Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1 Значение кисломолочных продуктов в жизни человека 9
1.1.1 Классификация кисломолочных напитков 13
1.1.2 Характеристика и свойства заквасочной микрофлоры кисломолочных напитков 15
1.2 Роль кишечной микрофлоры в сохранении здоровья человека 18
1.3 Основные принципы биотехнологии кисломолочных продуктов нового поколения 26
1.4 Классификация и свойства пребиотиков 30
1.4.1 Общие сведения о лактулозе 33
1.4.2 Применение лактулозосодержащих добавок в продуктах функционального назначения 35
1.5 Современные тенденции в производстве синбиотиков 41
1.6 Обоснование выбранного направления, цели и задачи исследований 44
Глава 2. Организация работы и методы исследований 47
2.1 Организация работы 47
2.2 Методы исследований 49
2.3 Обработка результатов исследований 52
Глава 3. Теоретические и практические аспекты использования лактулозы в технологии кисломолочных продуктов 55
3.1 Теоретические предпосылки использования лактулозы в продуктах функционального питания 55
3.2 Исследование влияния тепловой обработки на свойства растворов лактулозы 57
3.3 Изучение ферментативной активности микроорганизмов закваски разных типов по отношению к лактулозе 62
Глава 4. Изучение влияния бифидогенного концентрата «Лактобел» на свойства кисломолочных продуктов 65
4.1 Научно-технические основы использования бифидогенного
концентрата «Лактобел» в технологии кисломолочных продуктов 65
4.2 Изучение влияния концентрации «Лактобела» на органолептические свойства кисломолочных продуктов 69
4.3 Изучение влияния «Лактобела» на эффективность кислотообразования микрофлоры закваски 71
4.4 Изучение влияния «Лактобела» на микробиологические показатели кисломолочных продуктов 77
Глава 5. Разработка технологии кисломолочного напитка с сухим молочным продуктом «Лактобел» 82
5.1 Технологическая схема производства кисломолочного напитка с сухим молочным продуктом «Лактобел» 82
5.2 Состав, свойства и биологическая ценность кисломолочного напитка с «Лактобелом» 89
5.3 Условия производства, хранения, реализации и методы контроля разработанного кисломолочного напитка 92
5.4 Оценка безопасности разработанной технологии. Адаптация системы ХАССП (НАССР) для контроля технологических процессов... 96
Глава 6. Технико-экономическая и социальная оценка технологии кисломолочного напитка с «Лактобелом» 102
6.1 Экономическая оценка производства кисломолочного напитка с «Лактобелом» 102
6.1.1. Маркетинг 102
6.1.2 Расчет себестоимости кисломолочного напитка с
«Лактобелом», как составная часть бизнес-плана 104
6.2 Экологический мониторинг и социальная значимость технологии кисломолочного напитка с «Лактобелом» 109
Выводы 111
Литература
- Характеристика и свойства заквасочной микрофлоры кисломолочных напитков
- Исследование влияния тепловой обработки на свойства растворов лактулозы
- Изучение влияния концентрации «Лактобела» на органолептические свойства кисломолочных продуктов
- Условия производства, хранения, реализации и методы контроля разработанного кисломолочного напитка
Введение к работе
В связи со вступлением нашей страны во Всемирную торговую организацию обеспечение конкурентоспособности отечественных товаров возможно только в условиях мирового рынка. Следовательно, необходимо соответствовать мировым тенденциям социальной направленности, экологической и экономической значимости и безопасности разрабатываемых технологий. В рамках реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации» разработано большое количество продуктов функционального назначения, которые при систематическом употреблении должны оказывать регулирующее действие на макроорганизм или его органы и системы, обеспечивая безмедикаментозную положительную коррекцию их функции, а следовательно, и оздоровление населения.
На основании результатов многочисленных клинических и лабораторных исследований достоверно установлена положительная роль пробиотических микроорганизмов и пребиотических веществ в жизнедеятельности человека, что послужило основанием разработки научных принципов создания синбиотиков.
