Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Патентно-информационный обзор 7
1.1. Особенности усвоения лактозы 7
1.2. Диагностика и лечение людей с гиполактазией 12
1.3. Образование меланоидинов в молоке и молочных продуктах 17
1.4. Метод криоскопии для анализа качества молока и молочных продуктов 28
1.5. Ферментный гидролиз лактозы 31
1.6. Выводы 44
Глава 2. Объекты и методы исследования 45
2.1. Объекты исследования 45
2.2. Методы исследования 45
2.3. Постановка эксперимента 46
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 48
3.1 Йодометрический метод 48
3.2 Криоскопический метод 49
3.2.1 Влияние кислотности молока на точку его замерзания 54
3.2.2. 3ависимость температуры замерзания молока от содержания лактозы и золы 55
3.3. Кинетика ферментативного процесса 60
3.3.1. Выбор гидролизующего фермента р-галактозидазы и определение условий и сроков хранения ферментных препаратов 60
3.3.2. Влияние концентрации ионов водорода Н+ (рН) на ферментный гидролиз лактозы 61
3.3.3. Влияние температуры на гидролиз лактозы в молоке 63
3.3.4. Влияние концентрации фермента на степень гидролиза лактозы 64
3.3.5. Исследование влияния продолжительности процесса на степень гидролиза лактозы 66
3.4. Разработка технологий производства низколактозных продуктов 69
3.4.1. Пастеризованное низколактозное молоко 69
3.4.2 Топленое низколактозное молоко 71
3.4.3 Стерилизованное низколактозное молоко 76
3.4.4. Кисломолочные низколактозные продукты 79
4. Выводы 86
Заключение 88
Список литературы 89
Приложения 97
- Образование меланоидинов в молоке и молочных продуктах
- 3ависимость температуры замерзания молока от содержания лактозы и золы
- Влияние концентрации фермента на степень гидролиза лактозы
- Разработка технологий производства низколактозных продуктов
Введение к работе
В начале XXI века во всех развитых странах мира вопросы здорового питания возведены в ранг государственной политики. Доказано, что правильное питание обеспечивает нормальный рост и развитие детей, способствует профилактике заболеваний, повышению работоспособности и продлению жизни людей, создает условия для адекватной адаптации их к окружающей среде.
Особенно актуальна проблема рационального питания для России, где негативные тенденции состояния здоровья населения усугубляются нестабильностью экономической ситуации и неблагополучной экологической обстановкой. Важнейшим условием решения этой проблемы является создание технологической основы для производства качественно новых продуктов, не только
удовлетворяющих физиологические потребности организма человека в пищевых веществах и энергии, но и выполняющих профилактические и лечебные функции.
Одним из основных направлений дальнейшего технического прогресса в перерабатывающей промышленности является внедрение передовых методов работы и усовершенствование технологических процессов на базе современных достижений науки и техники. К числу таких научно обоснованных и передовых методов совершенствования технологических процессов обработки растительного и животного сырья относится применение активных биохимических препаратов, выделенных из культур микроорганизмов. Для осуществления и регулирования биохимических превращений, лежащих в основе технологии многих отраслей промышленности, большое значение имеют ферменты, являющиеся катализаторами в процессах гидролитического распада. В последние 30 лет ферменты находят широкое применение в промышленности для целого ряда производств, в том числе для производства многих пищевых продуктов. Наибольшее
распространение получили ферменты, выделенные из бактерий и плесневых грибов, которые применяются в различных отраслях пищевой промышленности.
Одним из наиболее перспективных ферментных препаратов является дрожжевая р-О-галактозидаза. В связи с этим, намечены основные направления по изучению применения ферментного препарата р-О-галактозидазы в различных отраслях промышленности с привлечением ряда организации, в том числе кафедры технологии молока и молочных продуктов СПбГУНиПТ и ЗАО «Санкт-Петербургский молочный завод «Пискарёвский».
Применение р-й-галактозидазы для гидролиза лактозы при производстве молока и молочных продуктов позволяет получить качественно новые молочные продукты лечебно-профилактического назначения, кроме того, при производстве сгущенного молока с сахаром предупреждает кристаллообразование. Отличительной особенностью ферментного гидролиза лактозы является образование моносахаридов, обладающих большей сладостью по сравнению с лактозой. Это позволяет уменьшить количество вносимой сахарозы и получить продукт заданной сладости. Вместе с тем, моносахариды увеличивают осмотическое давление, а следовательно, повышают стойкость продукта при хранении.
