Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1 Применение бактериальных препаратов в молочной промышленности 8
1.1.1 Морфологические характеристики и физиология микроорганизмов 8
1.1.2 Молочнокислые бактерии в молочной промышленности 14
1.1.3 Ферментация молока молочнокислыми бактериями при производстве кисломолочных продуктов 18
1.2 Производство бактериальных препаратов и способы их консервирования 22
1.2.1 Технология производства биомассы заквасочных культур 23
1.2.2 Технологические схемы и производственные системы для получения бактериальных заквасок 25
1.2.3 Технологические принципы консервирования бактериальных препаратов 30
1.3 Низкотемпературное консервирование бактериальных заквасок 34
1.3.1 Физические и биохимические основы низкотемпературного консервирования бактериальных заквасок 34
1.3.2 Влияние низких температур на жизнеспособность микроорганизмов 43
1.3.3 Способы низкотемпературного консервирования заквасочных культур 46
1.4 Заключение по обзору литературы, цель и задачи исследований 50
Глава 2. Постановка эксперимента и методы исследований 52
2.1 Организация проведения работы 52
2.2 Объекты исследований 54
2.3 Методы экспериментальных исследований 54
Глава 3. Разработка технологических принципов низкотемпературного консервирования термофильных молочнокислых заквасок 57
3.1 Исследование процесса ферментации молока заквасочными культурами L. acidophilus и L.bulgaricus 57
3.1.1 Характеристика заквасочных культур L. acidophilus и L. bulgaricus 57
3.1.2 Исследование свойств молочного сырья, используемого для процесса ферментации 60
3.1.3 Изучение процесса образования молочного сгустка 62
3.2 Исследование свойств заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 65
3.2.1 Органолептические показатели и химический состав заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 65
3.2.2 Физико-химические и микробиологические показатели заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 69
3.2.3 Теплофизические свойства заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 73
3.3 Исследование процессов замораживания и низкотемпературного хранения заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 82
3.3.1 Организация процессов замораживания заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 83
3.3.2 Характеристики процессов замораживания заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 83
3.3.3 Исследование изменения качественных показателей замороженных заквасок в процессе хранения 91
3.3.4 Исследование процесса ферментации молока замороженными заквасками 107
Глава 4. Практическая реализация результатов исследования 111
4.1 Разработка технологии низкотемпературного консервирования заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов 111
4.2 Расчёт экономических показателей бактериальных заквасок L. acidophilus и L. bulgaricus 116
Выводы 118
Список литературы 120
Приложения 133
- Технологические схемы и производственные системы для получения бактериальных заквасок
- Способы низкотемпературного консервирования заквасочных культур
- Теплофизические свойства заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов
- Разработка технологии низкотемпературного консервирования заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важнейших приоритетных направлений в России, как на федеральном, так и на региональных уровнях является обеспечение здоровья населения. В настоящее время особое внимание уделяется продуктам функционального назначения, к таким продуктам относятся кисломолочные продукты.
Они содержат необходимые для организма питательные вещества в легкоусвояемой форме. Эти продукты хорошо перевариваются, обладают диетическими и лечебными свойствами. Концепцию оздоровления человека и предупреждения старения организма за счёт включения в рацион питания кисломолочных продуктов была впервые выдвинута И.И. Мечниковым.
Кисломолочные продукты относятся к числу ферментированных пищевых продуктов, при производстве которых функционально необходимыми компонентами являются бактериальные закваски и концентраты.
Среди первых исследователей микрофлоры кисломолочных продуктов был русский учёный С.А. Северин. Основоположником отечественной микробиологии молока и молочных продуктов стал С.А. Королев. Он впервые в России применил закваски, то есть чистые культуры молочнокислых бактерий.
Вопросам производства бактериальных заквасок и концентратов посвящены работы многих учёных и исследователей в этой области: Н.С. Королёвой, Л.А. Банниковой, В.М. Богданова, А.В. Гудкова, М.С. Кондратенко, М.Н. Николаева, Л.А. Остроумова, Н.А. Тихомировой, А.А. Цуцаевой и других.
На сегодняшний день, используют два основных метода сохранения заквасок и концентратов молочнокислых микроорганизмов: лиофилизирование и замораживание. Различные виды и штаммы молочнокислых микроорганизмов имеют разную чувствительность к лиофилизированию, при этом лактобактерии в большей степени подвержены изменениям клеточных оболочек и мембран, чем лактококки.