Для повышения биологической ценности и лечебно-профилактического действия продуктов все шире применяют молочнокислые пробиотические микроорганизмы. Современные достижения биотехнологии позволили выявить новый пищевой материал - лактулозу, которая является ярким представителем пребиотиков и благодаря своим уникальным свойствам способствует улучшению не только микроэкологии кишечника, но и состояния здоровья населения в целом [72, 76, 115]. Среди препаратов лактулозы, особый интерес представляют пищевые бифидогенные добавки, не получившие пока широкого применения, содержащие кроме лактулозы, биологически полноценные белки и минеральные вещества. Одной из таких добавок является бифидогенный концентрат «Лактобел», полученный путем
7 переработки вторичных сырьевых ресурсов молочной промышленности на принципах безотходной технологии.
Существенный вклад в развитие технологии кисломолочных напитков в нашей стране внесли отечественные ученые: С.А. Королев, И.С. Хамагаева, Н.С. Королева, В.И. Ганина, С.А. Шевелева, З.С. Зобкова, Л.А. Забодалова и др. Проблеме разработки и использования лактулозы посвящены работы О.Н. Яковлевой, В.Я. Матвиевского, ЭФ. Кравченко, С.А. Рябцевой, И.А. Евдокимова, Г.Б. Гаврилова, Е. Montgomery, С. Hudson, G. Andrews, О. Braun, К. Hicks и др.
Оздоровительные и лечебные свойства лактулозы хорошо изучены. Как пищевая добавка биологически активного действия лактулоза используется для детского, диетического, профилактического, лечебного, геронтологического и функционального питания.
Благодаря бифидогенной активности лактулозы, в настоящее время ее применяют не только при производстве детского питания, но и многих других продуктов - молочных, кондитерских и хлебобулочных изделий, безалкогольных и прохладительных напитков в качестве функционального ингредиента для регуляции кишечной деятельности.
В России довольно широко используется лактулоза в виде сиропов, которые вводят в состав кефира, ряженки, ацидофилина, молока питьевого пастеризованного и стерилизованного, сметаны. Однако, отсутствует научное обоснование совместного использования лактулозы с различными микроорганизмами заквасок, способными к ее деградации.
В основе получения кисломолочных продуктов лежат сложные биохимические процессы, связанные с ферментативной активностью микроорганизмов по отношению к углеводам. В связи с этим, использование лактулозы в кисломолочных продуктах не означает автоматического придания им бифидогенных свойств, а лишь определяет эту возможность. Недостаточно изучено влияние технологических параметров производства кисломолочных продуктов на содержание лактулозы в готовом продукте.
Таким образом, разработка технологии синбиотического продукта на основе кисломолочного напитка и лактулозы является актуальной.
Целью диссертационной работы является исследование изменения содержания лактулозы в процессе производства кисломолочных продуктов, влияния лактулозосодержащего концентрата «Лактобел» на их свойства и разработка на этой основе технологии нового синбиотического напитка.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:
Теоретическое обоснование и научно-технические предпосылки использования бифидогенного концентрата «Лактобел» в технологии кисломолочного напитка-синбиотика, как продукта функционального питания нового поколения.
Результаты исследования закономерностей изменения содержания лактулозы при тепловой обработке, сквашивании и хранении на модельных растворах и опытных образцах, применительно к технологии кисломолочных напитков.
Результаты изучения влияния бифидогенного концентрата «Лактобел» на биотехнологические, микробиологические, сенсорные свойства кисломолочных напитков.
Оптимизированные технологические параметры производства кисломолочного напитка с бифидогенными свойствами.
Оценка экономической эффективности, социальной значимости, экологический мониторинг и безопасность разработанной технологии.
Выражаю благодарность и глубокую признательность научному консультанту работы д.т.н., профессору Светлане Андреевне Рябцевой за помощь в формировании направления и проведении исследований, директору ФГУП НИИКИМ к.т.н. Владимиру Андреевичу Самойлову, д.т.н. Павлу Григорьевичу Нестеренко, к.т.н. Олегу Азаматовичу Суюнчеву за помощь в апробации и реализации результатов исследований.
