Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе одной из важнейших задач государства является обеспечение населения качественными, полноценными и безопасными продуктами питания. Существенная роль в их обеспечении отводится ферментированным продуктам, которые как носители полезной для человека микрофлоры, не только снабжают организм пищевыми веществами, но и активно влияют на биохимические и физиологические функции человека, способствуют поддержанию здоровья, снижают риск возникновения заболеваний.
Качество производимых кисломолочных продуктов напрямую зависит от применяемой технологии, тщательной селекции, сохранения и последующего культивирования микрофлоры закваски. Кисломолочные продукты и применяемые для их производства микроорганизмы, имеют определенную этнокультурную и региональную специфичность. Исследования российских и зарубежных специалистов подтверждают генетическую предрасположенность людей к определенному типу бактерий. Поэтому в настоящее время при производстве продуктов питания, содержащих молочнокислые микроорганизмы, требуется не только тщательный анализ их биотехнологических свойств, но и поиск генов, отвечающих за адаптацию определённых групп микроорганизмов к жителям конкретных регионов. Следовательно, необходимо развивать производство бактериальных заквасок, содержащих микроорганизмы, адаптированные к местным генотипам.
Существующие на сегодняшний день методы консервации микроорганизмов заключаются в переводе их вегетативных клеток в анабиотическое состояние. Такие клетки лишены способности к погружению в эндогенный покой, и поэтому процедуры перевода их в экзогенный покой (с помощью высушивания, лиофилизации, замораживания и т.д.) и вывода из него создают стрессовые ситуации, которые вызывают гибель значительной части популяции микроорганизмов, а также приводят к фенотипическим и генотипическим изменениям. Известно, что у клеток бактерий при холодовом шоке индуцируется нуклеаза, поэтому летальное действие низких температур связано с разрушением ДНК.
Вопросам производства бактериальных заквасок и концентратов посвящены работы отечественных ученых и исследователей в этой области: Л.А.Банниковой, В.И. Ганиной А.В. Гудкова, Л.А. Забодаловой, С.А. Королева, Н.С. Королевой, Л.А. Остроумова, Т.М. Сидякиной, Н.А. Тихомировой, В.Д.Харитонова, И.С. Хамагаевой, А.А. Цуцаевой, Б.А. Шендерова и др.
Важное место в производстве бактериальных заквасок отводится технологиям их консервирования и низкотемпературного хранения. Использование низкотемпературных технологий в консервировании и хранении бактериальных заквасок обусловлено доступностью холодильных установок, способных надежно поддерживать низкие температуры в течение длительного времени, а также обеспечивать транспортировку замороженных бактериальных заквасок.
Изучению влияния низких температур на микроорганизмы, в том числе молочнокислые, посвящены труды таких исследователей как: Э. Алмаши, А.А.Болдырев, С.А. Большаков, Н.С. Королева, Т.М. Сидякина, В.Д. Харито-
нов, А.А. Дудаева, G. Bryant, J. Wolfe и др.
Преимуществами технологий замораживания и низкотемпературного хранения бактериальных заквасок по сравнению с другими методами консервирования являются их простота и удобство, минимум подготовительной работы, быстрое извлечение хранимого материала для восстановления после замораживания. В сравнении с высушиванием и лиофилизацией при замораживании культуры микроорганизмов оказываются менее поврежденными, имеют более высокий уровень жизнеспособности, к тому же при замораживании довольно редки генетические изменения.
Предполагается, что обеспечение генетической стабильности микроорганизмов в замороженных бактериальных заквасках обеспечит пищевую промышленность отечественными аналогами, имеющими следующие основные конкурентные преимущества: получение заквасок с высоким количеством жизнеспособных клеток; использование российских стартовых культур и их комбинации; российские закваски должны быть ориентированы на национальные, региональные, возрастные особенности жителей страны; закваски должны вырабатываться с учетом особенностей отечественного сырья.
Таким образом, разработка эффективных технологий консервирования бактериальных заквасок является перспективным направлением развития прикладной науки, которое имеет важное народнохозяйственное значение.
Отдельные этапы работы выполнены в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт П 2344).
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование генетической стабильности молочнокислых микроорганизмов в бактериальных заквасках при их замораживании и низкотемпературном хранении, а также промышленная реализация низкотемпературного консервирования бактериальных заквасок с генетически стабильными микроорганизмами в производстве ферментированных молочных продуктов.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
исследовать свойства коллодия и коллодиевых пленок и изучить адсорбцию ДНК молочнокислых микроорганизмов на коллодиевых пленках;
разработать методы индикации и идентификации микроорганизмов на примере бактерий рода Lactobacillus в замороженных бактериальных заквасках с использованием полимеразной цепной реакции;
определить теплофизические свойства бактериальных заквасок в жидком и замороженном состоянии;
исследовать процесс кристаллизации влаги при замораживании бактериальных заквасок и определить криоскопические температуры бактериальных заквасок;
разработать математическую модель процесса кристаллизации влаги при замораживании бактериальных заквасок;
исследовать влияние режимов низкотемпературной обработки на энергетические затраты процессов замораживания бактериальных заквасок, а также исследовать эффективность различных способов производства искусственного
холода для замораживания бактериальных заквасок;
- исследовать влияние режимов и условий замораживания на органолеп-
тические, физико-химические и микробиологические показатели бактериаль
ных заквасок до и после замораживания и низкотемпературного хранения;
исследовать стабильность ДНК молочнокислых микроорганизмов в бактериальных заквасках при замораживании и в процессе низкотемпературного хранения, определить оптимальные режимы замораживания и низкотемпературного хранения бактериальных заквасок;
разработать технологические принципы низкотемпературного консервирования и хранения бактериальных заквасок молочнокислых микроорганизмов;
использовать полученные в работе результаты для внедрения на предприятиях пищевой и биотехнологической промышленности.
Научная новизна работы. На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований:
определена адсорбционная емкость коллодиевых пленок по нуклеиновым кислотам;
раскрыты особенности идентификации и оценки стабильности ДНК микроорганизмов (на примере бактерий рода Lactobacillus и вида L. delbrueckii subsp. bulgaricus) с использованием полимеразной цепной реакции, предложен метод выделения ДНК молочнокислых бактерий нуклеосорбцией на коллодиевых пленках;
определены теплофизические свойства, а также физико-химические и микробиологические показатели бактериальных заквасок до и после замораживания;
разработаны математические модели для определения теплофизических характеристик заквасок молочнокислых бактерий в зависимости от их состава и температуры, а также модель кристаллизации влаги при замораживании бактериальных заквасок;
дана оценка энергетических затрат процессов замораживания бактериальных заквасок в холодильных машинах одноступенчатого, двухступенчатого сжатия, а также в каскадных холодильных машинах; доказано, что использование каскадных холодильных машин для замораживания заквасок в температурном диапазоне до минус 45 С обладает наилучшей энергетической эффективностью;
исследовано влияние замораживания и низкотемпературного хранения на фенотипические признаки и стабильность ДНК молочнокислых микроорганизмов бактериальных заквасок;
установлен режим низкотемпературной обработки и хранения бактериальных заквасок молочнокислых микроорганизмов, обеспечивающий максимальную сохранность и жизнеспособность клеток заквасочных культур и оптимальные качественные показатели исследуемых заквасок: замораживание -температура минус 45 С в среде жидкого хладоносителя, низкотемпературное хранение при температуре минус 45 С - 270 суток, при температуре минус 18 С-14 суток;
разработаны математические модели изменения количества жизнеспособных микроорганизмов в зависимости от продолжительности и температуры хранения;
разработаны научные принципы низкотемпературного консервирования и хранения заквасок молочнокислых бактерий.
Практическая значимость работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований на основе оценки генетической стабильности разработана технология низкотемпературного консервирования бактериальных заквасок молочнокислых бактерий.
Разработаны технические условия и технологические инструкции для производства замороженных заквасок молочнокислых бактерий: закваска бактериальная замороженная L. bulgaricus (ТУ 9229-160-020683315-11); закваска бактериальная замороженная L. acidophilus (ТУ 9229-161-020683315-11); закваска бактериальная замороженная Str. termophilus и L. bulgaricus (ТУ 9229-162-020683315-11); закваска бактериальная замороженная лактококков (ТУ 9229-163-020683315-11); технология хранения замороженных бактериальных заквасок L. bulgaricus (ТИ 9229-160-020683315); технология хранения замороженных бактериальных заквасок L. acidophilus (ТИ 9229-161-020683315); технология хранения замороженных бактериальных заквасок Str. termophilus и L. bulgaricus (ТИ 9229-162-020683315); технология хранения замороженных бактериальных заквасок лактококков (ТИ 9229-163-020683315).
Разработана и утверждена методика определения значений теплофизиче-ских характеристик заквасок молочнокислых бактерий в зависимости от их компонентного состава и температуры. Методика позволяет определять значения теплофизических характеристик бактериальных заквасок аналитически с достаточной для инженерных расчетов степенью точности в диапазоне температур от минус 50 до 20 С.
Разработана и утверждена методика исследования процессов кристаллизации влаги при замораживании закваски, позволяющая определить параметры, характеризующие процесс замораживания закваски.
Разработана методика идентификации и оценки генетической стабильности микроорганизмов рода Lactobacillus и вида L. delbrueckii subsp. bulgaricus.
Результаты диссертационной работы используются на предприятиях биотехнологической промышленности. Результаты работы прошли апробацию и внедрены в производство на предприятиях биотехнологической и молочной промышленности Сибирского ФО. Материалы исследований используются в учебном процессе для подготовки студентов, обучающихся по специальностям 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование», 260303 «Технология молока и молочных продуктов».
Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 46 печатных работах, в т.ч. - в трех монографиях (общим объемом 22,3 усл. п.л.), научно-технических отчетах (общим объемом 13,4 усл. п.л.), в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований: «Молочная промышленность», «Техника и техноло-
гия пищевых производств», «Вестник КрасГАУ», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Известия вузов. Пищевая технология», «Сибирский вестник сельскохозяйственной науки», «Журнал прикладной химии», материалах конференций в Москве, Санкт-Петербурге, Софии, Магнитогорске, Екатеринбурге, Минске, Воронеже, Махачкале, Одессе, Кемерове, научных трудах институтов; получен 1 патент.
Материалы диссертации докладывались на заседаниях ученого совета, а также научно-технического совета КемТИПП.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав основного текста, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 306 страницах, содержит 67 таблиц, 91 рисунок, 384 источника литературы отечественных и зарубежных авторов.
