Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований 8
1.1 Характеристика вторичного молочного сырья как объекта исследований для производства напитков 8
1.2 Необходимость и возможность производства напитков на основе вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы 16
1.3 Существующий ассортимент низколактозных продуктов 24
1.4 Способы снижения содержания лактозы в молочном сырье 29
1.4.1 Сбраживание лактозы молочнокислыми микроорганизмами 29
1.4.2 Элюирование лактозы 30
1.4.3 Мембранные методы обработки 35
1.4.4 Обоснование способа получения низколактозных продуктов на основе ферментативного катализа 39
1.5 Обоснование выбора направления и задачи исследований 49
Глава 2. Организация проведения экспериментов, объекты и методы исследований 51
2.1 Организация работы и схема проведения исследований 51
2.2 Объекты исследований 52
2.3 Методы исследований 56
2.4 Математическое планирование и обработка результатов исследований 61
Глава 3. Исследование закономерностей ферментативного гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье 64
3.1 Определение активности ферментов, используемых для гидролиза лактозы 64
3.2 Изучение направленного гидролиза лактозы в творожной сыворотке 65
3.3 Изучение направленного гидролиза в обезжиренном молоке 69
3.4 Исследование взаимного влияния технологических факторов на эффективность ферментативного гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье 73
3.4.1 Оптимизация процесса гидролиза лактозы в творожной сыворотке 73
3.4.2 Оптимизация процесса гидролиза лактозы в обезжиренном молоке 77
3.5 Исследование влияния процесса гидролиза на физико-химические и органолептические показатели вторичного молочного сырья 80
Глава 4. Исследование технологических процессов получения ферментированных напитков из вторичного молочного сырья с гидролизованной лактозой 87
4.1 Экспериментальное обоснование подбора заквасочных культур для производства напитка из творожной сыворотки 88
4.2 Экспериментальное обоснование подбора заквасочных культур для производства напитка из обезжиренного молока 92
4.3 Экспериментальное обоснование рецептуры комбинированного низколактозного напитка из творожной сыворотки и обезжиренного молока 97
4.4. Изучение хранимоспособности образцов кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы 100
Глава 5. Разработка альтернативных вариантов технологии напитков из вторичного молочного сырья с регулируемым содержанием лактозы и оценка их эффективности 104
5.1 Разработка аппаратурно-процессовой и технологической схемы производства кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы 105
5.2 Оценка экономической эффективности производства напитков из творожной сыворотки и обезжиренного молока с пониженным содержанием лактозы 114
5.2.1 Маркетинговые исследования напитков из вторичного молочного сырья 114
5.2.2 Расчет себестоимости низколактозных напитков из вторичного молочного сырья 118
5.3 Безопасность с элементами ХАССП производства новых продуктов 127
5.3.1 Определение рисков и критических контрольных точек при производстве низколактозных напитков из вторичного молочного сырья 127
5.3.2 Анализ опасных факторов по системе ХАССП 128
Выводы 134
Список литературных источников 136
Приложения 150
- Необходимость и возможность производства напитков на основе вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы
- Изучение направленного гидролиза лактозы в творожной сыворотке
- Изучение хранимоспособности образцов кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы
- Анализ опасных факторов по системе ХАССП
Введение к работе
Актуальность темы. Переработка вторичного молочного сырья в последние десятилетия является одной из приоритетных задач молочной промышленности. Использование творожной сыворотки и обезжиренного молока как сырья для производства напитков приобретает все большую актуальность. В связи с широким распространением первичной и вторичной лактазной недостаточности среди разных групп населения особую роль играют разработки технологий, предусматривающие производство продуктов с пониженным содержанием лактозы.
Среди способов получения низколактозных напитков из вторичного молочного сырья выделяется метод ферментативного гидролиза лактозы. Данный процесс не требует сложного аппаратурного оформления, а также больших материальных и энергетических затрат. Продукты, получаемые в результате ферментативного гидролиза, по своим качествам можно отнести к функциональным, так как они позволяют обеспечить полноценное питание людям с лактазной недостаточностью.