В настоящее время наряду с возрастающим распространением аллергических заболеваний возникает проблема лактазной недостаточности населения. Статистические данные показывают, что от 10 до 80% людей в Российской Федерации в зависимости от этнической группы не способны усваивать молоко и молочные продукты [24].
В связи с этим изучение вопросов выдвинутой проблемы позволит оптимизировать технологические процессы получения молочных продуктов лечебно-профилактического направления, а также решить ряд проблем, связанных с рациональным питанием.
Образование меланоидинов в молоке и молочных продуктах
Тепловая обработка сырья, принятая в молочной промышленности, в той или иной степени воздействуют на компоненты молока, особенно на сывороточные белки, лактозу, некоторые витамины и ферменты [41,71].
Снижение этого воздействия достигается при повышении температуры и одновременном значительном уменьшении продолжительности нагрева, на чем и основана ультравысокотемпературная обработка молока (УВТ). УВТ - обработка осуществляется прямым способом: смешиванием молока с насыщенным паром под давлением, вводом пара в молоко (уперизация), впрыскиванием молока в атмосферу пара (вакреация) или косвенным нагревом молока в пластинчатых или трубчатых теплообменниках при температуре свыше 130 С с выдержкой в течение нескольких секунд. Расфасовывают его в асептических условиях. Для производства стерилизованного молока используют также стерилизацию в упаковке в установках непрерывного или периодического действия (автоклавирование). Различные способы стерилизации обеспечивают хранимоспособность готового продукта в течение значительно более длительного периода по сравнению с пастеризацией.
По данным Международной молочной федерации (ММФ) изменения в молоке, подвергнутом УВТ- обработке при 140 С с выдержкой в течение 7-8 с, почти в 14 раз меньше, чем в молоке, стерилизованном при 120 С с выдержкой 10 минут и в 3,7 раза больше, чем в молоке, обработанном при 150 С с выдержкой 2-4 сек.
Величины температурных характеристик для денатурации сывороточных белков приведены в таблице 1.3 [54].
С увеличением температуры тепловой обработки молока величина О10 уменьшается, Z - увеличивается. Математическое соотношение между О10 и 2. следующее:
Степень денатурации сывороточных белков при принятых в промышленности режимах пастеризации молока составляет 40-60%, при стерилизации в стеклянных бутылках и при производстве сгущенного стерилизованного молока - около 90%, при УВТ - обработке молока прямым способом нагрева 50-60, косвенным 70-80%.
При тепловой обработке молока скорость разрушения микроорганизмов значительно выше скорости химических реакций. По данным ММФ, величина Ою для уничтожения микроорганизмов и для снижения числа их спор находятся в пределах (8-20), что значительно выше величины Ою для химических реакций (2-4) (см. табл. 1.4. [76]). Использование зависимостей, приведенных в таблице 1.4, можно объяснить на следующем примере: если принять за основу режим стерилизации молока при температуре 115 С с выдержкой 30 минут, то при повышении ее до 145С продолжительность выдержки может быть уменьшена до 2 с, при этом химические изменения могут быть снижены до 3%.
При тепловой обработке молока, особенно при стерилизации в таре, среди компонентов молока наибольшим химическим изменением подвергается лактоза. Лактоза (4-0-р-0-галактопиранозил-0-глюкоза) - дисахарид, состоящий из Р-глюкозы и р-галактозы. В молоке в свободном состоянии находится 5-7 мг %глюкозы и около 8 мг % галактозы. Содержание лактозы составляет 4,5-5,0% и зависит от индивидуальных особенностей и физиологического состояния животного. Она представлена двумя изомерными формами аир, различающимися пространственным расположением ОН - группы у С молекулы глюкозы и находящимися в равновесии при 20 С (около 38% а- и около 62% р- лактозы) [6, 41]. В противоположность дисахариду - сахарозе, лактоза обладает редуцирующими (восстанавливающими) свойствами за счет альдегидной группы й-глюкозы. При тепловой обработке молока некоторые его компоненты взаимодействуют с лактозой.
Основные изменения, которые претерпевает лактоза при стерилизации, - это взаимодействие с белками. Установлено, что фракция казеина, полученная из нагретого молока, дает положительный тест на восстановление, что указывает на лакгозоказеиновую конденсацию. Так обнаружено, что 0,7% лактозы связаны с белком обезжиренного молока, нагретого до 98 С с выдержкой 30 минут. Тепловая обработка модельной казеиновой системы показывает, что казеин (в основном х-казеин) в 5-6 раз больше присоединяется к лактозе 14С, добавленной к сырому молоку, чем а- лактоальбумин и (3- лактоглобулин. Для УВТ-обезжиренного молока и модельной казеиновой системы, количество лактозы, ковалентно связанной с казеином, составляет только 1,2-1,5% от общего ее содержания. Предполагают, что это происходит из-за низкой доступности аминокислотных остатков в сывороточных белках, которые имеют компактную глобулярную структуру. Хотя тепловая денатурация сывороточных белков приводит к увеличению этой доступности, взаимодействие их с казеином способствует ее снижению для реакции с лактозой [76].
