Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический;обзор литературных данных по проблеме: «Современное состояние и пути-развития технологии кисломолочных продуктов с функциональными свойствами : 6
1.1 Использование.достижений нано- и биотехнологии в пищевой промышленности; в том числе молочной . ... 7
1.2 Характеристика биообъектов, используемых в технологии производства био- и кисломолочных продуктов 24
1.3 Иммобилизация клеток микроорганизмов - как способ защиты клеток 32
1.4 Обогащение молочных продуктов микронутриентамш 36
1.5 Заключение по главе L Цель и задачи собственных исследований 42
Глава 2 Методология проведения исследовании . 44
2.1 Постановка экспериментальных исследований 44
2.2 Объекты и методы исследований» 46
2.2.1 Физико-химические методы и органолептические методы 47
2.2:2 Микробиологические методы.исследования; ... 48
2.2.3 Биохимические методы 59
2.2.4 Реологические и термодинамические методы 51
2.2.5 Методы математического анализа 51
Глава 3 Результаты исследований и их анализ 52
3.1 Формулирование требований.к функциональным свойствами нового кисломолочного продукта 52
3.2 Обоснование вида биообъектов с пробиотическими свойствами 53
3.3 Исследование влияния процесса микрокапсулирования на жизнеспособность пробиотических микроорганизмов 54
3.4 Исследование процесса хранения пробиотических микроорганизмов в микрокапсулированом виде 61
3.5 Исследование влияния процессазамораживания на срок годности пробиотических микроорганизмов в микрокапсулированом виде 63
3.6 Изучение процесса ферментации молочного сырья ассоциацией пробиотических микроорганизмов в микрокапсулированом виде 67
3.7 Выбор пищевого кальцийсодержащего ингредиента для обогащения кисломолочного продукта 69
3.8 Определение количества кальцийсодержащего ингредиента расчётным и экспериментальным путём 73
3.9 Исследование влияния растительных компонентов на физико-химические и органолептические свойства продукта. Проектирование рецептуры продукта 84
3.10 Изучение хранимоспособности кисломолочного продукта и определение его срока годности 90
Глава 4 Практическая реализация результатов исследований 98
4.1 Определение пищевой, биологической и энергетической ценности кисломолочного продукта «Премиум» 98
4.2 Разработка технологии и нормативной документации для производства кисломолочного продукта «Премиум» 104
4.3 Расчет экономических показателей кисломолочного продукта «Премиум» 108
Основные результаты и выводы 111
Список использованных источников 113
Приложения 130
- Характеристика биообъектов, используемых в технологии производства био- и кисломолочных продуктов
- Иммобилизация клеток микроорганизмов - как способ защиты клеток
- Физико-химические методы и органолептические методы
- Исследование процесса хранения пробиотических микроорганизмов в микрокапсулированом виде
Введение к работе
Молочные продукты занимают ключевое место в рационах питания населения всех возрастных групп как источник биологически ценных веществ, в их числе такие пищевых веществ, необходимых для нормального обеспечения жизненно важных функций организма.
Бурное развитие новых технологий - переработки животного и. растительного сырья привело к значительному снижению содержания-в рационе современного человека нативных продуктов питания, в связи с чем актуальным1 является обеспечение населения необходимыми нутриентами для поддержания их здоровья-и трудоспособности на высоком уровне, путем разработки обогащен-ных продуктов и-использования их длярегулярного питания. Данный-постулат отражен в научных трудах А.А. Покровского, В.А. Тутельяна, В.И. Покровского, В.В Спиричева, В.М. Позняковского и других известных учёных.
При этом, важным является использование таких новых направлений в технологии обогащенных молочных продуктов, как био- шнанотехнологии, которые обоснованы и получили-развитие в трудах.отечественных изарубежных учёных, положенных автором данной работы в. основу своих исследований: И.А. Рогова, А.Г. Храмцова, Л.А. Остроумова, Ю.Я. Євириденко; Н.И. Дунчен-ко, И.А. Евдокимова; Э.С. Токаева, Н.А. Тихомировой, Л.А. Забодаловой, И.С. Хамагаевой, Г.Б. Гаврилова, В.И. Ганиной; М.С. Уманского, А.А. Майорова, М.П. Щетинина, Н.Б. Гавриловой, Л.В1 Голубевой, А.Ю. Просекова, И.А. Смирновой, Л.М. Захаровой; И.В. Буяновой, О.Н. Буянова, D.Lillu, R.Fuller и др.