Лиофилизирование достаточно хорошо изученный метод и имеет широкое применение, как в нашей стране, так и за рубежом. Применение низкотемпературного консервирования в меньшей степени распрастранено при производстве бактериальных препаратов в нашей стране, поэтому и сведений об этом методе не так уж много. Исследование влияния низких температур на микроорганизмы, в том числе и молочнокислые бактерии, изложены в трудах, таких исследователей как Н.С. Королёва, Н.А. Головкин, Э. Алмаши, С.А. Большаков, А.А. Цуцаева, А.А. Болдырев и других.
В 2008г. в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2007-2012 годы» разрабатываются технологии лиофилизированных и замороженных заквасок прямого внесения, которые обеспечат отечественную молочную промышленность высококачественными 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 микрофлоры жителей страны; закваски должны вырабатываться с учетом особенностей отечественного сырья.
Таким образом, разработка индивидуальных эффективных технологий низкотемпературного консервирования бактериальных заквасок является перспективным направлением развития прикладной науки, которое будет стимулировать производство продуктов питания отечественной пищевой промышленностью.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы являлось исследование и разработка технологии низкотемпературного консервирования заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов.
Реализация поставленной цели достигается путём решения следующих задач:
- определение органолептических, физико-химических, микробиологических показателей и теплофизических свойств свежеприготовленных заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов;
- исследование влияния замораживания и низкотемпературного хранения на сохранность и жизнеспособность клеток микроорганизмов термофильных молочнокислых заквасок;
- определение органолептических, физико-химических, микробиологических показателей и теплофизических свойств заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов после замораживания и их низкотемпературного хранения;
- определение режима низкотемпературной обработки и хранения, обеспечивающий максимальную сохранность и жизнеспособность заквасочных культур и оптимальные качественные показатели исследуемых заквасок;
- разработка технологии низкотемпературного консервирования и хранения заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов.
Научная новизна работы:
- определены физико-химические, микробиологические показатели и теплофизические свойства заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов L. acidophilus и L. bulgaricus до и после замораживания;
- определены параметры замораживания микроорганизмов заквасочных культур L. acidophilus и L. bulgaricus: продолжительность замораживания, криоскопические температуры и скорости замораживания;
- установлен режим низкотемпературной обработки и хранения, обеспечивающий максимальную сохранность и жизнеспособность заквасочных культур L. acidophilus и L. bulgaricus и оптимальные качественные показатели исследуемых заквасок: замораживание – температура минус 45С 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 основы технологии низкотемпературного консервирования и хранения заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов L. acidophilus и L. bulgaricus.
Практическая значимость работы. На основании результатов исследования разработана технология низкотемпературного консервирования заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов.
Разработаны технические инструкция и условия (ТУ 9229-001-02068315-11) для производства замороженных заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов.
Апробация работы. Основные положения работы изложены и обсуждены в докладах V всероссийской научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и образования» (Магнитогорск, 2010), III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2010), научно-практической конференции молодых специалистов «Идеи. Инновации. Технологии» (Шерегеш, 2010), седьмой Всероссийской дистанционной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса России» (Персиановский, 2010), Всероссийской научной конференции «Повышение качества и безапасности пищевых продуктов» (Махачкала, 2010), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2010» (Одесса, 2010), IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2011), I Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе четыре статьи в журналах, рекомендованных ВАК, а также два патента РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, в которой приведены результаты исследований и их анализ, выводов, списка использованных источников и приложений.
Технологические схемы и производственные системы для получения бактериальных заквасок
Существует два основных способа получения производственной закваски, которые схематично представлены на рис. 1.5. Первый способ (схема 1) представляет собой приготовление закваски в увеличенном масштабе, может состоять из двух и более стадий (исходная культура — лабораторная закваска — пересадочная — производственная). Исходная культура, предназначенная для получения производственной закваски, может быть жидкой, сублимированной или замороженной при -196 С. Второй способ (схема 2 и 3) заключается в прямом заквашивании молока в заквасочнике для получения производственной закваски. Исходной культурой может служить бактериальный концентрат, полученный сублимационной суш бактериофагами).Существуют новые методы, которые далее рассмотрены.