В таблице 1.5 [76] показана степень связывания сывороточных белков с казеином при различных условиях стерилизации молока. Лактоза, как редуцирующий углевод, оказывает стабилизирующие влияние на нативные белки молока и несколько снижает степень их денатурации при тепловой обработке. Это влияние может быть значительно уменьшено при стерилизации молока или при довольно низких температурах хранения молочных консервов, при которых создаются условия для кристаллизации лактозы.
Установлено, что в зависимости от вида углевода цветовая интенсивность образующихся меланоидинов располагается в следующем порядке убывания: ксилоза, арабиноза, фруктоза, глюкоза, мальтоза, лактоза. Среди реагирующих аминокислот, например аргинина со свободной гаунидиновой, гистидина с имидазольной группой, наиболее реактивен лизин с его свободной -ЫН2- группой.
3ависимость температуры замерзания молока от содержания лактозы и золы
В ферментативных реакциях температура является одним из существенных факторов, влияющих на скорость гидролиза. Практически все химические реакции и процессы, происходящие под действием ферментов, с повышением температуры ускоряются. С другой стороны, с повышением температуры может происходить тепловая инактивация ферментов, особенно, если воздействие высокой температуры длительно. Известно, что белковая молекула может быть защищена от денатурации различными веществами. Распад ферментной молекулы под действием высоких температур тормозится с увеличением сухих веществ в субстрате. При определении оптимальных температур действия ферментов необходимо учитывать влияние совокупности различных факторов. Поэтому исследование влияния температуры на ферментативный гидролиз лактозы проводили при использовании молока и 5%-го раствора лактозы в дистиллированной воде. Температура варьировалась в диапазоне 4-55С. Концентрация фермента в каждой серии принималась равной 2000 НЕЛ/л. Другие условия опытов не менялись. Как видно из графика, представленного на рис 3.8, гидролиз лактозы равномерно повышается с увеличением температуры от 4 до 37-40С и заметно падает с дальнейшим ее ростом. Оптимальная температура для гидролиза лактозы в молоке составила 40С. В этом случае наблюдается наибольшая скорость гидролиза и получена максимальная степень расщепления лактозы. Для 5% раствора лактозы оптимальная температура составила 37С.
Уменьшение степени гидролиза с увеличением температуры вызвано инактивацией фермента и потерей им вследствие этого каталитической активности. Увеличение в растворе сухих веществ изменяют оптимальную температуру гидролиза в сторону более высоких ее значений. Это во многом объясняется протекторными свойствами белков и жиров, имеющих развитую пространственную конфигурацию.
При использовании р-Р-галактозидазы, мы стремились к выбору таких условий при которых минимальные дозы фермента могли обеспечить достаточную степень гидролиза лактозы. Было исследовано влияние различных концентраций ферментного препарата р-Э- галактозидазы на эффективность гидролиза лактозы в молоке. Проводились сравнительные опыты, в которых все условия, кроме дозировки, были постоянными (температура 40С, рН 6,68). Влияние различных дозировок вносимого фермента на гидролиз лактозы в молоке представлены на рис. 3.9.
Из анализа данных видно, что с увеличением концентрации фермента скорость гидролиза возрастает. Так например, при концентрации р-галактозидазы 2000 НЕЛ/л(Нейтральных Единиц Лактазы/л) за 1 час процесса гидролизуется более 50% лактозы, такое же количество лактозы гидролизуется при 500 НЕЛ/л за 4 часа. Следовательно, увеличивая продолжительность гидролиза, представляется возможным уменьшить дозировку ферментного препарата. Достаточной концентрацией р-галактозидазы была принята 2000 НЕЛ/л, так как продолжительность процесса гидролиза лактозы в молоке ограничена действующими нормативными документами (в отношении продолжительности хранения сырого молока), а дальнейшее увеличение концентрации фермента экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости р-О-галактозидазы. В последующих исследованиях концентрация фермента не изменялась.
Таким образом, в результате исследований влияния концентрации фермента на гидролиз лактозы в молоке определена оптимальная концентрация фермента р-галактозидазы (2000 НЕЛ/л).
В дальнейшем было целесообразным изучить влияние продолжительности процесса на степень гидролиза.
