Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство функциональных кисломолочных продуктов в России и за рубежом динамично развивается, что связано с созданием в конце ХХ века индустрии широко рекламируемого здорового питания. Общепринято, что в функциональных молочных продуктах обязательно присутствие живых культур пробиотиков. Научно-технические основы получения пробиотических молочнокислых заквасок и бактериальных концентратов, и их использованию при производстве функциональных молочных продуктов были заложены отечественными исследователями Нобелевским лауреатом И. И. Мечниковым, С. А. Королевым, Н. С. Королевой, Л. А. Банниковой, В. М. Богдановым, В. Ф. Семенихиной, Б. А. Шендеровым, В. И. Ганиной, а также зарубежными учеными, лауреатами премии им. И.И. Мечникова, учрежденной Международной молочной федерацией (IDF), L. McKay (США), Т. Mitsuoka (Япония), G.Reid, A. Bruce (Канада) и др.
В последние годы в мире интенсивно развиваются методы воздействия на микрофлору кишечника человека путем перорального введения стимуляторов роста пробиотиков, существенно влияющих на обмен веществ в организме. К числу наиболее известных стимуляторов (бифидус-фактор №1) относится лактулоза, которая образуется при изомеризации лактозы молочного сырья. Лактулоза может использоваться как самостоятельно, так и в комплексе с пробиотиками для пролонгирования их действия. Основы получения и применения лактулозы заложили российские и зарубежные исследователи: А. Г. Храмцов, С. А. Рябцева, А. В. Серов, Г. Б. Гаврилов, Г. Конн, М. Либертал, M. Tomita, Y. Tamura, T. Mizota, S. Shimamura, H. Klostermeier и др.
Следует отметить, что большое внимание при производстве функциональных молочных продуктов уделяется закваскам прямого внесения, при этом в нашей стране зачастую используются дорогостоящие импортные бакконцентраты. Несмотря на значительное количество исследований, посвященных получению бакконцентратов с криозамораживанием микробной массы, в нашей стране практически отсутствуют промышленные биотехнологии, имеющие значительный экономический потенциал.
Таким образом, создание синбиотических молочных продуктов, обладающих профилактическим действием и включающих пробиотические культуры микроорганизмов и пребиотический фактор лактулозу, является актуальной проблемой современности.
Диссертационная работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (2007-2012 г.г.) по теме «Разработка технологий универсального быстропереориентируемого производства заквасок прямого внесения для биотехнологической промышленности».
Цель и задачи исследований. Цель работы – теоретическое обоснование и научно-практическая реализация принципов совершенствования технологий пробиотических бакконцентратов с криозамораживанием микробной массы и технологий получения пребиотика лактулозы для создания синбиотических молочных продуктов.
В соответствии с целью были сформулированы задачи исследований:
- сформулировать научную концепцию получения синбиотиков и синбиотических молочных продуктов;
- теоретические аспекты создания технологии пробиотических бакконцентратов с криозамораживанием микробной массы;
- исследовать влияние концентратов лактулозы в качестве питательной среды и криопротекторов при получении бакконцентратов с криозамораживанием микробной массы;
- разработать опытно-промышленную линию и технологию получения бакконцентратов с криозамораживанием микробной массы;
- изучить состав, реологические свойства, биотехнологические и микробиологические показатели бакконцентратов;
- теоретически обосновать принципы совершенствования технологии концентратов пребиотика лактулозы;
- изучить метаболитическую активность лактозоусваивающих дрожжей и разработать биотехнологию получения концентратов лактулозы с пониженным содержанием лактозы;
- исследовать закономерности глубокой очистки сиропов лактулозы методами электродиализа и ионного обмена;
- определить оптимальные параметры кристаллизации лактозы в сиропах лакто-лактулозы;
- изучить влияние компонентов и определить технологические параметры получения сухой лактулозы;
- разработать альтернативные технологии концентратов лактулозы;
- провести сравнительный анализ физико-химического состава и свойств различных концентратов лактулозы, изучить кристаллографические характеристики сухой лактулозы;
- исследовать влияние концентратов и сухой лактулозы на динамику развития молочнокислых микроорганизмов;
- разработать частные технологии синбиотических молочных продуктов;
- провести оценку экономической эффективности и маркетинговые исследования по применению заквасок прямого внесения, пребиотика лактулозы и синбиотических молочных продуктов.
Научная новизна. Сформулирована концепция получения синбиотиков и синбиотических молочных продуктов, включающая пробиотики и пребиотики. Теоретически обоснована и практически реализована технология пробиотических бакконцентратов с криозамораживанием микробной массы и заквасок прямого внесения. Изучены реологические характеристики микробной биомассы пробиотиков. Установлено, что биомасса относится к неньютоновской жидкости, поведение которой описывается уравнением Гершеля-Балкли. Определены температурные и временные параметры, обеспечивающие устойчивый процесс каплегенерирования и криозамораживания биомассы с размерами частиц (2-8)х10-3м. Определены условия, при которых исключается агрегирование частиц микробной биомассы при ее подаче в слой жидкого азота. Впервые исследовано влияние пребиотика лактулозы на эффективность процесса криозамораживания молочнокислых микроорганизмов. Изучены состав и свойства гранулированных бакконцентратов и установлена высокая выживаемость микроорганизмов.
Обоснованы принципы совершенствования технологии концентратов лактулозы. Теоретически обоснована и практически доказана комплексная очистка сиропов лактулозы методами электродиализа и ионного обмена. Определены оптимальные параметры процесса кристаллизации лактозы и получены зависимости, описывающие динамику роста кристаллов лактозы в высококонцентрированных сиропах лакто-лактулозы. Осуществлен подбор, адаптация и исследована метаболическая активность лактозоусваивающих дрожжей в сиропах лакто-лактулозы с повышенным осмотическим давлением. Определены биотехнологические параметры получения концентратов лактулозы с пониженным содержанием лактозы. Изучено влияние наполнителей белкового происхождения на гигроскопичность порошков лактулозы. Впервые установлены параметры получения сухой лактулозы путем распылительной и лиофильной сушки.
Проведена сравнительная оценка полученных криозамороженных заквасок прямого внесения и концентратов лактулозы по качественным характеристикам и технико-экономическим показателям.
Исследовано влияние концентратов и сухой лактулозы на морфологические, культуральные и биохимические свойства пробиотических микроорганизмов. Выяснено, что концентраты лактулозы положительно влияют на кислотообразующую способность пробиотических микроорганизмов и некоторые виды способны метаболизировать лактулозу. Установлены закономерности взаимодействия и доказаны синергетические эффекты при использовании пробиотиков и комплексных пребиотиков в синбиотических молочных продуктах.
Практическая значимость работы. Разработана технология бакконцентратов с использованием предварительного криозамораживания микробной биомассы и изготовлена опытно-промышленная линия производства и нормативная документация на «Закваски прямого внесения штаммов Lactobacillus acidophilus NK1, Bifidobacterium bifidum 791, Bifidobacterium longum B 379M и консорциума микроорганизмов (Lactobacillus acidophilus NK1, Bifidobacterium bifidum 791, Bifidobacterium longum B 379M)» (ТУ 9229-00419785-2010). Результаты исследований использованы при разработке технологий пребиотика лактулозы: «Концентрат лактулозы» (ТУ 9229-008-00087656-2004); «Концентрат лактулозы» с пониженным содержанием лактозы (ТУ 9229-008-46162908-2004, изм. №1, от 26.12.06 г.); «Концентраты лактулозы из лактозосодержащего сырья (СТО 02067965-003-2009); «Концентрат лактулозы» (ТУ BY 100377914.512-2008) для Республики Беларусь; «Лактулоза сухая» (ТУ 9229-209-00419785-01); сухой углеводный модуль на основе лактулозы «Лаэль» (ТУ 9229-257-00719785-01); лактулоза сухая «Лактусан» (ТУ 9229-005-53757476-09). Пробиотические бакконцентраты и концентраты лактулозы использованы в технологиях синбиотических молочных продуктов: «Напитки молочные с лактулозой» (ТУ 9222-004-00087656-2004); «Напитки кисломолочные (напитки кисломолочные: кефирный, ацидофильный, йогуртный («Снежок»), кефир, ацидофилин, варенец, простокваша, простокваша мечниковская)» (ТУ 9222-388-00419785-05); «Продукты йогуртные (продукт йогуртный, продукт йогуртный «Каротино») (ТУ 9220-440-00419785-07); «Йогурт обогащенный» (ТУ 9222-442-00419785-08); «Кефир обогащенный» (ТУ 9222-385-00419785-04); «Молоко питьевое пастеризованное обогащенное» (ТУ 9222-383-00419785-04); «Кормовая добавка пробиотического действия» (ТУ 9229-001-90923470-2011). Промышленная апробация разработанных технологий пробиотических бакконцентратов, концентратов лактулозы и синбиотических молочных продуктов осуществлена на ПЭЗ ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, на ООО «Фелицата Холдинг» (Москва), на ООО «Легион» (Ставрополь), на Минском гормолзаводе №2 (Беларусь), на ОАО МК «Ставропольский», на ОАО МК «Кропоткинский» (Кропоткин), на ОАО «Кировский молочный комбинат», на ОАО «Кезский сырзавод», на ООО «Регион-продукт» (Нальчик) и на других молочных предприятиях РФ.
Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждены на Всероссийских и Международных научных форумах: «Энергоресурсо-сберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья» (Минск, 1996); «Пищевые продукты ХХ1 века» (Москва, 2001); «Роль биотехнологии в экологизации природной среды, питания и здоровья человека» (Ставрополь, 2001); «Пробиотические микроорганизмы – современное состояние вопроса и перспективы использования» (Москва, 2002); «Современные достижения биотехнологии» (Ставрополь, 2002, 2011); "Безотходная технология использования сырья при выработке сыра, масла и цельномолочных продуктов" (Адлер, 2002); «Пробиотики, пребиотики, синбиотики и функциональные продукты питания. Современное состояние и перспективы» (Москва, 2004); «Молочная промышленность Сибири» (Барнаул, 2004); «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (Углич, 2004); «Молочная индустрия» (Москва, 2004,2011); «Теория и практика новых технологий в производстве продуктов питания» (Омск, 2005); «Современные направления переработки сыворотки» (Ставрополь, 2006); 27 th JDF World Dairy Congress (Shanghai, China, 2006); «Современные пищевые технологии» (Кемерово, 2006); «Лактоза и её производные» (Москва, 2007); «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010); «Инновационные технологии здорового питания, их качество и безопасность» (Казахстан, Алматы, 2010); «Принципы пищевой комбинаторики – основа моделирования поликомпонентных пищевых продуктов» (Углич, 2010); «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2011); «Инновационные технологии – основа модернизации отраслей производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (Волгоград, 2011) и др.
Автор принимал участие в составе экспедиции для выполнения научно-практической программы Россельхозакадемии «Исследование физико-химических и органолептических показателей качества пищевых продуктов при длительном хранении при нерегулируемых отрицательных температурах в условиях вечной мерзлоты» (полуостров Таймыр, 2004 г.).
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс СевКавГТУ по направлениям подготовки «Технология продуктов животного происхождения» и «Биотехнология».
За разработку ряда технологий и продуктов автор награжден дипломами и медалями Международных и Всероссийских форумов: «Пищевой белок и экология» (Москва, 2001); «Молочные продукты-2006», «Молочные продукты ХХ1 века» (Адлер, 2006, 2010); «Лактоза и её производные» (Москва, 2007).
Положения, выносимые на защиту:
- концепция получения синбиотиков и синбиотических молочных продуктов;
- научно-практические аспекты и биотехнологии получения бакконцентратов с криозамораживанием микробной массы и заквасок прямого внесения;
- теоретические предпосылки, принципы совершенствования и альтернативные технологии пребиотика лактулозы;
- результаты исследований физико-химических, микробиологических, биотехнологических показателей пробиотических бакконцентратов, пребиотических сиропов и сухой лактулозы;
- промышленная апробация технологий синбиотических продуктов.
Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 80 печатных работ, в т.ч. 19 в журналах, рекомендованных для опубликования ВАК РФ, 1 монография и 3 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора литературных источников, структуры и методологии выполнения работы, результатов теоретических и экспериментальных исследований, реализации промышленных технологий пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 376 литературных источников. Основное содержание работы изложено на 254 страницах машинописного текста, содержит 72 таблицы, 68 рисунков, приложения.
Похожие диссертации на Научно-практические аспекты совершенствования технологий пробиотических бактериальных концентратов и пребиотика лактулозы для создания синбиотических молочных продуктов
