Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 6
1.1 Способы получения молочнобелковых концентратов 6
1.2. Использование молочнобелковых концентратов в сыроделии 11
1.3. Использование молочнобелковых концентратов в качестве основы питательной среды для получения бактериальных препаратов 22
1.4. Ускорение созревания сыров 27
1.5. Обоснование цели и задач исследований 37
Глава2. Экспериментальная часть 40
2.1. Постановка экспериментов 40
2.2. Методы исследований 42
Глава 3. Исследование состава, физико-химических и микробиологических показателей белковых концентратов, полученных ультрафильтрацией молочного сырья 49
3.1. Основной состав и свойства сухих белковых концентратов, полученных ультрафильтрацией обезжиренного молока, подсырной и творожной сыворотки 49
3.2. Физико-химические характеристики растворов молочнобелковых концентратов 54
3.3. Основные результаты третьей главы 58
Глава 4. Исследование развития молочнокислых бактерий на белковых концентратах, полученных ультрафильтрацией молочного сырья 59
4.1. Выбор режимов тепловой обработки при производстве бактериально ферментного препарата 59
4.2. Исследование развития молочнокислых бактерий на питательных средах с использованием молочнобелковых концентратов 61
4.3. Исследование развития молочнокислых бактерий на питательных средах с повышенной массовой долей сывороточных белков 72
4.4. Изучение влияния состава питательной среды на основе концентрата сывороточных белков, полученного ультрафильтрацией подсырной сыворотки, на накопление лактококков 77
4.5. Основные результаты четвертой главы 91
Глава 5. Разработка способа получения бактериально ферментного препарата 92
5.1. Технологический регламент 92
5.2. Исследование свойств бактериально-ферментного препарата 95
5.3. Основные результаты пятой главы 95
Глава 6. Разработка способов применения бактериально ферментного препарата в производстве сыров 97
6.1. Исследование качества и состава твердых сычужных сыров, выработанных с использованием бактериально-ферментного препарата, в процессе созревания 97
6.2. Изучение протеолиза в плавленых сырах, полученных с применением бактериально-ферментного препарата 104
6.3. Основные результаты шестой главы 106
Выводы 107
Список литературы 109
Приложения 126
- Способы получения молочнобелковых концентратов
- Основной состав и свойства сухих белковых концентратов, полученных ультрафильтрацией обезжиренного молока, подсырной и творожной сыворотки
- Изучение влияния состава питательной среды на основе концентрата сывороточных белков, полученного ультрафильтрацией подсырной сыворотки, на накопление лактококков
- Изучение протеолиза в плавленых сырах, полученных с применением бактериально-ферментного препарата
Способы получения молочнобелковых концентратов
Молочнобелковые концентраты получают из обезжиренного молока или сыворотки путем удаления воды, минеральных веществ и лактозы, при одновременном концентрировании белков. Для выделения белковых веществ из молочного сырья используют кислотный, сычужный, термокальциевый, термокислотный способы коагуляции. Выбор способа коагуляции определяется в соответствии с конкретными показателями молочнобелковых концентратов [21,93,104].
Для получения белковых концентратов из обезжиренного и цельного молока широко используется ультрафильтрация - процесс, основанный на использовании полупроницаемых мембран, обладающих способностью селективно пропускать или задерживать компоненты разделяемой жидкой смеси [98]. При этом, возможно получать следующие массовые доли сухих веществ в концентратах: обезжиренное молоко от 28 до 39% ; цельное молоко от 40 до 52% ; заквашенное обезжиренное молоко 22% ; заквашенное цельное молоко от 30 до 45% [165].
Переработка молочной сыворотки осуществляется по двум основным направлениям: первое - извлечение отдельных компонентов и использование их для выработки различных продуктов и второе - использование сыворотки натуральной в сгущенном или сухом виде, или после микробиологической обработки [32,102,103,104].