Работа основана на трудах отечественных и зарубежных ученых: Ю. Я. Свириденко, Э. Ф. Кравченко, А. Г. Храмцова, И. А. Евдокимова, М. С. Коваленко, В. В. Василисиной, Н. Г. Чеботаревой, Л. А. Остроумова, Л. В. Голубевой, К. К. Полянского, И. С. Хамагаевой, С. Г. Козлова, J. Zadow, Е. Murray, О. Braun, К. Hicks, Т. Mizota, Y.Tamura, М. Tomita и др.
Исходя из вышеизложенного, было выбрано направление работы, основанное на использовании творожной сыворотки и обезжиренного молока для производства напитков с пониженным содержанием лактозы. Данное направление является перспективным, так как позволяет заполнить нишу молочных продуктов для людей с непереносимостью лактозы и в то же время решает вопросы безотходной переработки молочного сырья.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является изучение процессов ферментативного гидролиза лактозы и последующей
* Научный консультант экспериментальной части работы к.т.н., докторант А. Д. Лодыгин
ферментации вторичного молочного сырья с разработкой технологии кисломолочных низколактозных напитков. В соответствии с целью исследования решались следующие задачи:
изучить процессы направленного ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке и обезжиренном молоке с помощью препаратов Р-галактози дазы;
провести математическую обработку полученных результатов и установить оптимальные параметры гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье;
обосновать выбор заквасочной микрофлоры для сквашивания вторичного молочного сырья с частично гидролизованной лактозой;
изучить состав, качество, физико-химические и органолептические показатели новых продуктов;
разработать рецептуры и технологии производства кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы;
провести анализ экономической эффективности производства низколактозных напитков и исследования безопасности разработанных продуктов.
Научная новизна работы:
установлены зависимости степени гидролиза лактозы в обезжиренном
молоке и творожной сыворотке от температуры и продолжительности
процесса, позволяющие регулировать технологический процесс получения
низколактозных напитков с заданными свойствами;
получены математические модели, описывающие закономерности ферментативного гидролиза лактозы в обезжиренном молоке и творожной сыворотке;
произведен подбор заквасочной микрофлоры для низколактозного вторичного молочного сырья на основании кислотообразующей способности, а также органолептических и физико-химических показателей;
изучено влияние ферментативного гидролиза лактозы и последующего сквашивания на углеводный состав готовых продуктов.
Новизна предлагаемых технических решений подтверждена патентом РФ «Способ производства напитка из молочной сыворотки», № 2441390 опубл. 10.02.2012.
Практическая значимость работы. Разработана техническая
документация на кисломолочные напитки из вторичного молочного сырья с
пониженным содержанием лактозы - СТО 02067965-005-2011. Произведены
опытно-промышленные выработки напитков из обезжиренного молока (ОАО
«Молочный комбинат «Ставропольский», г. Ставрополь) и творожной
сыворотки (ООО «МЕТА ПрофиЛайн», г. Ставрополь). Результаты работы
используются в курсовом и дипломном проектировании студентов
специальностей «Технология молока и молочных продуктов» и «Пищевая
биотехнология» СевКавГТУ.
Инновационные приоритеты работы:
- исследование закономерностей и разработка способа ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке и обезжиренном молоке;
подбор культур молочнокислых микроорганизмов для ферментации низколактозного вторичного молочного сырья;
разработка рецептур и инновационных технологий производства кисломолочных напитков на основе вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и
обсуждены на различных международных, всероссийских и региональных
научно-технических конференциях: международной научно-практической
конференции «Современный взгляд на производство творога, творожных
паст и сыров: расширение ассортимента, совершенствование технологии и
оборудования» (г. Ставрополь, 2008); всероссийской конференции
«Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых
производствах» (г. Кемерово, 2009); научно-практической конференции
«Инновационные технологии и оборудование в молочной промышленности»
(г. Москва, 2010). На конкурсной основе получено финансирование по
программе «У.М.Н.И.К.», проект «Разработка технологии напитка из молочного белково-углеводного сырья с пониженным содержанием лактозы». Работа отмечена в номинации «Град Наград» (СевКавГТУ, 2008).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 17 публикациях, в том числе в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также в патенте РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 142 наименования, в том числе 41 иностранное, и приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц, 34 рисунка и 8 приложений.