При этом как перспективное направление определено исследование по иммобилизации пробиотических культур в гель биополимеров методом микро-капсулирования и использование минерального обогатителя в нанодисперсной форме, что позволяет считать его актуальным.
Работа выполнялась в рамках «Приоритетных направлений развития науки и техники» (Пр-577 от 30.03.2002), программы по НТП Минобразования России «Научные исследования высшей школы по технологии живых систем», а таюке
в соответствии с темой, имеющей гос. регистрацию «Разработка теоретических основ создания новой технологии и техники для производства безопасных продуктов питаниях функциональными свойствами» (№ 01.2.006 09463).
Цель диссертационной работы - провести исследование и разработать технологию кисломолочного продукта, обогащенного пробиотическими микроорганизмами микрокапсулированом виде и кальцием в нанодисперсной форме.
Научная новизна, работы. Экспериментально обоснован вид пробиотиче-ских микроорганизмов в составе биообъекта для ферментации» (сквашивания) молочного сырья L. acidophilus : бифидобактерии (В. bifidum; В. longum, В. adolescentis) : S. thermophilus : Lactococcus lactis subsp. diacetilactis в долевом количестве, как 1:1:1:2 и изучены их биотехнологические характеристики. Впервые исследован процесс микрокапсулирования ассоциированных пробио-тических микроорганизмов, подобран состав носителя (матрицы).
Изучено влияние процесса замораживания на сохранность пробиотических микроорганизмов в микрокапсулированом виде. Установлены параметры- их замораживания, и срок годности. Обоснован вид обогащающего ингредиента «Кальций-МАКГ», содержащий глюканат кальция в нанодисперсной форме. Установлены закономерности процесса сквашивания-в его присутствии. Получены математические зависимости характеризующие данный процесс. Подобраны растительные компоненты и оптимизирована рецептура кисломолочного продукта. Определена-пищевая, биологическая и энергетическая ценность, установлен срок годности нового продукта1 с функциональными свойствами.
Практическая значимость работы. В результате научно-исследовательской работы разработана технология кисломолочного продукта и нормативная документация (СТО 97887659-001-2010). Технология нового продукта прошла промышленную апробацию на молочном предприятии ОАО «Маслосыркомбинат» «Москаленский» (Омская обл.).
Новизна технического решения отражена в патенте РсЕк на изобретение № 2376779 «Способ производства кисломолочного пастообразного продукта».
Характеристика биообъектов, используемых в технологии производства био- и кисломолочных продуктов
В последнее время возрастает потребление населением кисломолочных продуктов. Известно, что они.играют значительную роль в диетическом и лечебном питании, так как содержат питательные и биологически активные вещества, созданные самой природой. Во многом эти свойства обусловлены бактериями, входящими в состав применяемых заквасок. Продукты жизнедеятельности микрофлоры заквасок влияют на формирование вкуса, запаха, консистенции кисломолочных продуктов, подавление развития посторонней микрофлоры, повышение биологической ценности продукта, придание ему специфических, пробиотических и других свойств [8, 114, 130, 162, 168].
Современные подходы к вопросам питания диктуют необходимость наряду с традиционными создавать и новые кисломолочные продукты на комбинированной основе с использованием микроорганизмов различных таксономических групп. Таким образом, получать кисломолочные продукты с заданными показателями и безо пасными для потребителей невозможно без использования заквасок со стабильным комплексом биотехнологических свойств [30, 129]. Закваски, применяемые при производстве кисломолочных продуктов, можно классифицировать: - по способу производства (жидкие, в том числе замороженные, сухие); - по количеству молочнокислых микроорганизмов (закваски, бактериальные концентраты); - составу микрофлоры (моновидовые, поливидовые, симбиотические); - назначению (группы продуктов); - способу использования (приготовление производственной закваски, прямое внесение). Кисломолочные продукты, ассортимент которых очень велик, подразделяются следующим образом: - с использованием естественных симбиотических заквасок (кефир, кумыс); - мезофильных лактококков (творог, сметана, простокваша обыкновенная, сыр домашний и др.); -термофильных молочнокислых бактерий (йогурт, ряженка, варенец, «Снежок» и др.); - мезофильных и термофильных молочнокислых бактерий (творог, сметана, кисломолочные напитки, десерты и др.); - микроорганизмов с пробиотическими свойствами.
Требования СанПиН 2 3.2.1078-01 к количественному содержанию клеток микроорганизмов в заквасках и бактериальных концентратах представлены в табл. 1.2.1. При подборе микроорганизмов в состав закваски учитываются следующие факторы: специфические свойства вырабатываемого продукта, температурные режимы производства, взаимоотношения между микроорганизмами, возможность развития бактериофага. В зависимости от количества видов микроорганизмов, входящих в состав закваски, их можно разделить: - на моновидовьте, содержащие несколько штаммов одного вида микроорганизмов; - поливидовые, стимулирующие развитие друг друга (термофильный стрептококк и болгарская палочка), и-индивидуального развития (молочнокислые и пробиотические) - искусственный-ценоз; - симбиотические - естественные поливидовые микроорганизмы, активно стимулирующие друг друга - естественный ценоз.
Группа энтерококков (молочнокислые стрептококки кишечного происхождения) достаточно широка, но при производстве кисломолочных напитков используются микроорганизмы вида Enterococcus [16]. Органолептические свойства готового продукта (выраженность вкуса и аромата) определяет видовой состав закваски. Состав ароматических веществ, образующихся в результате жизнедеятельности различных микроорганизмов, представлен в табл. 1.2.2. К заквасочным; культурам микроорганизмов; обладающим пробиотичег . скими свойствами, относятся не только молочнокислые (L. acidophilus Е. casei; L. plantamm; Enterococcus), но и микроорганизмы видов; Bifidobacterium; Propionibacterium. Внастоящее время бифидобактерии применяют ишриУпроизводстве,сыров;, в?основном мягких и с короткими срокомзреализациш Сибирским НИИ сыродег ЛИЯІ разработана документация! на сыры- лечебно-профилактического- назначег ния««Лонгум» И «Курортный» [16];. Живые бйфидобактерий, присутствующие! в пищевых продуктах очень чувствительны; к факторам окружающей среды(низким значениям рН, отсутствию тех или иных поддерживающих рост этих бактерий субстратов и т.д.): Поэтому для- удлинения- сроков сохранения бйфидобактерий в жизнеспособном состоянии .при изготовлении1 продуктов; функционального-питания рекомендуют, их комбинировать, с другими микроорганизмами прежде всего с культурами, обладающими выраженными протеолитическимш свойствами (например: Ebim acidopmlurmraiHMtStr. mermophims) [165]l Наибольший интерес в применении; пробиотиков.представляют культуры; пропионовокислых; бактерий (ПКБ) ш мезофильных лактобацилл Lactobacillus casei. . Пропионовокислые бактерии являются- нативными представителями3 нор-.мофлоры не только желудочно-кишечного тракта; людей; но и; традиционных продуктов питания, таких как хлеб и сыры. Уникальность, этих анаэробных-микроорганизмов заключается в способности синтезировать г витамины группы В, особенно Bi2. Пропионовокислые бактерии продуцируют тиамин, рибофлавин; пиридоксин, фолиевуюг и фолиновую кислоты обладают иммуностимулирующими и антимутогенными свойствами Все большее применение при производстве кисломолочных напитков [и . сыров находит культура мезофильных палочек Lactobacillus casei. Селектированные штаммы.Lactobacillus casei способны подавлять,гнилостную микрофлору кишечника.
Иммобилизация клеток микроорганизмов - как способ защиты клеток
Технология ферментированных продуктов построена на использовании биообъектов (живых микроорганизмов и ферментов). Основной проблемой при составлении консорциумов, комбинаций, поликомпонентных сочетаний в заквасках является обеспечение их симбиоза, жизнеспособности во время технологического процесса производства и при потреблении продукта в. желудочно-кишечном тракте человека [53, 140].
Информационные источники свидетельствуют о постоянных исследо-ваниях, проводимых в области повышения эффективности выживания пробио-тических культур в продуктах и при высушивании стартерных культур. Существует ряд подходов, увеличивающих жизнеспособность клеток, к которым относятся селекция кислото- и желчерезистентных штаммов, использование непроницаемой упаковки, двухстадийная ферментация, стрессовая адаптация,-введение микронутриентов (цйстеин, сывороточный порошок, кислотный гид-ролизат казеина), бифидогенных факторов (лактулоза и олигосахариды). Такие подходы несколько увеличивают потенциальную выживаемость биокультур. Изменения в процессе производства йогурта, такие, как приостановление фер-ментации при рН = (5,0±0,1), может обеспечить выживаемость биокультур, но конечный продукт не будет обладать характерным вкусом и ароматом [27, 28].
Выживаемость пробиотических культур зависит от различных факторов, включающих условия хранения, ферментации и др., и является индивидуальной характеристикой каждого отдельного штамма. В этой связи, отбирая штаммы с высокой степенью устойчивости, к неблагоприятным факторам, можно увеличить степень «пробиотичности» продукта [92, 96].
Наиболее перспективным направлением для решения этой проблемы является использование иммобилизации бактериальных клеток.
Словосочетание «иммобилизованные клетки» возникло в научной литературе по аналогии с термином «иммобилизованные ферменты», хотя позднее в отношении клеток понятия «иммобилизованные» и «иммобилизация» стали употребляться в более широком смысле, чем их обычно используют примени
тельно к ферментативным системам. В настоящее время к иммобилизованным клеткам относятся такие клетки, для которых созданы искусственные ограничения подвижности во внешней среде, а материальный посредник, обеспечивающий эти ограничения подвижности, считается носителем. В целом система клетка-носитель называется иммобилизованным биокатализатором [54, 116, 157, 163, 164].
Иммобилизацию можно рассматривать как физическое разделение катализатора (клеток, клеточных фракций или ферментов) и растворителя [23, 83, 85].
Ко всем методам иммобилизации клеток и к используемым при этом носителям предъявляются определенные требования, которыми обычно руководствуются при разработке того или иного биотехнологического процесса, предусматривающего применение содержащих клетки иммобилизованных биокатализаторов: - прежде всего, используемый способ иммобилизации не должен в значительной степени затрагивать.ферментативные системы клетки, необходимые для реализации конкретной типологии. Поэтому при проведении иммобилизации желательно либо совсем исключить, либо свести к минимуму контакт клеток с токсичными для них веществами, а также предотвратить нежелательное воздействие на микроорганизмы температурных и осмотических стрессов; - иммобилизацию необходимо осуществлять таким образом, чтобы в результате клетки надежно удерживались носителем; -трудоемкость стадии иммобилизации должна быть по возможности минимальной; как и число манипуляций с клетками (существенно для сохранения стерильности) [4]; -требуется операционная- стабильность получаемых иммобилизованных биокатализаторов для их длительной эксплуатации, что зависит от механической, химической и биологической устойчивости, носителя в условиях конкретного типологического процесса; - очень важным моментом является обеспечение иммобилизованных микроорганизмов питательными веществами; газообразными субстратами (например, кислородом для дыхания аэробных клеток) и отвод продуктов жизнедеятельности, т.е. материал носителя не должен создавать значительных диффузионных препятствийїмассообменньїм процессам; - существенную, w при крупномасштабном производстве зачастую определяющую роль играет экономическая сторона вопроса, т.е. необходимы невысокая стоимость применяемого метода иммобилизации клеток и доступность исходных компонентов, так как даже очень хороший вариант, для которого использованы экзотические вещества и уникальное обору-дование, имеет, к сожалению, мало шансов1 на промышленное воплощение [116].
Варианты иммобилизации часто рассматривают с точк№ зрения» природы сил, удерживающих клетку в зоне носителя. Тогда методы иммобилизации подразделяют на химические и физические.
В первом случае между поверхностью клетки и материалом носителя создаются ковалентные связи, т.е. клетка химически «пришивается» к носителю, что в свою очередьможет осуществляется как на поверхности соответствующего нерастворимого материала, так и вюбъеме носителя.
Во втором случае удерживание клетки, носителем осуществляется за счет физических факторов: адсорбционно, сеткой полимерного геля с порами меньше размеров клетки, непроницаемой ими клеток, мембраной, электрическим полем и др. [115].
Физико-химические методы и органолептические методы
Для определения химического состава и свойств в молочном сырье и готовом продукте использовали нижеприведенные методы: - массовую долю жира определяли кислотным методом Гербера по ГОСТ 5867-90 [40]; - массовую долю общего количества белка определяли методом Къельдаля-по ГОСТ 25179-90 [33]; - плотность определяли по ГОСТ 3625-84 [38]; - определение активной кислотности осуществлялось электрометрическим методом на рН-метре в диапазоне измерения от 4 ед. рН до 9 ед. рН, с погрешностью измерения 0,05 ед. рН по ГОСТ 26781-85 [34]; - определение титруемой кислотности в градусах Тернера проводили по ГОСТ 3624-92 [37]; - отбор и подготовка проб к анализу по ГОСТ 26809-86 [35]. - растворимость минеральных обогатителей по ГОСТ 30305.4-95 [36]. Иммобилизацию проводили методом микрокапсулирования. Суспензию клеток смешивали биополимеров и капсулировали в раствор хлористого натрия, выдерживали для затвердевания.
Анализ и расчет количества кальция в готовом кисломолочном продукте, выполнялся по комплекснометрическому методу определения содержания кальция (по А. Дуденкову) [36] ОрганолептическуЮ оценку готового продукта проводили методом закрытой дегустации, разработанной на основании ГОСТ 28283-89. Контролировали следующие показатели: запах, вкус, консистенцию, внешний, вид и цвет, кото-рымприсваивается количественное выражение в баллах (табл. 2.2.1.1) [152]. В работе использовали стандартные методы исследования микробиологических показателей по ГОСТ 9958-81, ГОСТ 9225-84, ГОСТ 10444.11-89 [32, 41,42,43,122,123]. Общее количество микроорганизмов определяли-методом предельных разведений в среду для определения количества мезофильных аэробных и факуль-тативноанаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ), с выдержкой посевов в течение 48-72 ч при температуре (37±1) С. Количество жизнеспособных клеток ацидофильной палочки определяли методом предельных разведений в питательную среду для выделения и культивирования лактобацилл (ЛАКТОБАКАГАР), с выдержкой посевов в течение 48-72 ч при температуре (37±1) С. Определение количества бифидобактерий проводится согласно методическим указаниям 4.2.999-00-МУК. Методика основана на способности бифидо бактерий расти в питательных средах, разлитых высоким столбиком в пробирках, при температуре (38±1) С и образовывать в них через 24-72 ч колонии с типичными для бифидобактерий морфологическими характеристиками. Подтверждение наличия бифидобактерий методом микроскопирования.
Определение перевариваемости белков ферментированного продукта пищеварительными ферментами «in vitro» определяли в системе «пепсин-трипсин», как сумму мг тирозина на г белка, обрабатываемых пищеварительными ферментами пепсином и трипсином. Степень атакуемости белков (мкг/см ) в исследуемом образце оценивают по нарастанию продуктов гидролиза в результате ферментативного переваривания: К = А - В - С где А - концентрация продуктов гидролиза в переваре, мкг/см ; В - концентрация продуктов гидролиза во взвеси пищевого продукта, . мкг/см3; С - концентрация продуктов гидролиза в растворе фермента, мкг/см3. Значение перевариваемости можно так же получить взвешиванием остатков переваривания. Для количественного определения аминокислотного состава кисломолочного продукта использовали систему капиллярного электрофореза «Капель-105» [78]. Биологическую ценность продуктов определяли путём расчёта аминокислотного скора, по формуле
Исследование процесса хранения пробиотических микроорганизмов в микрокапсулированом виде
Для исследования выбран режим холодильного хранения при температуре (4±2) С. В свежих образцах капсул определены следующие показатели: общее количество жизнеспособных клеток микроорганизмов, в том числе бифидобак-терий и ацидофильной палочки, органолептические показатели, активность воды (табл. 3.4.1). Размеры свежих капсул, состоящих из комплекса микрокапсул составляют от 0,5 до 1,0 мм или от 500 до 1000 мкм. В процессе хранения контролировались химические, органолептические и микробиологические показатели опытных образцов капсул. В табл. 3.4.2 и 3.4.3 приведены результаты процесса,хранения свежих капсул. Результаты, приведенные в табл. 3.4.1-3.4.3, позволяют считать, что в герметически упакованных капсулах, в процессе хранения при температурном режиме (4±2) С происходит постепенное снижение количества жизнеспособных клеток пробиотических микроорганизмов и на 15 сутки общее количество мик о роорганизмов достигает 3,2-10 КОЕ/г, после чего продукт снимают с хранения. На основании полученных данных, можно сделать следующий вывод: срок годности микроорганизмов в микрокапсулированом виде при температуре хранения (4±2) С составляет 15 сут. Большая часть исследовательских работ связана с поиском наилучшего способа обработки заквасок с целью сохранения активности микроорганизмов, входящих в их состав. Одним из таких способов является замораживание. Известны различные режимы заморозки и, соответственно, хранения замороженных культур. Нами исследован процесс замораживания опытных образцов капсул в морозильной камере Liebherr GN 2356 с температурой замораживания минус 18-20 С. При этом учитывались рекомендации, представленные в научных трудах профессора О.Н. Буянова ( КемТИПП) и метод предложенный профессорами Э И. Гуйго и А.З. Волынец, согласно которому исследуемые продукты замораживают в холодильной камере при температуре минус 18-20 С в виде пластины со строгим соблюдением одинаковой толщины слоя (по 0,001 м каждый слой) [19, 45, 173].
Капсулы просеивали через лабораторные сита № 37, № 45, № 56 с различным диаметром отверстий. Затем капсулы распределяли по размерам в три слоя, с различной толщиной слоев: 1 - 0,9-1,0 мм; 2 - 0,7-0,8 мм; 3 - 0,5-0,6 мм, которые замораживали при температуре минус 18 С и фиксировали время замораживания (ч) После чего проводили расчёт эффективной скорости замораживания, при этом основным критерием был выбран показатель -количество жизнеспособных клеток пробиотических микроорганизмов после замораживания. Скорость замораживания является важной характеристикой процесса замораживания. Средняя скорость замораживания - отношение толщины замороженного слоя ко времени его образования [15, 66]; определяется по следующей формуле: Где и - средняя скорость замораживания, см/ч; 8 - толщина замороженного слоя, см; х - время, ч. При этом существует определение, что замораживание продукта со скоростью до 0,5 см/ч - медленное, 0,5-3,0 см/ч - ускоренное, 3-10 см/ч - быстрое, 10-100 см/ч - сверхбыстрое. Так как размеры всех исследуемых слоев были менее 1 см, при замерах была проведена совместная обработка опытных данных, где толщина слоя S = 0,1 см. После статистической обработки экспериментальных данных, рассчитана скорость замораживания опытных продуктов: то есть, наиболее эффективная для замораживания микроорганизмов в микрокапсулированом виде является 0,5 см\ч, что соответствует характеристике - медленное замораживание.
При таком режиме степень выживания общего количества жизнеспособных клеток пробиотических микроорганизмов составляет (90,0±5,0) % от их первоначального количества, установленного до замораживания. После хранения капсул при температуре минус (18±2) С, в течение различного периода времени капсулы размораживали при комнатной температуре до положительных температур и проводили их органолептическую оценку (внешний вид, консистенция), фические исследования и микробиологические: определяли остаточное количество жизнеспособных клеток пробиотических микроорганизмов. Результаты исследований приведены в табл. 3.5.1 и 3.5.2. Для оценки жизнеспособности пробиотических микроорганизмов в микрокапсулированом виде использованы коэффициенты [93]