Подробный анализ основных методов, используемых для получения белковых продуктов из сыворотки, выполнен Matthews М.Е. [147]. Выделение сывороточных белков осуществляется следующими способами: тепловой коагуляцией при температуре 90С и выше в течение не менее 10 минут; разделениєм по размеру молекул путем ультрафильтрации, обратного осмоса и гель-фильтрации; осаждением полифосфатами при низких значениях рН (полиме-тафосфатом калия и гексаметафосфатом натрия); ионообменной хроматографией с использованием регенерированной целлюлозы и кремния. С целью получения продуктов с необходимыми функциональными свойствами проводят гидролиз сывороточных белков протеолитическими ферментами [122].
За рубежом в результате быстрого развития технологии (внедрение новых мембранных материалов, повышение производительности установок) ультрафильтрация превратилась в основной метод, используемый для концентрирования белков сыворотки. Внедрение мембранных процессов в отечественной молочной промышленности началось значительно позже. Однако за последние годы создано и освоено новое оборудование для переработки молочного сырья с применением процесса ультрафильтрации. Разработана и внедрена технология производства сухих и жидких концентратов из обезжиренного молока и сыворотки, которые могут быть использованы в качестве ингредиентов при производстве различных пищевых продуктов [10,34,43,96,98,112].
Широкое применение мембранных методов в молочной промышленности обусловило детальное исследование изменения химического состава молочного сырья в процессе его обработки.
А.П. Чагаровским [98,99] изучено изменение химического состава обезжиренного молока в процессе ультрафильтрации с применением мембран УАМ-500М и УАМ-50. Установлено, что с повышением массовой доли белка увеличивается содержание золы, таких макроэлементов как кальций, фосфор, калий и натрий. По микроэлементному составу концентрат обезжиренного молока не уступает исходному сырью, а даже превосходит по массовой доле железа и цинка. Повышение содержания белка, а также некоторых нерастворимых солей приводит к увеличению титруемой кислотности обезжиренного молока, что обуславливает увеличение буферности коллоидной системы. Величина рН меняется незначительно.
В белковых концентратах обезжиренного молока установлена неизменность дисперсности частиц казеинаткальцийфосфатного комплекса. Количественные доли основных белковых фракций в концентратах, полученных ультрафильтрацией, и в обезжиренном молоке остаются постоянными [36].
Химический состав и свойства сывороточных белковых концентратов зависят от вида сыворотки, выбранной для ультрафильтрации, степени ее концентрирования, способов предварительной обработки [3,71,87,93,96,100,112]. Для регулирования содержания лактозы и минеральных веществ используют диафильтрацию, электродиализ, ионный обмен.
Как известно, питательная ценность белков зависит от их аминокислотного состава. Результаты исследований аминокислотного состава ультрафильтрационных концентратов обезжиренного молока, подсырной и творожной сывороток с различной степенью концентрирования позволили установить, что содержание незаменимых и заменимых аминокислот в молочном сырье в процессе ультрафильтрации возрастает пропорционально концентрированию белка [98].
Чойновски В., Дзюба Я., проводили исследования структурных изменений сывороточных белков, вызванных концентрированием сыворотки методом выпаривания или ультрафильтрации [46]. При концентрировании сыворотки в испарителе растворимость сывороточных белков снижалась приблизительно на 25%, уменьшалась буферная емкость, в то же время, при концентрировании сыворотки ультрафильтрацией таких изменений не обнаружено. Электрофоре-тическое разделение сывороточных белков показало, что сгущение сыворотки в испарителе вызывало необратимую денатурацию всех белковых фракций, чего не наблюдалось при ультрафильтрации сыворотки. При разделении на Се-фадексе Г-10 в концентрате сывороточных белков, полученном выпариванием, были обнаружены только две фракции, тогда как в концентрате, полученном ультрафильтрацией, их выявлено пять.
Сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института маслоделия и сыроделия (г. Углич) [31] установлено, что концентрат сывороточных белков, полученный способом ультрафильтрации, обладает более высокой биологической активностью и относительной биологической ценностью по сравнению с белковыми концентратами, выработанными с использованием тепловой коагуляции. Авторы объясняют это тем, что при ультрафильтрации максимально сохраняются нативные свойства белковых фракций, особенно таких физиологически важных, как иммунные глобулины.