Необходимость и возможность производства напитков на основе вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы
Обезжиренное молоко и молочная сыворотка широко используются для производства продуктов питания, кормовых средств, медицинских препаратов и технических полуфабрикатов [81].
Наиболее рациональной и логически обоснованной является переработка обезжиренного молока в молочные продукты для непосредственного потребления. Эта тенденция, особенно в последнее время, становится доминирующей, что связано с дефицитом белка в рационе питания, специфическими особенностями жизни (гипокинезия), биологической полноценностью обезжиренного молока и получением из него продуктов, особенно белковых.
Ассортимент продуктов из обезжиренного молока насчитывает несколько сотен наименований и постоянно расширяется. Наибольший интерес с точки зрения питательной ценности и рационального использования представляют молочные продукты с полным использованием сухих веществ обезжиренного молока - напитки, особенно кисломолочные и с наполнителями.
Обезжиренное молоко как сырье широко используется для выработки нежирных и маложирных видов питьевого молока. Ассортимент таких продуктов может быть существенно расширен за счет добавления молочного белка, витаминов, вкусовых и ароматических добавок. Выработка сквашенных напитков из обезжиренного молока значительно повышает биологическую ценность продуктов этой группы. Ассортимент ее шире и разнообразнее по сравнению с ассортиментом молока питьевого.
Что касается молочной сыворотки, то ее состав, пищевая и биологическая ценность дали основание считать ее универсальным сырьем (по акад. Н. Н. Липатову). При выработке продуктов из этого вида молочного сырья могут быть использованы все составные части сыворотки или отдельные компоненты.
Напитки из молочной сыворотки относятся к одной из самых больших ассортиментных групп продуктов. Они могут вырабатываться из осветленной и неосветленной сыворотки с внесением вкусовых наполнителей и без них. Большая доля приходится на напитки из ферментированной сыворотки, ряд напитков вырабатывают из предварительно сгущенной сыворотки, вырабатывают напитки и из сухих сывороточных концентратов.
Напитки из молочной сыворотки можно условно разделить на две большие группы - напитки свежие и напитки биологически обработанные. Ассортимент обеих групп напитков может быть существенно расширен за счет использования сахара, плодово-ягодных соков и сиропов, пряно-ароматических добавок. Биологическая ценность напитков может быть повышена за счет внесения витаминов, белковых добавок растительного и животного происхождения
Напитки, вырабатываемые из молочной сыворотки, различаются по своему составу, пищевой и биологической ценности, способу производства. Технология производства напитков может существенно различаться в зависимости от вида предварительной обработки сыворотки: использование натуральной сыворотки без обработки; удаление сывороточных белков (осветление сыворотки); гидролиз азотистых или углеводных компонентов; концентрация сухих веществ; биологическая обработка. [81]. Из всего ассортимента напитков из вторичного молочного сырья большой интерес представляют напитки с пониженным содержанием лактозы.
Дело в том, что в настоящее время наряду с возрастающим распространением аллергических заболеваний людей возникает проблема лактазной недостаточности (гиполактазии).
По данным FAO/WHO [63] более 70 % населения в мире страдает от недостаточности кишечной лактазы, однако абсолютное неусвоение лактозы является большой редкостью. Лица с лактазной непереносимостью (вызванной, главным образом, нарушением обмена веществ и аллергическими реакциями на организм человека) не епособны полностью использовать энергию лактозы (30 % энергетической ценности цельного и около 60 % энергетической ценности обезжиренного молока). Это особенно опасно в детском возрасте, поскольку потребность в энергии оказывается существенно неудовлетворенной, и происходит использование белка не на специфические строительные цели организма, а как источника пополнения недостающей энергии. Кроме того, очевидным является тот факт, что ослабленные вследствие стресса, сложной экологической обстановки и других неблагоприятных факторов человеческие организмы легче усваивают продукты, подверженные биотехнологической обработке.
Для жизни младенцев лактазная недостаточность представляет серьезную угрозу, так как для них молоко является основным продуктом питания. У новорожденных гиполактазия встречается достаточно редко. Это заболевание впервые было описано в 1959 г. [ПО], его неправильная или несвоевременная диагностика может привести к смерти ребенка.