На рисунке 3.10. показана динамика процесса ферментативного гидролиза лактозы при различных температурах: 4, 15 и 40С. Анализ этих данных показывает, что, варьируя продолжительность гидролиза, можно получить достаточную его степень и при более низких температурах. Так, за пятнадцать часов при температуре 4С гидролизуется более 70% лактозы. Таким образом, можно значительно уменьшить влияние присутствующих в молоке микроорганизмов на физико-химические показатели готового продукта.
Как и предполагалось, массовая доля жира молока не влияет на процесс гидролиза лактозы. Проведенные исследования молока с массовой долей жира от 0,05 от 6,0% показали идентичную динамку гидролиза.
На основании полученных экспериментальных данных была получена номограмма степени гидролиза лактозы от продолжительности процесса и температуры методом последовательной интерполяции (концентрация фермента и рН = const).
На первом этапе была осуществлена интерполяция зависимостей степени гидролиза от продолжительности процесса с шагом 0,4 часа для различных значений температуры T_fix: G(t, T_fix), (T_fix =4, 10, 15, 25, 35, 37, 40C). Затем, при использовании полученных кривых, осуществлялась интерполяция данных G(t, T_fix) с шагом 0,4 С, где t_fix принимает значения от 0 до 24 часов с шагом 0,4 часа (шаг первой интерполяции). Таким образом, был создан двумерный массив данных, в котором столбцы соответствуют продолжительности процесса гидролиза, а строки - температуре, при которой осуществлялся процесс. Следовательно, при заданных значениях t и Т можно однозначно определит соответствующую этим значениям степень гидролиза лактозы. Номограмма G(t,T) показана на рис. 3.11. Расхождения данных, полученных методом интерполяции, с данными эксперимента не превышают экспериментальной ошибки 0,5%.
Влияние концентрации фермента на степень гидролиза лактозы
Кислотность оказывает большое влияние на точку замерзания молока. При повышении кислотности образующаяся в молоке водорастворимая молочная кислота понижает его точку замерзания. Некоторые авторы [16 ] считают, что для определения точки замерзания следует принимать нормальную кислотность 17,5Т; при большей кислотности на каждый градус Тернера выше 17,5Т к полученной величине точки замерзания добавляется 0,0025С. Данный факт необходимо учитывать при проведении процессов, связанных с длительной выдержкой молока. Общепринятым мнением считается , что судить о натуральности молока наряду с другими методами можно по температуре замерзания молока, т.к. добавление воды повышает температуру замерзания. В среднем точка замерзания молока повышается, с добавлением в него 1% воды, на 0,005С. Для определения количества добавленной воды по изменению точки замерзания применяют следующую формулу: Х=(Т-Т1) 100/Т ; (3-2) где X - количество добавленной воды; Т - средняя температура замерзания натурального молока, С; Тг температура замерзания исследуемого молока, С.
Однако, благодаря проведенными нами исследованиям точки замерзания сырого молока молочных хозяйств Ленинградской области, можно сделать вывод, о том, что использование точки замерзания молока как метода определения его натуральности на сегодняшний день не совсем корректно. Для этого необходимо более тщательные исследования, в которых будут учитываться: порода коров, условия их кормления, содержания, время года, период лактации и др. На температуру замерзания молока оказывает влияние количество содержащихся в нем лактозы и минеральных веществ (золы). Молоко с низким содержанием лактозы имеет более высокую температуру замерзания (рис. 3.1). Между содержанием лактозы и хлоридов в молоке существует обратная зависимость: с увеличением содержания лактозы количество золы уменьшается, и наоборот. Считается, что с повышением содержания хлоридов (золы) на 0,01%, количество лактозы понижается на 0,17%. Математически эта зависимость приближенно может быть выражена следующим образом: Лактоза (г/л) + 12,9 №С1 (г/л) = 70 (3 - 3) После анализа вышеизложенных экспериментальных данных нами был предложен экспресс-метод определения степени гидролиза лактозы в молоке, который основан на изменении осмотического давления (точки замерзания) молока в результате ферментативного процесса гидролиза лактозы до глюкозы и галактозы. Точка замерзания молока зависит главным образом от концентрации в нем водорастворимых веществ, находящихся в молекулярном и ионнодисперсном состоянии, обусловленном присутствием в молоке лактозы и солей. Белки и жир молока не оказывают заметного влияния на точку замерзания ввиду их высокой молекулярной массы. Зависимость между составом водорастворимых веществ молока и где \Л/ч - масса растворителя (воды), г; М! - молекулярная масса растворителя, г/моль; Щ - масса растворенного вещества, г; М2 - молекулярная масса растворенного вещества, г/моль; К - константа газового давления Из теории растворов известно, что понижение температуры замерзания раствора (Тзам) по отношению к температуре замерзания чистого растворителя (воде) пропорционально числу частиц в растворе независимо от их природы, заряда и формы, т.е. осмоляльности:
Разработка технологий производства низколактозных продуктов
Установлено, что величина Q10 для побурения цельного молока при температуре 95С составляет 2,95 при Z = 21,3 С; при 120С -2,41 при Z = 26,2 С; при температуре 150 С - соответственно 2,26 и 28,2С [71].