При традиционных способах заквашивания молока используется в основном лабораторное оборудование и резервуар для закваски. Это могут быть стеклянные пробирки, градуированные пипетки, специальные ёмкости вместимостью 250 мл (для лабораторной закваски), 2- 5-литровые ёмкости (для пересадочной закваски) [34]. Закваски на молочных предприятиях получают в отделениях чистых культур или специальном боксе в ламинарном шкафу при микробиологической лаборатории предприятия. В них необходимо поддерживать асептические условия [20, 22]. В качестве среды культивирования используется свежее или восстановленное обезжиренное молоко, которое стерилизуется в автоклаве при 121 С в течение 10-15 мин. Молоко для приготовления пересадочной закваски обычно обрабатывают паром в течение 1 ч. Активизация и пересевы должны выполняться с соблюдением гигиенических требований.
Также рекомендуется, чтобы рабочая область закваски и атмосфера были чистыми (воздух следует фильтровать, а также пересев культур может выполняться в ламинарном шкафу). Получение производственной закваски по такой схеме предполагает использование резервуара простой конструкции (пастеризатор периодического действия - заквасочник). В качестве комбинированного пастеризатора, охладителя и заквасочника для приготовления небольших объемов производственной закваски могут использоваться водяная баня или шкаф с термостатическим контролем. Этот метод может также использоваться для производства пересадочной закваски, применяемой для дальнейшего заквашивания молока в специальных резервуарах Джонса [34].
Механически защищенные системы для сквашивания молока. В этих системах для производства закваски важны два аспекта: молоко подвергают термообработке и охлаждают до температуры сквашивания в закрытом резервуаре; заквашивание молока производится без доступа воздуха. Начиная с 1950-х гг., оборудование для работы с культурами закваски было усовершенствовано в основном из-за централизации изготовления кисломолочных продуктов и возросшего спроса на большие количества закваски. В результате были разработаны различные типы механически защищенных систем.
Система Джонса. Резервуар Джонса является негерметизированным сосудом для закваски, так как воздух в свободном пространстве резервуара над продуктом вытесняется при термообработке молока и снова поступает в резервуар при охлаждении. Некоторое положительное давление внутри резервуара может достигнуто путем установки в систему фильтрации/стерилизации воздуха вентилятора. Подробно характеристики системы описаны в работе [143].
Системы со стерильным и фильтрованным воздухом. Высокоэффективен пылевой ные системы сухой фильтрации воздуха (HEPА) на резервуарах производственной закваски схематично представлены нарис. 1.7 [34, 138, 140]. При исследовании действия НЕРА-фильтра (ультраполимембрана PF- РР 30/3 (0,2 мкм)) на воздух, попадающий на предприятиях в резервуары для произвол-Рисунок 1.7 Резервуар для получения ственной закваски, выявлено, что через производственной закваски с повышен- Фильтр проходит меньше, чем один ным давлением стерильного воздуха бактериофаг из 1,9-10 , выполняется основное требование к фильтру [34]. Система Тетра Пак. Эта система похожа на систему Льюиса, но в этой системе резервуар отличается по конструкции и снабжен специальным фильтром, состоящим из гидрофобной бумаги, и предварительными фильтрами. Метод Тетра Пак для переноса закваски использует стерилизованный воздух, общая схема стерильной системы переноса представлена на рис. 1.8. Она состоит из: 1 - инкубатор viscubator; 2 - контейнер с закваской; 3 — резервуар для производственной закваски; 4 - НЕРА-фильтр; 5 - воздушный клапан; 6 - фильтр для пара; 7 - рН-метр. Для приготовления лабораторной закваски используют стеклянные бутылки (с резиновыми пробками и металлическими крышками с кольцом), а для пересадочной - ёмкости из нержавеющей стали. Приготовление лабораторной закваски проводят в стерильных условиях. При переносе культуры используется две одноразовые стерильные иглы. Данная система описана в работе [151].
Системы управления уровнем кислотности. Существуют два метода производства закваски с использованием системы управления кислотностью: внешнее и внутреннее управление рН [34]. Они необходимы для: преодоления недостатков, связанных со средами, устойчивыми к бактериофагам и подавляющими бактериофаги, включая стоимость таких сред; минимизации ежедневных колебаний в образовании кислоты микрофлорой обычной производственной закваски, которые случаются в производственной практике [ПО, 130].