Изучение гиполактазии в расовых и межрасовых группах показало, что постоянство всасывания лактозы наследуется из поколения в поколение. В 1988 г. N.S. Scrimshow и Е.В. Murray [134] обобщили работы 146 авторов, определявших частоту лактазной недостаточности среди разных этнических групп Европы, Северной и Южной Америки, Новой Зеландии, Африки. Анализ этих исследований позволил прийти к выводу, что, за исключением народов Северной и Центральной Европы, некоторых популяций Среднего Востока, а также групп первично европейского происхождения в Северной Америке, Австралии, Новой Зеландии и в других районах, большинство взрослых не переносят лактозу в количестве, превышающем 50 г единовременно. Эта доза используется в исследованиях на толерантность (переносимость). Количество людей, плохо усваивающих лактозу, колеблется в разных этнических группах от 10 до 100 % [123].
В РФ и странах Балтии распространенность первичной, замедленно наступающей лактазной недостаточности изучена лишь у отдельных этнических групп [10, 55, 102, 109, ПО, 112, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 127, 130, 131,132].
Непереносимость лактозы также увеличивается с возрастом. В возрасте 2-3 лет, 6 лет и 9-Ю лет частота непереносимости лактозы составляет, соответственно; 6-15 % для белых американцев и жителей Северной Европы; 18 ,30 и 47 % для мексиканцев США; 25, 45 и 60 % для южно-африканских негров; приблизительно 30, 80 и 85 % для китайцев и японцев; 30-55 %, 90 и 90 % для метисов из Перу [107, 122]. Китайцы и японцы, как правило, на 80-90 % теряют способность переваривать лактозу к 3-4 годам. С другой стороны, многие японцы способны переваривать до 200 мл молока без симптомов отравления.
Изучение направленного гидролиза лактозы в творожной сыворотке
Гидролиз лактозы проводили в свежей творожной сыворотке, полученной при производстве обезжиренного творога кислотно-сычужным способом. Состав сырья приведен в таблице 3.1. Используя априорную информацию для препарата кислой Р-галактозидазы «Лактокансцин Г20х», дозу внесения фермента установили равной 0,65 г на 1 л творожной сыворотки. Гидролиз лактозы проводили при различных температурах: 45, 50, 55 С. Эксперимент проводился при каждой температуре от трех до пяти раз в трех повторностях. После полного растворения внесенного фермента определяли точку замерзания контрольного образца сыворотки и ставили опытные пробы в термостат с заданной температурой. Температуру замерзания образцов измеряли через каждые 30 минут. Изменение температуры замерзания в процессе ферментативного гидролиза представлено в таблице 3.2.
Полученные данные (таблица 3.2) использовались для определения степени гидролиза лактозы по формуле 2.2 и по калибровочной кривой, представленной на рисунке 2.1.
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что при температуре гидролиза 45 С и средней температуре замерзания -0,850 С, степень гидролиза лактозы достигла 59 %. При температуре гидролиза 50 С и средней температуре замерзания -0,916 С, степень гидролиза лактозы достигла 93 %, При температуре гидролиза 55 С и средней температуре замерзания -0,932 С, степень гидролиза лактозы достигла 62 %. Следовательно, при температуре 50 С гидролиз лактозы в молочной сыворотке будет протекать наиболее эффективно.
Кинетические закономерности ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке представлены на рисунке 3.1, зависимость максимальной степени гидролиза от температуры - на рисунке 3.2.
По результатам исследований влияния продолжительности процесса на степень гидролиза лактозы установили, что степень гидролиза возрастает во времени и достигает максимума при всех температурных режимах через 180 минут. Дальнейшая ферментация приводит уменьшению степени гидролиза за счет реакции трансгалактозилирования.
Все кривые описываются полиномиальной зависимостью третьей степени. Анализ коэффициентов уравнений и графических зависимостей показывает, что при выбранных температурных режимах ферментации процесс в основном заканчивается через (150-180) минут. Причем во всех случаях коэффициенты при х меньше, чем при х , и имеют отрицательные значения, т.е. даже при увеличении продолжительности обработки процесс гидролиза будет постепенно замедляться.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что гидролиз лактозы в творожной сыворотке идет при всех выбранных температурах. При повышении температуры степень гидролиза лактозы увеличивается, достигает максимума при 50 С и составляет не менее 93 %. Дальнейшее увеличение температуры приводит к частичной инактивации ферментного препарата. В результате этого степень гидролиза снижается.