С целью определения изменения органолептических, питательных и функциональных свойств проводили исследование концентратов сывороточных белков (КСБ), содержащих 3% влаги, 35% белка, 4% жира, 54% лактозы, в процессе хранения при 37С и относительной влажности воздуха 75% [144,145]. Через 42 дня хранения количество белка растворимого при рН 4,6, снизилось на 14%, не произошло заметного изменения содержания SS- и SH-групп. Значительно увеличилось содержание оксиметилфурфурола от 17 до 192 мкм/100 г КСБ. Содержание свободной и общей лактозы, лизина, извлекаемого динитробензолсульфатом и переваримого пепсином и панкреатином, снижалось соответственно на 17, 34, 57 и 72%о. После хранения образцы концентратов сывороточных белков становились темными вследствие образования продуктов реакции Maillard. Методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и гельфильтрации установлено образование агрегатов с высоким молекулярным весом (более 200000). Исследование методом электрофореза в полиакриламидном геле подтвердило образование крупных агрегатов, не способных проникать в гель. Ученые предположили наличие белково-углеводных комплексов в отрицательно заряженной фракции с высокой электрофоретиче-ской подвижностью. По их мнению, наличие углеводов в составе белково углеводных комплексных соединений обуславливает их высокую растворимость, несмотря на увеличение молекулярного веса.
Толстогузов В.Б. [95] предложил принцип концентрирования белков обезжиренного молока, основанный на двух физико-химических явлениях: ограниченной термодинамической совместимости белка и полисахаридов в водной среде и более высоком осмотическом давлении растворов полисахарида концентрацией 1-20% по сравнению с осмотическим давлением растворов белка с концентрацией 3-45%.
Основной состав и свойства сухих белковых концентратов, полученных ультрафильтрацией обезжиренного молока, подсырной и творожной сыворотки
Исследовали белковые концентраты, полученные методом ультрафильтрации обезжиренного молока, подсырной и творожной сыворотки. Жидкие концентраты обезжиренного молока и творожной сыворотки были получены во Всероссийском научно-исследовательском институте молочной промышленности (г. Москва) и высушены в Московском государственном университете прикладной биотехнологии сублимационным способом. При выполнении работы использовали также концентраты подсырной сыворотки, вырабатываемые по ТУ 49 586 (СГД-УФ) и ТУ 49 939 (КСБ-УФ).
Результаты исследований химического состава белковых концентратов, используемых для эксперимента, представлены в табл.3, органолептические показатели - в табл.4.
Оценку качества сухих белковых концентратов, полученных ультрафильтрацией молочного сырья, проводили в сравнении с сухим обезжиренным молоком (СОМ). При этом использовали средние данные по химическому составу СОМ [95]. Из представленных в табл.3 данных видно, что исследуемые концентраты отличаются по содержанию всех основных компонентов. Концентрат обезжиренного молока содержал наибольшее количество белка в 1,5 раза больше и наименьшее количество лактозы в 0,55 раза меньше, чем СОМ. Концентраты подсырной сыворотки КСБ-УФ и СГД-УФ содержали соответственно белка в 1,5 и 1,2 раза больше, а лактозы в 0,6 и 0,8 раза меньше, чем СОМ. В концентрате творожной сыворотки выявлено наименьшее количество белка и наибольшее лактозы, что связано с низким фактором концентрирования при его производстве. Все концентраты имели хорошую растворимость.
С целью изучения возможности использования молочнобелковых концентратов, полученных ультрафильтрацией, в качестве питательных сред для культивирования микроорганизмов целесообразно было исследовать их минеральный состав.
Действие отдельных микроэлементов и их комплексов на молочнокислые бактерии изучали Перфильев, Гудков и др. [66]. Авторы при культивировании Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. cremoris (biovar diacetylactis), Leuconostoc lactis mesenteroides subsp. cremoris, Lactobacillus plantarum на синтетической питательной среде исключали из комплекса микроэлементов поочередно марганец, магний, кобальт, цинк, медь, молибден и железо. Анализ полученных данных показал, что у всех изученных молочнокислых бактерий наблюдается резкое снижение роста в варианте без внесения микроэлементов по сравнению с полным комплексом микроэлементов. Так для Lactococcus lactis subsp. lactis замедление роста составило 14,1%, Lactococcus lactis subsp. cremoris - 18,9%, Lactococcus lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris (biovar diacetylactis) - 12,2-15,6%. Очень сильное торможение роста было отмечено у Leuconostoc lactis mezenteroides subsp. cremoris -44,3%, Lactobacillus plantarum - 44,8%.