Среды, устойчивые к бактериофагам (СУБ) и среды, их подавляющие (СПБ). Эти среды являются также фагоустойчивыми (ФУС) или фагоингиби-рующими средами (ФИС). Их основные компоненты - сухие вещества молока, сахар, стимулирующие вещества (экстракты дрожжей, панкреатические экстракты, гидролизованные твердые вещества зерновых культур), фосфат-цитратные буферы и хелатирующие составы (фосфаты аммония или натрия). Данные по СУБ и СПБ [53] показывают, что обычно такие среды не очень эффективны [34].
Таким образом, в настоящее время в молочной промышленности имеется большое разнообразие производственных систем для получения заквасок, которые осуществляют получение различных штаммов заквасочных культур для различных молочных продуктов, обеспечение их чистоты и активности.
Способы низкотемпературного консервирования заквасочных культур
Начиная с 60-х годов, для длительного хранения бактерий используют низкие температуры [9, 39]. Однако только в последнее время технология получения замороженных бактериальных препаратов получила широкое распространение после развития криогенной техники и появления возможности транспортировать их на дальние расстояния при низких температурах [39].
Низкотемпературное консервирование заквасок молочнокислых бактерий подразделяют на два вида:
- глубокое замораживание от -30 до -80 С в низкотемпературной холодильной камере;
- замораживание при сверхнизких температурах (-196 С) в жидком азоте.
Натуральное стерильное молоко сразу после заквашивания активной культурой закваски глубоко замораживают до температуры от -30 до -40 С для сохранения лабораторной или пересадочной культуры. Такие замороженные культуры могут сохранять свою активность в течение нескольких месяцев при температуре хранения - 40 С. Этот способ сохранения культур широко распространен в молочной промышленности, поскольку глубоко замороженные культуры, полученные в централизованных лабораториях, могут быть в нужный момент отправлены на молочное производство в сухом льду. Эти культуры фасуют в основном в пластмассовую тару. Процедура активизации этих культур следующая: извлечение закваски из холодильной камеры (-40 С); быстрое размораживание закваски в водяной бане при 20 С; инкубация при необходимой температуре до достижения необходимой кислотности; охлаждение и хранение в течение нескольких часов в холодильной камере при температуре 2- 6 С; пересадка для получения пересадочной лабораторной закваски, которая используется для приготовления производственной закваски.
Другой способ глубокого замораживания культуры заключается в замораживании активной жидкой закваски при -40 С. Культуру выращивают в непрерывно нейтрализуемой среде для оптимизации концентрации бактериальных клеток. Затем бактериальная масса отделяется сепарированием, и еще до расфасовки и замораживания снова создается суспензия клеток в стерильной среде, содержащей защитные вещества. Данные культуры должны храниться при температуре от -30 до -40 С и направляться на молочное производство в термоизолированных коробках, заполненных сухим льдом.
Процесс замораживания может привести к повреждению бактериальных клеток, поэтому с течением времени влияние ряда факторов может привести к снижению активности глубоко замороженных культур. На их сохранность влияют следующие факторы: среда культивирования и криопротекторные соединения, скорость замораживания, температура замораживания и хранения, эффект размораживания.
Хотя замораживание и хранение при -40 С для консервирования микроорганизмов закваски оказывается весьма результативным, хранение при температуре от -80 до -100 С в сжиженных парах азота повышает выживаемость микроорганизмов при этом, большое значение имеет скорость замораживания [100, 101].
Замораживание и размораживание могут повредить клеточную мембрану, также может быть повреждена аминокислотная транспортная система клеток, но подобные повреждения клеток обратимы и полностью репарируются [84], особенно, если они находятся в суспендированном виде [34, 100].
Замораживание в жидком азоте при сверхнизкой температуре (-196 С) является наиболее удачным методом консервирования культур закваски [34, 57, 83]. При таких низких температурах молекулы воды не образуют крупные кристаллы, и биохимические процессы внутри клеток прекращаются; в биологическом смысле бактериальная клетка находится в пассивном состоянии [81].
Такие криопротекторы, как Tween 80 и олеат натрия улучшает стабильность бактериальных клеток и снижает влияние колебаний температур в процессе хранения [103, 104]. Основными факторами, влияющими на активность консервированной культуры, могут быть тип среды культивирования, нейтрализующее вещество и криопротекторы [102, 104].
Для поддержания активности закваски, консервированной при сверхнизких температурах, культуры нейтрализуют, концентрируют, расфасовывают, замораживают [105]. Эти методики низкотемпературного консервирования заквасок молочнокислых бактерий нацелены, прежде всего, на консервирование пересадочной культуры, предназначенной для получения производственной закваски. Конечная цель состоит в использовании таких культур для прямого заквашивания (DVS) молока в резервуаре для производства кисломолочных продуктов. Несмотря на то, что использование таких методик консервирования заквасок может привести к некоторому увеличению продолжительности производственного процесса (более продолжительная лаг-фаза), эти методики обладают рядом преимуществ. Эти преимущества заключаются в следующем: они удобны; обеспечивают стабильность культуры; увеличивают эффективность использования производственного оборудования; сохраняют баланс штаммов; более гибкие; более эффективны в борьбе с бактериофагами; улучшают качество продукта. Однако такие методики имеют и недостатки:
- слишком большая зависимость молочного производства от изготовителя заквасок;
- необходимость использования специализированного низкотемпературного оборудования, которое требует специальной подготовки и навыков работы с ним; однако в настоящее время изготовители закваски поставляют клиентам специальные низкотемпературные контейнеры для транспортирования и хранения замороженных культур;
- инерционность реального молочного производства внедрять новую технологию вместо имеющейся, дающей удовлетворительные результаты;
- увеличение продолжительности изготовления готового продукта. Важным компонентом производства молочных продуктов с использованием замороженных заквасок является размораживание замороженных культур [13, 14, 34], которое состоит из следующих этапов:
- извлечение емкости с замороженной закваской из низкотемпературного контейнера, сосуда Дьюара или низкотемпературной камеры;
- размораживание в течение 10 минут при 20 С в воде, содержащей 10(Н200 мкг/г раствора гипохлорита;
- когда культура частично разморожена (содержимое начало размягчаться), извлечь контейнер из воды, открыть крышку и добавить непосредственно в резервуар для сквашивания или в резервуар для приготовления производственной закваски [34]. Хотя лиофилизированные закваски, несомненно, более удобны в работе, не требуют специализированных хранилищ и средств транспортировки, однако жизнеспособность микроорганизмов их значительно ниже, чем в замороженных заквасках. Соответственно время, необходимое для заквашивания молока, следовательно, продолжительность процесса производства кисломолочных продуктов при использовании сублимированных заквасок больше, чем при использовании замороженных.
Замороженные закваски позволяют интенсифицировать производство кисломолочных продуктов, обеспечивает большую стабильность, по сравнению с лиофилизированными заквасками, культур микроорганизмов, но требуют специального оборудования, позволяющего транспортировать замороженные закваски от биофабрик до молочных предприятий, а также хранить доставленные закваски до момента их использования в производстве кисломолочных продуктов на молокоперерабатывающих предприятиях. Замороженные закваски очень требовательны к условиям низкотемпературного хранения, температурные колебания при хранении замороженных заквасок существенно снижают жизнеспособность бактерий [35, 39].
Теплофизические свойства заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов
Исследование теплофизических характеристик заквасок молочнокислых бактерий производили первым буферным методом двух температурно-временных интервалов [65].
Принципиальная схема лабораторной установки, предназначенной для определения теплофизических характеристик первым буферным методом двух температурно-временных интервалов, изображена на рисунке 3.7.
Она состоит из теплоприемника 10, который изготовлен из оргстекла, его боковая поверхность покрыта пенополиуретановой теплоизоляцией 14. Нагреватель 4, обладающий малой тепловой инерционностью, выполнен из медного ТЭНа 2, он позволяет поддерживать постоянную температуру с точностью ±0,1 С с помощью установленного в нем термистора 3 и термостатирующего устройства 1. Основание нагревателя 15, основание теплоприемника 9, винтовое приспособление 11, способны перемещаться по направляющим стержням 12, которые установлены в основании установки 13. Они обеспечивают доступ к исследуемому объекту 7 и необходимый тепловой контакт между поверхностями объекта, теплоприемником и нагревателем.
Измерение температур в ходе теплотехнического эксперимента производится хромель-копелевыми термоэлектрическими преобразователями (термопарами) 5, одна из которых размещена на рабочей поверхности нагревателя, другая в теплоприемнике. Для обеспечения большей достоверности теплотехнического эксперимента, необходимо предусмотреть установку дополнительной термопары вблизи от свободного торца теплоприемника, а измерения температур в эксперименте производить до тех пор, пока температура свободного торца теплоприемника остается неизменной. Расстояние между рабочей поверхности теплоприемника и термопарой называют буферным слоем 8. Толщина буферного слоя должна быть значительно меньше высоты теплоприемника Н {Н»Нв, в нашей установке hB=5 мм, Н=200мм). Показания термопар фиксируются измерительным стендом 6, выполненном на базе персонального компьютера.
Для проведения теплофизических исследований полость 7 лабораторной установки (рисунок 3.7) заполняли жидкой лабораторной закваской. После установки нагревателя 4 (рисунок 3.7) термометрическая система термостатировалась в холодильной камере при температуре 0 + +2 С до установления теплового равновесия во всех точках термометрической системы. Момент установления теплового равновесия в термометрической системе определяли по показаниям термопар 5 (рисунок 3.7) которые измеряли температуру поверхности нагревателя, буферного слоя и свободного торца теплоприемника.
Лабораторный стенд, разработанный для определения теплофизических характеристик влагосодержащих материалов, представлен на рисунке 3.8.
Для определения теплофизических характеристик лабораторных заквасок при температурах выше 0 С, температуру поверхности нагревателя, с помощью термостатирующего устройства позиция 1, рис. 3.7, позиция 5, рис.3.8 и магазина сопротивлений позиция 4, рисунок 3.8 задавали в пределах 22-25 С.
Определение теплофизических характеристик лабораторных заквасок в замороженном состоянии производили на той же установке, только методика проведения измерений имела некоторые особенности. Подготовленную лабораторную закваску заливали в цилиндрическую латунную обечайку, внутренние размеры которой соответствовали полости 7 лабораторной установки. Обечайка изготовлена таким образом, чтобы при увеличении объема закваски вследствие замораживания увеличивалась только высота замороженного цилиндра. Затем лабораторную закваску замораживали в обечайке при температуре минус 25 С, Полученную замороженную заготовку выдавливали из обечайки, определяли ее вертикальный размер и размещали ее в измерительной полости 7 установки (рис. 3.7). До того, как замороженную закваску разместить в измерительной полости, измерительный комплекс выдерживался при температуре 0 +- 2 С, после того, как заготовка помещалась в полости 7, устанавливался нагреватель и лабораторная установка устанавливалась в низкотемпературной каскадной холодильной камере при температуре минус 50 + минус 45 С. За счет того, что лабораторный комплекс обладает достаточно большой тепловой инерцией, контактирующие с поверхностью нагревателя и рабочей поверхностью теплопри-емника торцы замороженного образца сначала подтаивали, затем примораживались к этим поверхностям. Таким образом, между образцом и рабочими поверхностями создавался идеальный тепловой контакт. Термометрическая система выдерживалась при температуре минус 50 минус 45 С до установления теплового равновесия в термометрической системе. При определении теплофизических характеристик замороженных заквасок температура поверхности нагревателя термостатировалась при температуре минус 22 - минус 25 С.
При включении нагревателя происходит интенсивный разогрев его рабочей поверхности до заданной температуры. Теплота от нагревателя через исследуемый материал передается теплоприемнику, температура которого повышается. Температура рабочей поверхности нагревателя, буферного слоя и свободной поверхности теплоприемника регистрируется измерительным комплексом. В результате проведения теплотехнического эксперимента получаются термограммы, рисунки 3.9, 3.10 в результате анализа которых определяются коэффициенты теплопроводности Л и температуропроводности а исследуемых образцов.
Постоянные теплоприемника определяли решением системы уравнений 3.1 относительно Л и а.
Для получения более достоверных значений теплопроводности и температуропроводности исследуемого материала на кривой 1 (рис. 3.9, ЗЛО) выбирали две группы точек (группа I и группа II, рис. 3.9, 3.10) в каждой из групп соответственно по шесть точек. Каждая из точек одной группы составляла пару с каждой точкой другой группы. Таким образом получается 36 систем уравнений вида (3.1). В каждой из которых определяются значения теплопроводности и температуропроводности исследуемого материала. Эти значения несколько отличаются друг от друга, поэтому в качестве окончательных значений коэффициентов теплопроводности и температуропроводности принимали средние значения этих величин, определенных для каждой пары точек (рис. 3.11,3.12).
Из приведенных результатов видно, что значения теплофизических характеристик заквасок в наибольшей степени определяются массовой долей содержащейся в них влаги. При замораживании заквасок теплофизические характеристики значительно изменяются: температуропроводность возрастает в 6+7 раз, теплопроводность возрастает в 3+4 раза, теплоемкость уменьшатся в 1,5+1,8 раза.
Теплофизические характеристики исследованных заквасок отличаются друг от друга незначительно. Температуропроводность и теплоемкость не замороженных заквасок отличается в пределах 2%, теплопроводность не замороженных заквасок в пределах 3%. Отличия в измеренных значениях теплофизических характеристик различных заквасок исследованной группы находятся в диапазоне погрешностей измерения. Это объясняется тем, что закваски очень близки друг к другу по составу и структуре. Таким образом, при теплотехнических расчетах процессов низкотемпературной обработки заквасок термофильным молочнокислых бактерий можно пользоваться усредненными теплофизическими характеристиками замороженных и не замороженных заквасок. Полученные таким образом результаты будут иметь точность, соответствующую требованиям, предъявляемым к инженерным расчетам.
Разработка технологии низкотемпературного консервирования заквасок термофильных молочнокислых микроорганизмов
Производство заквасок - это один из наиболее важных, а также трудоёмких процессов. Большое внимание следует уделять технологии производства и выбору производственного оборудования. Производство заквасок должно осуществляться в строгих санитарных условиях.
Этот процесс осуществляют в стерильных условиях в лабораториях, изолированных от производственных помещений, и специальных ламинарных боксах, позволяющие получить асептические условия внутри бокса.
После проведённых исследований получены результаты, которые послужили основанием для разработки технологии замораживания и низкотемпературного хранения бактериальных молочнокислых термофильных заквасок.
Технологическая схема процесса низкотемпературного консервирования бактериальных термофильных кисломолочных заквасок ацидофильной вязкой, невязкой и болгарской вязкой, невязкой палочки приведена на рис. 4.1
Технологический процесс производства низкотемпературного консервирования бактериальных термофильных кисломолочных заквасок включает ряд последовательных операции: приёмка сырья, подготовка сырья (хранение, нормализация, гомогенизация, тепловая обработка, охлаждение), заквашивание, сквашивание, перемешивание, охлаждение, фасовка и упаковка, замораживание и низкотемпературное хранение.
Приёмка молока-сырья. Приемка включает оценку качества сырья. Важным компонентом для приготовления заквасок является молоко. Молоко применяют по количеству и качеству, установленному ОТК (лабораторией) предприятия. Для приготовления заквасок используют обезжиренное или цельное молоко (сухое молоко), которое проходит подготовку в соответствии с техно логическими инструкциями по производству заквасок на предприятиях. Правила приёмки осуществляются по ГОСТ 13928. Приёмка молока-сырья включает следующие процедуры:
- предоставление документов, сопровождающих партию молока-сырья;
- отбор проб;
- измерение показателей качества;
- оформление удостоверения качества и безопасности.
Для определения качественных показателей при приёмке используются стандартизированные методы. Измерению подлежат органолептические, физико-химические и микробиологические величины, нормы и периодичность измерения которых установлены ГОСТ 52054-2003. Для обезжиренное молока требования соответствуют ГОСТ Р 53503-2009.
Подготовка сырья. Молоко перед использованием в производстве подвергают некоторым обработкам, таким как: очистка (при которой не происходят процессы, связанные химическими изменениями), сепарирование (если закваски готовят на обезжиренном молоке), гомогенизация и нормализация. Допускается использовать сухое цельное или сухое обезжиренное молоко, восстановленное в соответствии с установленной документацией. Нормализация молока - снижение или повышение содержание жира или сухих обезжиренных веществ. При низком содержании сухих веществ кисломолочные продукты будут иметь слабый непрочный сгусток, легко отделяющий сыворотку.
Молоко является благоприятной средой для развития микроорганизмов не только полезных, но и патогенных и санитарно-показательных, которые ухудшают качество молока и получаемых далее из него продукции. Для сохранения качества молока необходимо предотвратить размножение этих микроорганизмов, это достигается тепловой обработкой молока пастеризацией и стерилизацией, что приводит к уменьшению их количества или происходит их полное уничтожение.
Стерилизация молока - это тепловая обработка молока (при температурах выше 100 С) с целью повышения стойкости в хранении путём уничтожения как вегетативных, так и споровых форм микроорганизмов. При этом также происходит некоторое расщепление белка и удаление растворённого кислорода.
Стерилизацию молока проводят при давлении 0,1 МПа и при температуре 121±2 С. После стерилизации молоко охлаждают до температуры 38±1 С.
Заквашивание. После охлаждения молока до температуры заквашивания в него сразу же вносят заквасочные микроорганизмы и тщательно перемешивают. При резервуарном способе для лучшего перемешивания смеси с закваской заполнение резервуара с охлаждаемой рубашкой смесью производят при включённой мешалке. Перемешивание заканчивают через 15 минут после заполнения резервуара.
Сквашивание. После того как закваска смешивается с питательной средой, смесь оставляют в покое для сквашивания, бактерии начинают размножаться, нарастает кислотность, начинается сквашивание, коагулирует казеин и образуется сгусток. Температура сквашивания - 41±1 С, колебаний температуры не допускается или её снижение, так как это приведёт к ухудшению качества сгустка.
Окончание сквашивания определяют по кислотности и образованию достаточно плотного сгустка. Продолжительность сквашивания и кислотность полученных сгустков определяется видом заквасочной культуры.
При термостатном способе сквашивание смеси происходит в термостатных камерах, при резервуарном способе - в емкостях (резервуарах, заквасочни-ках).
По окончании сквашивания сгусток тщательно перемешивают. При резервуарном способе продолжительность перемешивания зависит от конструкции мешалки и консистенции сгустка.
Охлаждение. После достижения однородной консистенции молочнокислого сгустка закваску охлаждают. Охлаждение начинается при достижении определённого значения кислотности для прекращения роста бактерий и, следовательно, для предотвращения роста активности закваски до высокого уровня.
Фасовка и упаковка. Перед замораживанием свежеприготовленные закваски так же в стерильных условиях разливают в упаковки требуемого объёма и маркируют.
Замораживание. Перед замораживанием закваски предварительно охлаждают в холодильной камере до (4±2) С, это необходимо для адаптации микроорганизмов.
Далее проводят замораживание заквасок в скороморозильном аппарате. Упакованные закваски погружают в контейнер со средой хладоносителя, где температура замораживания -45С. Продолжительность замораживания зависит от объёма замораживаемой закваски.
Низкотемпературное хранение. Замороженные закваски помещают в термоизолированный контейнер и оставляют на хранение при температуре -45С. Срок низкотемпературного хранения составляет не более 270 суток.
При использовании на молочных предприятиях холодильного оборудования с температурой хранения -18 С, закваски замороженные при температуре -45 С в среде хладоносителя рекомендуется хранить не более 14 суток, так как в течение этого времени закваски сохраняют необходимую активность сквашивания.
Транспортирование производится специализированным автотранспортом поддерживающем температуру не выше минус 45 С или в изотермических контейнерах, позволяющих поддерживать необходимый температурный уровень, в соответствии с правилами перевозок скоропортящихся грузов, действующими на данном виде транспорта.
Важным этапом подготовки закваски перед сквашиванием является размораживание заквасочных культур.
Размораживание. Подобная процедура состоит из следующих этапов: извлечение емкости с замороженной закваской из низкотемпературного контейнера или низкотемпературной камеры; размораживание при 20 С в водяной бане (воде), содержащей 10(К200 мкг/г раствора гипохлорита; когда культура частично разморожена (содержимое начало размягчаться), контейнер извлекается из воды, крышку открывают и добавляют непосредственно в резервуар для сквашивания или в резервуар для приготовления производственной закваски.