Изучение хранимоспособности образцов кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы
Данный этап исследований посвящен изучению хранимоспособности образцов низколактозных кисломолочных напитков. С этой целью велись наблюдения за изменением органолептических показателей и титруемой кислотности образцов в процессе хранения. Объектом исследований служили экспериментальные, сквашенные в лабораторных условиях пробы низколактозных творожной сыворотки, обезжиренного молока и смеси из творожной сыворотки и обезжиренного молока. Изучалась динамика изменения в процессе хранения органолептических показателей и титруемой кислотности образцов напитков. Для определения и обоснования допустимых сроков хранения продуктов была также изучена микробиология образцов низколактозных кисломолочных напитков в динамике, были выявлены изменения в количестве молочнокислых микроорганизмов заквасочной микрофлоры и санитарно-показательных микроорганизмов. Температуру хранения устанавливали с учетом того, что разрабатываемые продукты относятся к скоропортящимся продуктам (пастеризованное молоко, сливки, кисломолочные продукты) и поэтому должны храниться при температуре (4±2) С. Результаты исследований представлены в таблицах 4.3, 4.4 и 4.5.
По результатам исследований установлено, что развитие молочнокислых бактерий происходит активно во всех образцах низколактозных напитков за счет сбалансированного состава питательной среды с достаточным содержанием свободных моносахаров, в частности глюкозы.
По данным, приведенным в таблице 4.4, установлено, что низколактозные кисломолочные напитки в процессе хранения стабильны по органолептическим показателям в течение 7 суток. Титруемая кислотность образцов в процессе хранения в течение первой половины устанавливаемого срока хранения постепенно нарастает, а затем меняется незначительно. Микробиологические показатели образцов напитков на конец срока хранения, составляющего 7 суток, соответствуют требованиям технического регламента на молоко и молочную продукцию.
На основании исследований с учетом коэффициента запаса (1,5) при установлении продолжительности испытания образцов продуктов гарантированный срок годности кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы следует принять равным 7 суткам при температуре (4±2) С.
Полученные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:
- творожная сыворотка и обезжиренное молоко с пониженным содержанием лактозы являются благоприятным сырьем для развития молочнокислых микроорганизмов;
- для низколактозных творожной сыворотки и обезжиренного молока наиболее подходящей является комбинированная закваска на основе культур Str. thermophilus и Lbm. bulgaricum в соотношении 1:2. Данные молочнокислые микроорганизмы вызывают интенсивное кислотообразование до 80 Т за (3,5-4) часа. Процесс скващивания низколактозного сырья идет быстрее, чем негидролизованного, что позволяет сократить время технологического процесса. Органолептические и физико-химические показатели опытных образцов соответствуют требованиям, предъявляемым к кисломолочным напиткам;
- для получения продукта с хорошими органолептическими и физико-химическими показателями возможно составление смеси, содержащей до 30 % ферментированной низколактозной творожной сыворотки. В этом случае продукт обладает чистым кисломолочным вкусом и запахом, молочным белым цветом и однородной консистенцией;
- изучение хранимоспособности опытных образцов позволило установить гарантированный срок годности кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы, который составляет 7 суток при температуре (4±2) С.
Анализ опасных факторов по системе ХАССП
Выявление опасных факторов проводится в соответствии с первым принципом системы ХАССП. Результаты сводятся в таблицу 5.10.
По результатам мониторинга параметров критических точек проводится оперативная корректировка технологических процессов.
Регулярное и постоянное измерение, наблюдение, оценка всех производств комплексной переработки молочного сырья и реализации готовой продукции позволяет гарантировать соответствие контролируемых параметров заданным нормативам и критическим пределам. Мониторинг позволяет оценить безопасность выпускаемой продукции для здоровья населения.
Поэтому внедрение системы ХАССП вместе с развитием безотходных, ресурсосберегающих технологий является частью научно - технического прогресса применительно к молочному делу.
