая интенсификация ферментативной активности термофильных молочнокислых микроорганизмов Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbruechi subsp. bulgancus сопровождается повышением вязкости сгустка, поэтому для продуктов, вырабатываемых с применением термофильных заквасок, рекомендуется применение термостатного способа сквашивания. Входной контроль сырья и материалов:

Восстановление сухого молока при перемешивании Т = 40±2 С т = 10 минут \ Резервуар для восстановления сухого молока Подогрев и пастеризация ТП= 92±2 С т = 20 секунд Секции регенерации и пастеризации ОПУ Охлаждение до температуры сквашивания Т = 32±2 С Вторая, первая секция регенерации, секция подогрева-охлаждения ОПУ Растворение закваски в восстановленном молоке при перемешивании Т = 32±2 С т = 5 минут Ёмкость для растворения закваски Равномерное внесение подготовленной закваски в потоке молока Т = 32±2 С «- Насос-дозатор Ультразвуковая обработка заквашиваемой смеси в потоке Т = 32±2 С т = 70 секунд; р = 270 V Вт Ёмкость для ультразвуковой обработки Выдержка сквашиваемой смеси Т = 32±2 С т = 2 часа Резервуар для сквашивания Повторная ультразвуковая обработка заквашиваемой смеси в потоке Т = 32±2 С т = 70 секунд; р = 270 V Вт Ёмкость для ультразвуковой обработки Сквашивание Т = 32±2 С т = 3 -4 часа Резервуар для сквашивания Охлаждение сгустка Т = 20С Резервуар для сквашивания Перемешивание т = 10 минут Резервуар для сквашивания Розлив, упаковка и маркировка Т = 20±2 С Упаковочный автомат Хранение Т = 4±2 С Холодильная камера Рисунок 7.3 Технологическая схема производства резервуарного кисломолочного напитка на основе мезофильных молочнокислых культур с применением ультразвуковой интенсификации процесса сквашивания Входной контроль сырья и материалов:

Восстановление сухого молока при перемешивании Т = 40±2 С = 10 минут \ Резервуар для восстановления сухого молока Подогрев и пастеризация Тп = 92±2 С = 20 секунд Секции регенерации и пастеризации ОПУ Охлаждение до температуры сквашивания Т = 40±2 С Вторая, первая секция регенерации, секция подогрева-охлаждения ОПУ Растворение закваски в восстановленном молоке при перемешивании Т = 40±2 С = 5 минут Ёмкость для растворения закваски Равномерное внесение подготовленной закваски в потоке молока Т = 40±2 С - Насос-дозатор Ультразвуковая обработка заквашиваемой смеси в потоке Т = 40±2 С = 170 секунд; р = 210V Вт Ёмкость для ультразвуковой обработки Выдержка сквашиваемой смеси Т = 40±2 С = 2 часа Резервуар для сквашивания Перемешивание = 10 минут Резервуар для сквашивания Повторная ультразвуковая обработка заквашиваемой смеси в потоке Т = 40±2 С = 170 секунд; р = 210V Вт Ёмкость для ультразвуковой обработки Розлив, упаковка и маркировка Т = 40±2 С Упаковочный автомат Термостатирование Т = 40±2 С = 12 часа Термостатная камера Охлаждение и хранение Т = 4±2 С Холодильная камера Рисунок 7.4 Технологическая схема производства термостатного кисломолочного продукта на основе термофильных молочнокислых культур с применением ультразвуковой интенсификации процесса сквашивания