Амирханян Р.А. [11] установил, что дополнение молока марганцем до 0,70 медью до 0,22, цинком до 0,65 и кобальтом до 0,025 мг/кг уменьшает время свертывания молока лактококками и палочками на 14%, увеличивает их предельную кислотность на 22-26%, накопление свободных аминокислот - 33-65%, летучих жирных кислот - 23-24%.
В табл.5 представлены данные о количестве минеральных солей в белковых концентратах, используемых для экспериментов. Приведенные результаты позволяют заключить, что все молочнобелковые концентраты имеют необходимый для роста микроорганизмов комплекс микроэлементов. Содержание марганца, кобальта, молибдена в концентратах приблизительно одинаково. Наибольшее количество кальция находится в концентрате обезжиренного молока. Белковые концентраты подсырнои сыворотки по сравнению с концентратом творожной сыворотки содержат меньше кальция и цинка. Наименьшее количество железа выявлено в концентрате подсырнои сыворотки КСБ-УФ.
Анализ полученных данных, табл.6, показал, что соотношение между отдельными аминокислотами в концентратах имеет некоторые отличия. Наибольшее количество незаменимых аминокислот содержалось в белковом концентрате подсырной сыворотки КСБ-УФ, а наименьшее - в концентрате из обезжиренного молока. Основными были лейцин и лизин, для сывороточных концентратов и треонин.
Биологическая ценность пищевых продуктов определяется содержанием в них незаменимых аминокислот, а также возможностью усвоения их организмом [96]. Расчет аминокислотного скора исследуемых молочнобелковых концентратов показал, что лимитирующими аминокислотами для всех являются метионин и цистин. Скор изолейцина, лейцина, лизина, фенилаланина, тирозина, треонина, валина составляет от 100 до 166%.
Для определения качественного и количественного состава микрофлоры проводили микробиологические исследования молочнобелковых концентратов. Результаты проведенных исследований (табл.7) показали, что микрофлора молочнобелковых концентратов представлена в основном молочнокислыми бактериями, количество которых в концентрате обезжиренного молока равно 1,23-103 КОЕ/г, КСБ-УФ - 14,0-103 КОЕ/г, СГД-УФ - 32,5-103 КОЕ/г и концен-трате творожной сыворотки - 24,8-10 КОЕ/г. Бактерии группы кишечных палочек в 1 г, Staph, aureus в 0,1 г, а патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы в 25 г используемых концентратов отсутствовали. Таким образом, по микробиологическим показателям безопасности, исследуемые молоч-нобелковые концентраты, соответствуют требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01.
Изучение влияния состава питательной среды на основе концентрата сывороточных белков, полученного ультрафильтрацией подсырной сыворотки, на накопление лактококков
В данном разделе приведены результаты исследований влияния протео-литического фермента и буферной соли, включаемых в состав питательной среды, на накопление клеток лактококков и небелковых азотсодержащих соединений в бактериально-ферментном препарате.
Известно, что некоторые пептиды и аминокислоты усиливают рост молочнокислых бактерий. С целью перевода белков в более доступные для роста молочнокислых бактерий формы (пептиды и аминокислоты) проводили гидролиз белкового концентрата протосубтилином Г10Х с активностью 70 ед/г.
Для развития микроорганизмов большое значение имеют буферные свойства среды. В составе питательных сред, с целью стимулирования ароматобра-зующих бактерий, использовали трехзамещенный лимоннокислый натрий.
Для получения полноценных по составу и свойствам, доступных бактериально-ферментных препаратов проводили полный трехфакторный эксперимент, план которого представлен в табл. 13.
Готовили растворы КСБ-УФ с массовой долей сухих веществ 10-20% как описано в главе 3. В полученные белковые концентраты добавляли СаСОз и лимоннокислый натрий. Питательные среды пастеризовали при 85±2С в течение 5 мин и охлаждали до 30±1С. В пастеризованные и охлажденные среды вносили протосубтилин Г 10Х и 5% активизированного бактериального препарата БП-6-Углич.
В качестве критериев оценки бактериально-ферментного препарата выбрали накопление клеток лактококков препарата БП-6-Углич - У і и небелковых азотсодержащих соединений - У2. Математическая обработка результатов эксперимента позволила получить уравнения регрессии второго порядка адекватно описывающие исследуемый процесс.
Полученные регрессионные зависимости верны при следующих условиях: массовая доля протосубтилина Г 10Х- от 0,01 до 0,1%, массовая доля сухих веществ в растворе КСБ-УФ - от 10 до 20%, массовая доля лимоннокислого натрия - от 0,5 до 1,5%. Степень ошибки аппроксимации значений, полученных по уравнениям, составляет -3, 098356-Ю"2 и -5,174581-КГ ", что свидетельствует об адекватности полученных уравнений экспериментальным данным (приложения 10.1, 10.2).
Анализ полученных уравнений позволил установить значимость влияния основных параметров на накопление биомассы молочнокислых бактерий и небелковых азотсодержащих соединений в бактериально-ферментном препарате. Графическое изображение полученных уравнений представлено на рис. 14-25.
Наиболее значимым фактором является количество протосубтилина, лимоннокислый натрий оказывает меньшее влияние. При увеличении варьируемых факторов повышается значение функций отклика. Повышение массовой доли сухих веществ в питательных средах оті 5% до 20% при наибольших в исследуемом интервале количествах лимоннокислого натрия и протосубтилина не приводит к существенному увеличению биомассы лактококков и содержания небелковых азотсодержащих соединений (рис.18, 19, 24, 25).
В результате определен состав питательной среды для получения бактериально-ферментного препарата: массовая доля сухих веществ КСБ-УФ 15%, лимоннокислого натрия 1,5%, протосубтилина Г 10Х 0,1%. Эти параметры обеспечивают рациональные величины накопления клеток лактококков и небелковых азотсодержащих соединений в препарате.
Изучение протеолиза в плавленых сырах, полученных с применением бактериально-ферментного препарата
В производстве плавленых сыров применяли бактериально-ферментный препарат на основе КСБ-УФ с массовой долей сухих веществ 15%, полученный в условиях регулирования рН белкового концентрата углекислым кальцием. Опытные сыры вырабатывали в производственно-экспериментальной лаборатории ОАО "Останкинский молочный комбинат".
При изготовлении сыров использовали свежий несоленый костромской сыр заводской выработки. Сыр измельчали, добавляли 4% от массы сыра 20% ного раствора солей-плавителей и плавили при температуре 85С с выдержкой 5 мин. В остывшую до 54-56С сырную массу вводили бактериально-ферментный препарат в количестве 10%. Сыры фасовали по 100 г в полимерные стаканчики и направляли на созревание при 14-16С в течение 28 суток. Контролем служил плавленый сыр с добавлением дистиллированной воды для доведения содержания влаги до уровня в опытных образцах.
В процессе созревания следили за изменением содержания азотистых веществ в сырной массе и активной кислотности. Как видно из данных приведенных в табл.18., распад белка в плавленом сыре с добавлением бактериально-ферментного препарата проходил интенсивней, чем в контроле.
После 28 суток созревания прирост растворимого азота в опытном сыре, по сравнению с исходным, составил 21,5%), а в контрольном - 9,1%). То есть при использовании бактериально-ферментного препарата получен прирост растворимого азота, превышающий таковой в контроле в 2,4 раза. Прирост небелкового азота был выше в 2,0 раза. Характер изменения активной кислотности в процессе созревания, табл.19, свидетельствует о наличии молочнокислого брожения и одновременного протекания процессов протеолиза, способствующих повышению рН.
Органолептическая оценка показала, что сыры с добавлением бактериально-ферментного препарата обладали умеренно выраженным сырным, кисловатым вкусом и запахом, пластичной, нежной, однородной по всей массе консистенцией. Контрольные сыры имели слабовыраженный вкус исходного натурального сыра и слегка плотную консистенцию.