Характеристика и свойства заквасочной микрофлоры кисломолочных напитков
Многочисленными исследованиями ученых показано, что направленность биотехнологического процесса и показатели готовых пробиотических и синбиотических продуктов главным образом обусловлены свойствами микроорганизмов, используемых для их получения [4, 16, 18, 32, 72, 73,142, 143].
При выработке кисломолочных продуктов применяют мезофильные и термофильные молочнокислые стрептококки с оптимальной температурой развития 30-35С и 40-45С соответственно. Данные микроорганизмы могут повысить кислотность в напитке до 80-120Т.
Более сильными кислотообразователями являются молочнокислые палочки (болгарская, ацидофильная и др.) с оптимальной температурой развития 40-45С и предельной кислотностью сквашивания молока до 200-300 Т.
В процессе жизнедеятельности молочнокислых бактерий, вносимых закваской, в кисломолочных продуктах накапливается комплекс биологически активных веществ: ферменты, аминокислоты, молочная и уксусная кислоты, витамины, антибиотические вещества [48, 49].
Вещества, синтезируемые микроорганизмами, выполняют разную роль: одни необходимы для развития самих клеток, другие выполняют функции в управлении технологическим процессом, третьи важны для формирования органолептических показателей получаемых продуктов, четвертые обуславливают лечебно-профилактические свойства конечных продуктов, а некоторые выполняют одновременно несколько функций [72].
Выделяют закваски одноштаммовые и многоштаммовые, включающие несколько штаммов микроорганизмов.
Штаммы, применяемые в биотехнологии продуктов должны обладать определенным комплексом свойств: антагонистической активностью; устойчивостью к антибиотикам; Р-галактозидазной активностью; способностью к продуцированию Ц+)-молочной кислоты и др.
Наиболее физиологичными микроорганизмами, входящими в состав заквасок для приготовления кисломолочных продуктов, являются бифидобактерий и/или лактобацилы, штаммы термофильного стрептококка, кефирные грибки [32].
Указанные микроорганизмы оказывают полезное воздействие на организм человека, что обуславливает их широкое применение в качестве заквасок для приготовления кисломолочных продуктов.
Согласно современным требованиям, предъявляемым к закваскам, необходимо использовать штаммы микроорганизмов, обладающие полезными свойствами для организма человека и при этом обязательно должны присутствовать молочнокислые бактерии [72].
Положительное действие пробиотиков на состояние здоровья людей обуславливает постоянное расширение спектра их применения.
В таблице 1.4 приведены штаммы микроорганизмов, используемых для производства кисломолочных продуктов и их пробиотическое действие [20].
Систематическое употребление продуктов с пробиотическими свойствами, которые оказывают регулирующее действие на организм, обеспечивает оздоровительный эффект без применения лекарственных средств. Достоинством пробиотиков является их безвредность для организма, практическое отсутствие побочных явлений и привыкания к ним при длительном применении [72, 134, 143, 144].
Организм человека обладает огромными резервами здоровья, однако, чаще всего они задействованы не в полной мере, поэтому существует возможность их мобилизации. Одним из факторов, способствующих восстановлению и поддержанию иммунобиологического гомеостаза, является собственная интестинальная микрофлора человека и биологически активные соединения, которые она синтезирует. В связи с этим, рассмотрим роль кишечной микрофлоры в сохранении здоровья человека более подробно.
Исследование влияния тепловой обработки на свойства растворов лактулозы
Работа по разработке технологии кисломолочного продукта с бифидогенными свойствами планировалась по двум направлениям. Предпосылкой для первого служило предположение о возможности внесения бифидогенной добавки в сырье в начале технологического процесса (до пастеризации).
При производстве кисломолочных продуктов пастеризация является важным технологическим этапом, т.к. преследует несколько целей: - инактивация микрофлоры; - разрушение ферментов; - оказание теплового воздействия на белковую систему молока с целью улучшения консистенции готового продукта; - создание благоприятных условий для развития микрофлоры закваски.
В связи с этим, режимы пастеризации в технологии кисломолочных продуктов более жесткие, чем в технологии питьевого молока и других молочных продуктов.
Исходя из этого, возникла необходимость исследовать влияние тепловой обработки на стабильность лактулозы, обуславливающей бифидогенные свойства вносимой добавки.
Исследования проводили на модельных 1%-ных растворах лактулозы. Изучали совместное влияние температуры (t, С) и продолжительности выдержки при этой температуре (т, мин) на изменение активной кислотности (рН) и оптической плотности (D) - показателей, которые характеризуют
процессы распада лактулозы. Для изучения влияния межфакторного взаимодействия на стабильность лактулозы был спланирован и проведен двухфакторный эксперимент. Область исследования выбрана с учетом общепринятых режимов тепловой обработки при производстве кисломолочных продуктов.
В качестве главных варьируемых параметров были выбраны: t -температура пастеризации (55-85С); т - продолжительность выдержки при данной температуре (5-25 мин). Выходные параметры: Yi - активная кислотность раствора лактулозы (рН); Y2 - оптическая плотность раствора лактулозы (D).
Реализация плана двухфакторного эксперимента и статистическая обработка полученных данных позволили получить следующие уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс: Yi = 5,173-0,017 Х1+0,045 Х1 Х2 (3.1) Y2 = 0,08+0,022 Х1+0,006 Х2-0,005 Х1 Х1 (3.2)
Адекватность уравнений проверяли по критерию Фишера, расчетное значение которого не должно превышать табличного [19], в зависимости от числа проведенных опытов и количества исследуемых факторов. Значимость коэффициентов уравнений оценивали в соответствии с критерием Стьюдента при уровне значимости р = 0,05.
Из рисунка 3.1 видно, что в исследуемой области режимов температурной обработки изменения активной кислотности находятся в относительно узком диапазоне ЛрН=±0,2. Незначительное уменьшение рН при температуре 55С и длительности нагревания 30 мин, а также при температуре 92С и длительности нагревания 1 мин, вероятно, обусловлено образованием продуктов первоначального распада лактулозы с кислотными свойствами. При ужесточении режимов тепловой обработки эти продукты, возможно, подвергаются более глубокому распаду с образованием веществ с щелочными свойствами.
Анализ поверхности отклика на рисунке 3.2 показывает, что зависимость оптической плотности описывается плавно поднимающейся с увеличением температуры и времени нагревания, слабо искривленной поверхностью без выраженных экстремумов. Такое изменение оптической плотности обусловлено образованием и накоплением окрашенных продуктов распада лактулозы.
Таким образом, можно сказать, что при температурных режимах, применяемых в технологии кисломолочных напитков, процессы распада лактулозы происходят в незначительной мере. Это дает возможность вносить лактулозу до процесса пастеризации.
В большинстве исследований [50, 76, 131, 288], связанных с взаимодействием лактулозы с различными микроорганизмами, она рассматривается как фактор, стимулирующий или подавляющий их жизнедеятельность. В данной работе практический интерес представляет изучение этого взаимодействия с иной точки зрения, т.е. выявление наиболее нейтральной по отношению к лактулозе заквасочной микрофлоры, позволяющей доставить лактулозу до непосредственного потребителя -интестинальной микрофлоры - без потерь.
Теоретически лактулоза может использоваться в качестве энергетического источника не только бифидобактериями, но и другими микроорганизмами. Установлено, что лактулоза поддерживает рост широкого спектра молочнокислых бактерий: Lac. lactis, Sir. thermophilus, Lb. brevis, Lb.fermentum, Lb. acidophilus и Lb. casei [131].
Целью второго этапа исследований являлось изучение ферментативной активности микроорганизмов закваски разных типов по отношению к лактулозе и определение наиболее инертной микрофлоры в отношении лактулозы при производстве и хранении продуктов.
В связи с этим, была исследована способность наиболее распространенных в молочной промышленности заквасочных культур использовать лактулозу в качестве источника питания при производстве и хранении кисломолочных продуктов.
Для решения поставленной цели проводили выработки опытных образцов кисломолочных напитков с лактулозой. В качестве заквасок использовали: ацидофильную, мезофильную, кефирную закваски, а также закваски термофильного стрептококка и болгарской палочки. В качестве источника лактулозы использовали сироп, содержащий в 100 мл 67 г лактулозы, 11,3 г галактозы и 6,7 г лактозы.
Изучение влияния концентрации «Лактобела» на органолептические свойства кисломолочных продуктов
В результате проведенной дегустации максимальную оценку получили образцы кисломолочных продуктов, содержащие 2% «Лактобела». В образцах с 1% «Лактобела» отмечалось незначительное проявление сладковатого привкуса, тогда как в образцах с 4% «Лактобела» появлялся неприятный солоновато-щелочной привкус, излишне слизистая консистенция и посторонний запах. Во всех образцах, кроме 1%-ных, наблюдался кремовый оттенок.
Анализ рисунка 4.1 позволяет сделать выводы о том, что наилучшими органолептическими свойствами обладает продукт на основе термофильного стрептококка с концентрацией «Лактобела» 2%.
В связи с тем, что кремовый оттенок характерен не для всех кисломолочных напитков, целесообразнее будет использовать «Лактобел» в качестве бифидогенной добавки при производстве ряженки или ее аналога.
Качество кисломолочных продуктов в значительной мере зависит от качества применяемой закваски, обуславливающей физико-химические, органолептические, диетические и лечебные свойства вырабатываемых продуктов. Одним из основных показателей, характеризующих качество закваски является ее активность, напрямую связанная с кислотностью, которая не должна превышать 80Т для стрептококковых и 100Т для палочковидных. При повышенной кислотности активность закваски снижается, что увеличивает продолжительность свертывания молока и ухудшает качество готового продукта.
По мере обогащения продуктов белком повышается способность молочнокислых бактерий сбраживать лактозу, что объясняется буферным защитным действием казеина по отношению к молочнокислым бактериям в молоке, содержащем свободные ионы водорода. Так, предельная кислотность, образуемая молочнокислыми стрептококками, в сыворотке 70-80Т, в молоке 120 Т, в твороге 200 Т.
Повышение концентрации сухих обезжиренных веществ в молоке влияет на развитие молочнокислых бактерий: при содержании сухих обезжиренных веществ в молоке 14-18% изменяется характер развития молочнокислых бактерий; при содержании сухих веществ 24 % увеличивается количество клеток, повышается содержание диацетила и ацетоина [4].
На практике степень повышения сухих веществ при производстве продуктов ограничивается появлением сладковатого привкуса. Однако, при производстве заквасок могут применяться более высокие концентрации сухих веществ в зависимости от задач повышения тех или иных параметров.
Для изучения влияния «Лактобела» на эффективность кислотообразования заквасочной микрофлоры были исследованы закваски на чистых культурах микроорганизмов наиболее часто используемых при производстве кисломолочных продуктов. Использовали следующие закваски: мезофильные молочнокислые кокки, применяющиеся при производстве сметаны, творога, простокваши (Lactococcus lactis); - термофильные молочнокислые микроорганизмы, применяющиеся при производстве ряженки, варенца, йогурта (Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricum); ацидофильная палочка, применяющаяся при производстве ацидофилина, ацидобифидина и других лечебно-профилактических продуктов (Lactobacillus acidophilus); симбиотическая кефирная закваска, включающая кроме молочнокислых микроорганизмов (в основном мезофильных кокков) дрожжи и уксуснокислые бактерии.
Условия производства, хранения, реализации и методы контроля разработанного кисломолочного напитка
Гарантией безопасности пищевой продукции в настоящее время являются разработка, внедрение и поддержание в рабочем состоянии системы управления безопасностью на основе принципов программы «Анализ рисков и критические контрольные точки» (ХАСПП) [12, 79]. Система нацелена на предупреждение возникновения условий, способствующих возникновению потенциально опасных факторов при производстве, хранении и реализации пищевой продукции.
Основу системы составляют семь основных принципов ХАССП:
1 - идентификация потенциального риска или рисков (опасных факторов), которые сопряжены с производством продуктов питания, начиная с получения сырья (разведения или выращивания) до конечного потребления, включая все стадии жизненного цикла продукции (обработку, переработку, хранение и реализацию) с целью выявления условий возникновения потенциального риска (рисков) и установления необходимых мер для их контроля;
2 - выявление критических контрольных точек в производстве для устранения (минимизации) риска или возможности его появления, при этом рассматриваемые операции производства пищевых продуктов могут охватывать поставку сырья, подбор ингредиентов, переработку, хранение, транспортирование, складирование и реализацию;
3 - в документах системы ХАССП или технологических инструкциях следует установить и соблюдать предельные значения параметров подтверждения того, что критическая контрольная точка находится под контролем;
4 - разработка системы мониторинга, позволяющая обеспечить контроль критических контрольных точек на основе планируемых мер;
5 - разработка корректирующих действий и применение их в случае от рицательных результатов мониторинга; - разработка процедур проверки, которые должны регулярно проводиться для обеспечения эффективности функционирования системы ХАССП;
7 - документирование всех процедур, систем, форм и способов регистрации данных, относящихся к системе ХАССП. Главным документом системы является план ХАССП, представляющий собой план работ на конкретном производстве.
Для получения положительных результатов при внедрении плана ХАССП необходимо эффективное функционирование обязательных программ, которые должны быть документированы (Санитарный регламент и Программы предупредительных мероприятий) и регулярно подвергаться инспекции как со стороны соответствующих полномочных органов, так и самим предприятием.
При эффективном функционировании предварительных обязательных программ многие потенциально опасные факторы управляются в рамках этой деятельности и гарантированно контролируются надлежащей производственной практикой.
Исходными данными для проведения анализа угроз и разработки плана ХАССП при производстве кисломолочного напитка с «Лактобелом» являются описание продукта, перечень используемого сырья и ингредиентов (в соответствии с документацией СТО 0753280-001-2007) и блок-схема процесса производства (рис. 5.1), в соответствии с которой он вырабатывается.
План ХАССП (рис. 5.3) разрабатывался с учетом эффективного функционирования программы предварительных мероприятий (ППМ), включающей процедуры, обеспечивающие соблюдение требований СанПиН 2.3.4.551-96 «Производство молока и молочных продуктов», и соответствующие программы производственного контроля.
При проведении анализа угроз необходимо рассматривать все возможные типы потенциально опасных факторов: микробиологические, химические и физические.
Анализ опасных факторов по отдельным, наиболее значимым видам сырья и этапам технологического процесса приведен в приложении 2.
На рисунке 5.3 приведена блок-схема НАССР производства кисломолочного напитка с «Лактобелом», где: а - биологические факторы - патогенные бактерии и их токсины, вирусы, микроскопические грибы и микотоксины;
б - химические факторы риска - это химические загрязнения (тяжелые металлы), токсичные вещества (пестициды, кислоты, минеральные масла, моющие средства), остатки ветеринарных лекарств; в - физические факторы - частицы стекла, металла, пластмассы, насекомые, личные вещи обслуживающего персонала.
Определение критических контрольных точек (табл. 5.8) проводили с использованием метода «дерева принятия решений».
Этапы очистки сырого молока, охлаждения пастеризованного молока, хранения готовой продукции целесообразно отнести к «потенциальным критическим контрольным точкам» и управление в них осуществлять в рамках программ предварительных мероприятий. При производстве кисломолочных продуктов для обеспечения санитарной безопасности готового продукта недопустимо хранение пастеризованного молока, что также может быть проконтролировано в рамках ППМ.