Эти кинетические характеристики изменения цвета молока при тепловой обработке могут служить основой теста для установления различий между двумя способами стерилизации молока - УВТ обработкой и стерилизацией в таре (периодического или непрерывного действия). Следует отметить две особенности. Первая из них состоит в том, что цвет исходного молока зависит от многих факторов: содержания жира, белка, каротина, степени гомогенизации. Вторая - в том, что при нагревании молоко вначале белеет из-за денатурации сывороточных белков, увеличения размера мицелл казеина при образовании их комплекса с денатурированными сывороточными белками и частичного разрушения каротина. Затем в результате реакции меланоидинообразования развивается процесс его побурения (особенно при нарушении режимов УВТ-обработки и при стерилизации в упаковке).
При повышенных температурах хранения стерилизованного молока изменения цвета больше в обезжиренном молоке, чем в цельном. Это объясняется тем, что молочный жир не содержит компонентов, принимающих участие в реакции меланоидинообразования, но вместе с тем маскирует изменение цвета, происходящее в нежировой фазе молока.
Реакция образования меланоидинов, наблюдаемая при производстве стерилизованного молока, продолжается и при его хранении в зависимости от температуры и продолжительности. При хранении цельного УВТ-молока (косвенный нагрев при 138-142 С с выдержкой 4 секунды) содержание лактозы постепенно снижается, составляя 11% потерь к концу 5 месяца хранения при 10 С, около 13 % при 20С и около 14 % при 40С от ее исходного содержания (4,83%). В дальнейшем, при хранении до 9 месяцев при указанных температурах, это снижение незначительно. При этом кислотность молока при 10 С не повышается, а при 20 и 40 С ее повышение составляет соответственно на 1,5 и 5 Т [1].
В практике хранения сгущенного молока с сахаром при повышенных температурах наблюдается, наряду с загустеванием продукта, изменение его цвета от кремового до темно-бурого. Причиной этого является реакция меланоидинообразования. При температуре хранения 30 С это происходит через 3-4 месяца, при 40С - через 2 месяца. Одновременно в молоке появляется посторонний вкус сливочной карамели.
В таблице 1.6 показано влияние условий хранения сгущенного молока с сахаром в различные периоды года и содержания в нем инвертного сахара на изменение цвета. Для сгущенного молока с сахаром, имеющего светло-кремовый цвет, характерен чистый вкус (содержание альдегидов составляет 0,66-0,7мг%). При темно- коричневом цвете отмечается легкий привкус карамели (альдегидов - 1,01- 1,06 мг%), при светло-буром цвете - значительный привкус карамели (альдегидов 1,07-1,76 мг%), при темно-буром цвете продукта - сильный вкус карамели (альдегидов - 2,42-2,99 мг%). При этом содержание аминного азота снижается почти на 22% [48].
Для получения светло-кремового цвета, свойственного свежевыработанному сгущенному молоку с сахаром, следует использовать сахарозу с содержанием инвертного сахара менее 0,5%. В противном случае фруктоза и глюкоза, образующиеся при инверсии сахарозы, дополнительно к лактозе принимают участие в реакции образования меланоидинов, вызывая заметное потемнение продукта.
Как видно из таблицы 1.6 , исходный продукт, полученный в осенний период, по своему химическому составу является более приемлемым для выработки сгущенного молока [36].
Отмечено, что ряд химических соединений, образующихся при реакции меланоидинообразования, обладают способностью поглощать ультрафиолетовый свет (250-290 нм). Это указывают на наличие фурановых альдегидов. Появление в продукте после жесткой тепловой обработки либо длительного хранения при повышенных температурах альдегидов указывает на протекание реакции распада аминокислот по Штрекеру в результате их дезаминирования и декарбоксилирования.
Цвет сухого молока может изменяться в зависимости от выдержки сгущенного молока перед сушкой. Чем продолжительнее сушка, тем более цвет молока приобретает кремовый оттенок. Это указывает на протекание реакции образования меланоидинов [48]:
