автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка и оценка качества симбиотического концентрата

На правах рукописи

ханхалдаева саяна гомбо-доржеевна

РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СИМБИОТИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТА

Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

005540990

Улан-Удэ - 2013

005540990

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» (ВСГУТУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Хамагаева Ирина Сергеевна

Официальные оппоненты: Артюхова Светлана Ивановна,

доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Биотехнология» ФГБОУ ВПО

«Омский государственный технический университет»

Митыпова Наталья Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Стандартизация, метрология и управление качеством» ВСГУТУ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная

сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова» (г. Улан-Удэ)

Защита диссертации состоится 20 декабря в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д212.039.05 при ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, в ауд.8-124

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГУТУ. Автореферат разослан « ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Столярова Анна Сергееевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время производственные процессы, основанные на жизнедеятельности микроорганизмов, приобрели огромное значение. Наиболее перспективной формой производства активных заквасочных препаратов являются бактериальные концентраты.

Известно, что симбиоз пробиотических микроорганизмов дает ряд несомненных преимуществ в сравнении с монокультурами, повышая эффективность коррекции микроэкологических нарушений и усиливая лечебно-профилактические свойства пробиотиков. Симбиоз культур имеет более широкий спектр трансформируемых веществ и более технологичен в практическом использовании.

Наряду с полезными свойствами важную роль для потребителя играют внешний вид и текстура, определяющие потребительскую привлекательность и стабильность в процессе хранения готовых изделий. Бифидобактерии обладают низкой структурообразующей способностью, что затрудняет получение кисломолочных продуктов с высокими реологическими свойствами, которым отдают предпочтения потребители. Введение в состав закваски бифидобактерий культур, способных формировать вязкие сгустки, имеет важное практическое значение.

В связи с этим создание бактериального концентрата на основе симбиоза пробиотических культур, обладающих высокой биохимической активностью и ценными производственными свойствами, позволит повысить качество и потребительские свойства биопродуктов.

Цели м задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка и оценка качества симбиотического бактериального концентрата. .

Для достижения указанной цели были определены следующие задачи исследований:

- подобрать оптимальное соотношение пробиотических микроорганизмов с учетом структурно-механических свойств

- исследовать влияние условий культивирования на рост микрофлоры комбинированной закваски

- исследовать экзополисахаридный потенциал заквасочных культур

- разработать технологическую схему приготовления замороженного бактериального концентрата

- предложить практические аспекты применения замороженного бактериального концентрата.

Научная новизна. С учетом структурно-механических свойств и биотехнологического потенциала выбрано оптимальное соотношение культур Bifidobacterium longum В 379 М, Propionibakterium- freudenreichii shermanii АС-2503, Lactobacillus acidophilus для создания комбинированной закваски пробиотических микроорганизмов. При выбранном соотношении сгусток обладает тиксотропно-обратимыми связями и имеет наибольшую способность к восстановлению структуры сгустка. Установлено, что комбинированная закваска обладает высокой биохимической активностью, интенсифицирует рост пробиотических микроорганизмов и повышает ВЫХОД биомассы.

Сочетание пробиотических микроорганизмов способствует синтезу экзопо-лисахаридов (ЭПС), которые достигают максимального значения в стационарной фазе. Обнаружено, что высокий экзополисахаридный потенциал ацидофильной палочки и пропионовокислых бактерий стимулирует рост бифидобактерий и повышает выживаемость микроорганизмов при замораживании.

Практическая значимость.

На основании результатов исследований разработана технология замороженного бактериального концентрата для производства кисломолочных продуктов. Установлено, что кисломолочный продукт изготавливаемый с использованием бактериального концентрата, имеет стабильные структурно-механические, органо-лептические и пробиотические свойства Разработан проект научно-технической документации и проведена опытно-промышленная проверка технологии замороженного бактериального концентрата в условиях малого инновационного предприятия «Бифивит».

Апробация результатов работы.

Результаты работы были доложены и обсуждены на научных конференциях ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2011-2013 гг.): научно-практической конференции с международным участием «Химия и биологически активные вещества природного происхождения» (Улан-Удэ, 2011); научно-практической конференции с международным участием, посвященной 50-летию ВСГУТУ «Биоорганическая и пищевая химия: биотехнология» (Улан-Удэ, 2012); научно-практической конференции «Биотехнология» (Улан-Удэ, 2012); международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы товароведения и безопасности товаров» (Коломна, 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, в том числе две статьи в научных изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической части, результатов эксперимента и их анализа, списка литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 144 страницах, включает 37 таблиц, 32 рисунка, 5 приложений, 155 источников.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры «Технология молочных продуктов. Товароведение и экспертиза товаров», в центре коллективного пользования «Прогресс» и в лаборатории малого инновационного предприятии (МИП) «Бифивит» ВСГУТУ.

Объектами исследований служили чистые культуры Bifidobacterium longum В 379 М, Propionibakterium freudenreichii shermanii АС-2503, Lactobacillus acidophilus, выработанной по ТУ 10-02-02-789-65-91. В качестве основного сырья для приготовления комбинированной закваски использовали обезжиренное молоко, для культивирования пробиотических микроорганизмов применяли питательную среду на основе творожной сыворотки с внесением ростовых компонентов, разработанную в ВСГУТУ. Схема проведения экспериментальных

исследований приведена на рисунке 1.

Показатели:

1. Органолептические показатели

2. Активная кислотность

3. Титруемая кислотность

4. Количество жизнеспособных клеток бифидобактерий

5. Количество жизнеспособных клеток пропионовокис-лых бактерий

6. Количество жизнеспособных клеток ацидофильной палочки

7. Концентрация ЭПС

8. Структурно-механические свойства (степень восстановления сгустка, эффективная вязкость, тиксотропный индекс)

9. Контаминация

10. Показатели безопасности

11. Определение количества летучих жирных кислот

12. Оптическая плотность (1=590 нм, толщина кюве-ты=10 мм)

Рисунок 1 - Схема проведения исследований

При проведении экспериментов использовали общепринятые и современные физико-химические, биохимические и микробиологические методы исследований. Количественное определение летучих жирных кислот (ЛЖК) проводили по дистилляционному числу, количество экзополисахаридов определяли антроновым методом.

Реологические показатели определяли инструментальным методом на ротационном вискозиметре Brookfield RVDV-II+ Pro.

Количество клеток бифидобактерий, пропионовокислых бактерий определяли методом предельных разведений на среде ГМС или ГМК-1 по ТУ 10-02-02789-192-95 «Гидролизатно-молочная среда для количественного учета бифидобактерий и пропионовокислых бактерий». Количество клеток ацидофильной палочки определяли методом предельных разведений по ТУ 9229-083-00419785-97 «Гидро-лизованное молоко с агаром».

Статистическую обработку результатов исследований проводили в пакете Statistica 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Подбор соотношения пробиотических микроорганизмов с учетом структурно-механических свойств

В последние годы большое внимание уделяется подбору заквасок, улучшающих консистенцию кисломолочных продуктов, ферментирующих молоко с образованием плотных, умеренно вязких сгустков и снижающих степень синерези-са. Консистенция - это один из важных показателей при управлении качеством биотехнологической продукции, представляющий собой совокупность реологических свойств вязкой жидкости. Наряду с внешним видом, цветом, запахом и ароматом, консистенция кисломолочных продуктов определяет потребительскую ценность готового продукта. Важными факторами при создании ферментированного продукта, влияющими на структурно-механические свойства являются вид и активность бактериальной закваски. Основной компонент микрофлоры заквасок для большинства пробиотических кисломолочных продуктов - бифидобактерии, недостатком которых является образование легкотекучего сгустка.

При производстве продуктов функционального питания рекомендуют комбинировать бифидобактерии с другими пробиотическими микроорганизмами в соотношении 9:1, что соответствует нормальному микробиоценозу в желудочно-кишечном тракте (Б.А. Шендеров). Поэтому для определения оптимального соотношения бифидобактерий, пропионовокислых бактерий, ацидофильной палочки в комбинированной закваске были составлены различные вариации данных культур 90:7:3; 90:3:7; 90:5:5 и исследованы структурно-механические свойства сгустков.

Следует отметить, что на практике широко применяется сенсорная оценка консистенции, результаты которой получают эмпирически, оценивая поведение продукта при деформации. Известно, что результат сенсорной оценки субъективен. Поэтому, для обеспечения контроля и управления качеством выпускаемой продукции необходимо применять инструментальные методы. Инструментально консистенция может быть охарактеризована через структурно-механические свойства продукта.

Исследованы основные структурно-механические характеристики образцов сгустка: скорость сдвига (градиент скорости), тиксотропный индекс, индекс течения. Исследования были проведены на ротационном вискозиметре при температуре (20±1)°С. Количественную характеристику течения сгустков определяли отношением вязкостей жидкости, измеренных при двух разных скоростях сдвига (при использовании одного шпинделя). Это отношение известно как тиксотропный индекс (табл. 1).

Таблица 1 - Тиксотропный индекс сгустков

Соотношение микроорганизмов, % Эффективная вязкость, мПа*с Тиксотропный индекс при нагрузке

Максимальный градиент деформации Минимальный градиент деформации

90:5:5 0,227 2,155 9,51

90:,1:7 0.424 3.584 8.459

90:7:3 0,265 2,56 9,662

Тиксотропный индекс разрушения структуры сгустков превышает единицу. Реологическое поведение сгустков описывалось кривыми, по виду которых отмечается проявление пластических и псевдопластических свойств, т.е. сгустки являются неньютоновскими жидкостями.

Далее рассматривали влияние градиента скорости на эффективную вязкость. Данные представлены на рисунке 2.

Из данных, представленных на рисунке 2, видно, что сгусток с соотношением заквасочных культур 90:3:7 структурированнее и обладает большей эффективной вязкостью, далее средней вязкостью характеризуется сгусток с соотношением заквасочных культур 90:7:3.

Для установления степени восстановления сгустка был определен тиксотропный индекс при разгрузке (табл. 2).

Таблица 2 - Структурно-механические свойства сгустков

Соотношение бактерий В. longum В 379 М: P. shermanii АС-2503: L. acidophilus Тиксотрои п ный индекс эи Степень восстановления структуры

нагрузке разгрузке

90:7:3 9,662 7,568 1,277

90:5:5 9,51 8,537 1,114

90:3:7 8,459 8,303 1,019

Количественно степень восстановления структуры сгустка с соотношением бактерий 90:7:3 имеет наибольшее значение, что свидетельствует о хорошей восстанавливаемости структуры при нагрузке и разгрузке.

Видимое проявление тиксотропности можно представить зависимостью вязкости от времени, поэтому в ходе исследований были получены кривые течения в координатах «вязкость - градиент деформации» при увеличении градиента деформации и последующем его уменьшении. Полученные результаты представлены на рисунке 3.

Как видно из представленных данных, кривые течения имеют форму петли гистерезиса. Полученные кривые не накладывались друг на друга, поэтому можно

говорить о тиксотропном поведении системы во всех трех заквасках.

4.0

0.0 --

3.7 4.9 6.1 12.2 183 24.5 30.6 36.7 48.9 61.2 Градиент деформации, Ьсек

-»-Соотношение бактерий в комбинированной закваске 90:5:5 -в-Соотаошение бактерий в комбинированной закваске 90:3:7 -А-Соотношение бактерий в комбинированной закваске 90:7:3

Рисунок 2. Зависимость вязкости от градиента деформации

Было установлено, что у всех соотношений в зависимости от степени разрушения способность к восстановлению структуры уменьшается. Следовательно, для них характерно частичное восстановление структуры сгустка.

При этом отмечено, что степень восстановления структуры во всех соотношениях различна, однако

структура сгустка с соотношением 90:7:3 характеризуется наибольшей устойчивостью к разрушению при механическом воздействии, т.к. значения эффективной вязкости для неразрушенной структуры и структуры, подвергшейся воздействию градиента, отличаются меньше чем в остальных заквасках.

Таким образом, исследованные сгустки с различными соотношениями являются неньютоновскими жидкостями, тиксотропный индекс превышает единицу, что характерно для псевдопластичных жидкостей. Для исследованных сгустков характерно частичное восстановление структуры. При анализе эффективной вязкости установлено, что сгусток с соотношением 90:7:3 характеризовался большей выраженностью тиксотропных свойств.

Анализ реологических характеристик показывает, что сгусток с соотношением 90:7:3 характеризуется большей выраженностью тиксотропно-обратимых связей, следовательно, имеет наибольшую способность к восстановлению структуры, что положительно влияет на структуру сгустков при хранении.

Исследование влияния условий культивирования на рост микрофлоры комбинированной закваски

С учетом сбалансированного роста бактерий в комбинированной закваске выбрана оптимальная температура культивирования 30°С. Увеличение температуры приводит к интенсивному росту ацидофильной палочки и повышению кислотности, что ухудшает органолептические свойства сгустка и приводит к снижению количества жизнеспособных клеток бифидобактерий. Качественная характеристика комбинированной закваски представлена в таблице 3.

4 5 I! 12 18 25 31 37 49 61 73 86 Градиент деформации. 1/сек

-^--Соотношение бактерий в комбинированной закваске 90:5:5 -¿--Соотношение бактерий в комбинированной закваске 90:3:7 —^—Соотношение бактерий в комбинированной закваске 90:7:3

Рисунок 3 - Влияние градиента деформации на эффективную вязкость комбинированных заквасок

Таблица 3 - Качественная характеристика комбинированной закваски

Показатели Значения

Органолептические показатели консистенция однородная, нежная по всей массе, в меру вязкая, вкус приятный, мягкий, кисломолочный вкус и запах, без посторонних привкусов и запахов, цвет молочно-белый, равномерный по всей массе

Титруемая кислотность, иТ 77

Время сквашивания молока, ч. 8-9

Степень восстановления структуры 1,277

Содержание JDKK, cmj 0,1 н NaOH в 100 г продукта 0,68

Количество жизнеспособных клеток В. longum В 379 М, кое/см3 1*Ю10

Количество жизнеспособных клеток, P. shermanii АС-2503, кое/см3 3*10"

Количество жизнеспособных клеток L.acidophilus, кое/см3 1*10"

БГКП (колиформы), кое/0,1 cmj отсутствуют

S. aureus, Koe/cMJ отсутствуют

Патогенные микроорганизмы^ в т.ч. сальмонеллы, кое/25 см отсутствуют

Дрожжи, кое/50 см3 отсутствуют

Плесени, кое/50 cmj отсутствуют

В результате исследований установлено, что при выбранном соотношении культур 90:7:3 наблюдается высокая плотность популяции заквасочных культур, что свидетельствует о симбиозе микроорганизмов. Из данных, представленных в таблице 3 видно, что комбинированная закваска характеризуется в меру вязкой, однородной консистенцией, мягким кисломолочным вкусом и запахом, высокой активностью ферментации. Закваска обладает умеренной кислотностью, высоким содержанием жизнеспособных клеток пробиотических микроорганизмов и летучих жирных кислот, что позволяет рекомендовать ее в качестве инокулята для приготовления концентрированной закваски. Высокая биохимическая активность и реологические свойства инокулята обусловлены подбором культур пробиотических микроорганизмов в комбинированной закваске.

На следующем этапе исследований нами было изучено влияние дозы инокулята на рост микрофлоры комбинированной закваски. Для этого использовали питательную среду на основе творожной сыворотки с добавлением ростовых факторов, на которой активно растут бифидобактерии и пропионовокислые бактерии. Оптимальную дозу инокулята выбирали по количеству жизнеспособных клеток микроорганизмов. С увеличением дозы инокулята от 3 до 5% интенсивность роста микрофлоры комбинированной закваски повышается. Дальнейшее увеличение дозы инокулята до 7% незначительно сказывается на росте пробиотических микроорганизмов. Поэтому нами выбрана оптимальная доза 5% инокулята от объема питательной среды, обеспечивающая активный рост микроорганизмов. Зависимость оптической плотности от рН и времени культивирования при различных

дозах инокулята, описываются уравнениями второго порядка, где Ъ - оптическая плотность, ед ОП, у - активная кислотность, ед рН, х - время культивирования, ч: 140,6776+4,1289х+48,8332у-0,0256ху-4,2253у2; 187,1083+2,8198х+68,6712у-0,0118х2-0,507ху-6,2957у2; = 106,2325-2,2587х-36,4833у+0,0087х2+0,4146ху+3,1086у2.

В дальнейших исследованиях изучали рост монокультур и комбинированной закваски при оптимальных условиях культивирования при температуре 30°С и дозе 5% (рис. 4).

Полученные результаты, представленные на рисунке 4, показывают, что наиболее активно развивается ацидофильная палочка, которая обладает более высокой биохимической активностью. Стационарная фаза роста ацидофильной палочки наступает через 8 ч ферментации, тогда как у пропио-новокислых бактерий и бифидо-бактерий через 16 и 18 ч.

Следует отметить, что рост комбинированной закваски идет интенсивней, процесс культивирования сокращается по сравнению с монокультурами бифидобактерий и пропионовокислых бактерий, что свидетельствует о более высокой биохимической активности комбинированной закваски пробиотиче-ских микроорганизмов.

При совместном культивировании бактерий отмечается сбалансированный рост и количество жизнеспособных клеток бифидобактерий составляет 1012 кое/см3,

6 8 10 12 Время, ч

-»-Bifidobacterium longum В 379 М *Propionibakterium treudenreichii shermanii АС-2503 -^Lactobacillus acidophilus -•-комбинированная закваска

Рисунок 4 - Рост монокультур и комбинированной закваски в процессе культивирования

14

б 12

о 10

* 8

е 6

5 4

4 6 10 14 16 18

Время. Ч

□ Bifidobacteriumlongum В 379 М

□ Propionibakterium treudenreichii shermanii АС-2503 в Lactobacillus acidophilus

Рисунок 5 - Динамика роста клеток комбинированной закваски

пропионовокислых бактерий — Ю10кое/см3 и ацидофильной палоч-

ки - 10'икое/см3 (рис. 5).

Таким образом, в результате исследований установлены оптимальные технологические параметры совместного культивирования пробиотических микроорганизмов: доза вносимого инокулята 5%, температура ферментации 30 °С и продолжительность культивирования 14-16 ч, обеспечивающие активное наращивание биомассы и высокое количество жизнеспособных клеток в концентрате.

Исследование экзополисахаридного потенциала заквасочных культур

Известно, что экзополисахариды положительно влияют на консистенцию продукта, повышают гидрофильные и эмульгирующие свойства, регулируют активность микроорганизмов, выступают в роли факторов, способствующих адгезии полезных микроорганизмов на стенках кишечника. Поэтому в дальнейших исследованиях изучали биосинтез ЭПС монокультурами и их ассоциацией. Полученные результаты представлены на рисунке 6.

Как видно из данных представленных на рисунке 6, накопление экзополи-сахаридов бактериями различно. Наиболее высоким экзополисахаридным потенциалом обладают пропионовокислые бактерии и ацидофильная палочка. Совместное культивирование пробиотических микроорганизмов приводит к повышению содержания ЭПС. Суммарное количество ЭПС в комбинированной закваске возрастает и достигает максимального количества в стационарной фазе.

Общее количество ЭПС, вырабатываемое монокультурами и комбинированной закваской составляют: бифидобактерии синтезируют 8,0 мкг/см3, ацидофильная палочка -12,9 мкг/см3пропионовокислые бактерии - 10,9 мкг/см3, и комбинированная закваска - 20,5 мкг/см . Значительные различия в выходе экзо-полисахаридов можно объяснить физиологией бактерий, проявляющихся при отдельном и совместном культивировании.

В результате исследований выявлено, что совместное культивирование пробиотических микроорганизмов повышает экзополисахаридный потенциал. Это объясняется тем, что культивирование осуществляется при различных ростовых условиях для входящих в состав комбинированной закваски микроорганизмов. Вероятно, изменение оптимальной температуры культивирования повлияло на увеличение синтеза ЭПС микроорганизмами, как ответная реакция на стрессовую ситуацию.

Известно, что экзополисахариды обладают бифидогенными свойствами, поэтому высокий экзополисахаридный потенциал ацидофильной папочки и пропио-новокислых бактерий стимулирует рост бифидобактерии. Кроме того, основной биологической функцией ЭПС является защитная функция полимеров. Синтезируемые бактериями экзополисахариды защищают от внешних воздействий, позволяя адаптироваться микроорганизмам в условиях среды, и имеют важное значение при создании концентрата пробиотических микроорганизмов.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что совместное культивирование бифидобактерии, пропионовокислых бактерий и ацидофильной палочки, повышает синтез экзополисахаридов, что способствует симбиозу и улучшению структурно-механических свойств.

Время, ч

-*-В1Й1ДоЪас1егшш 1оп«ит В 379 М -э-РгорюшЬакгегшш £геи13епге1с1т яЬеппапп АС-2503 -<^Лас(оЬа<лПия асн1ир!иЬ^ -^Комбинированная чакваска

Рисунок 6 - Динамика накопления ЭПС пробиотическими бактериями

Разработка технологической схемы приготовления замороженного бактериального концентрата

На основании полученных экспериментальных данных разработана технологическая схема бактериального концентрата (рис. 7).

Рисунок 7 - Схема приготовления бактериального концентрата

Особенностью предлагаемой технологии является использование в качестве инокулята комбинированной закваски пробиотических микроорганизмов, обладающей высокой биохимической активностью и структурно-механическими свойствами, что интенсифицирует технологический процесс производства и повышает качество продукта.

Для приготовления замороженной концентрированной закваски прямого внесения биомассу клеток отделяют центрифугированием и смешивают с защитной средой. Смесь разливают, замораживают и хранят до реализации. Проведенные исследования устойчивости микрофлоры бактериального концентрата к замораживанию показали, что количество жизнеспособных клеток пробиотических микроорганизмов уменьшается незначительно и сохраняется высокая биохимическая активность бактериального концентрата. Протекторное действие на клетки

оказывает не только защитная среда, но и экзополисахариды, которые синтезируются в процессе культивирования. Высокое содержание ЭПС позволяет пролонгировать сроки хранения бактериального концентрата до 9 мес. без изменения его активности. Характеристика бактериального концентрата представлена в таблице 4.

Таблица 4 - Качественная характеристика бактериального концентрата

Наименование показателя Характеристика

Консистенция и внешний вид однородная суспензия

Цвет от белого до светло-желтого

Активность сквашивания, ч 12

Предельные значения рН 6±0,5

Температура при выпуске с предприятия, °С минус 25

Количество жизнеспособных клеток В. longum В 379 М, кое/см3 4*1012

Количество жизнеспособных клеток, P. shermanii АС-2503, кое/см3 6*Ю10

Количество жизнеспособных клеток L. acidophilus, кое/см3 5*Ю10

БГКП (колиформы), кое/см3 отсутствуют

S. aureus, кое/см отсутствуют

Патогенные микроорганизмы, в т.ч. сальмонеллы, кое/25см3 отсутствуют

Дрожжи, кое/см3, не более отсутствуют

Плесени, кое/см , не более отсутствуют

Анализ данных таблицы 3 показывает, что бактериальный концентрат обладает высокой биохимической активностью и соответствует требованиям, предъявляемым к закваскам прямого внесения, и может быть использован для производства кисломолочных продуктов.

Практическое применение замороженного бактериального концентрата

Для определения дозы внесения замороженного бактериального концентрата при создании кисломолочного продукта проведены исследования биохимической активности концентрата. В результате установлено, что один флакон, содержащий 2 единицы активности замороженной закваски прямого внесения, ферментирует 200 л молока при температуре 30 °С.

Маркетинговые исследования показали, что большинство опрошенных покупателей предпочтение отдают натуральным кисломолочным продуктам без стабилизаторов, ароматизаторов и других пищевых добавок. В отношении наполнителей предпочтения отданы кисломолочным продуктам со вкусом черники, земляники и абрикоса.

С учетом пожеланий потребителей, дальнейшие исследования были посвящены разработке инновационного пробиотического кисломолочного продукта с использованием бактериального концентрата на основе комбинированной закваски

13

бифидобактерий, пропионовокислых бактерий, ацидофильной палочки с черничным наполнителем. Учитывая, что внесение черничного наполнителя и сахара может привести к изменению консистенции и титруемой кислотности, для выбора их оптимальной дозы была составлена матрица полного факторного эксперимента. Математическая обработка результатов исследований показала, что уравнения регрессии, адекватно описывают зависимости тируемой кислотности и степени восстановления сгустка от массовой доли сахара и наполнителя, где X! - массовая доля наполнителя, (%) и х2 - массовая доля сахара, (%): ^кислотность" 85,67 х22- 29 х, -3,28; ^степень восст. сгустка- 1?25 Х2 X] - 0,45 Х| - 0,01.

Далее представлены поверхности отклика выходных факторов, обозначенных как Ъ — степень восстановления сгустка на рисунке 8 и титруемая кислотность на рисунке 9, где У — массовая доля наполнителя, X - массовая доля сахара. Содержание сахара в исследуемых границах в меньшей степени влияет на титруемую кислотность и степень восстановления сгустка. Поверхность отклика зависимостей титруемой кислотности и степени восстановления сгустка от дозы вносимых компонентов свидетельствуют о нахождении оптимумов.

Были выбраны оптимальные дозы наполнителя - 9% и сахара - 3%, которые незначительно влияют на титруемую кислотность и степень восстановления сгустка и способствуют получению хороших органолептических и структурно-механических свойств готового продукта. Характеристика готового кисломолочного продукта представлена в таблице 5.

Рисунок 8 - Влияние вносимых компонентов на степень восстановления сгустка

няв 0,9

п 0,8

□ 0,7

м 0,6

ИИ 60

□ 58

О 56

шя 54

Рисунок 9 - Влияние вносимых компонентов на титруемую кислотность

Таблица 5 - Характеристика кисломолочного продукта

Наименование показателей Характеристика

Внешний вид и консистенция однородная, нежная консистенция, с включениями раздробленных ягод черники, с ненарушенным сгустком

Вкус и запах чистый, с приятным кисломолочным привкусом, в меру сладкий с выраженным черничным вкусом, без постороннего привкуса и запаха

Цвет бледно-лиловый, с крапинками черники

Массовая доля жира, % 2,5

Массовая доля белка, %, не менее 2,8

СОМО, % не менее 8,5

Количество жизнеспособных клеток на конец срока годности, кое/см3 В. longum В379М 1*109

P. shermanii АС-2503 8*10s

L. acidophilus 2*108

БГКП колиформы, Koe/0.1cMJ отсутствуют

S. aureus, в Koe/cMJ отсутствуют

Патогенные микроорганизмы, в т.ч. сальмонеллы, кое/25см" отсутствуют

Дрожжи, кое/см отсутствуют

Плесени, кое/см3 отсутствуют

Показатели безопасности соответствуют установленным санитарно-гигиеническим требованиям

Из данных таблицы 4 видно, что кисломолочный продукт характеризуется хорошими органолептическими, физико-химическими и санитарно-гигиеническими показателями.

Таким образом, на основании проведенных исследований разработан кисломолочный продукт, характеризующийся высокими потребительскими и про-биотическими свойствами.

Кисломолочный продукт может применяться в общем комплексе терапевтических мероприятий при заболевании органов пищеварительного тракта, при нарушениях обмена веществ в организме, поддержании иммунной системы, повышении микроэкологического статуса, для профилактики заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Выводы

1. На основании проведенных исследований разработана технология бактериального концентрата на основе комбинированной закваски пробиотических микроорганизмов, обладающего высокой биохимической активностью.

2. Оптимальное соотношение Bifidobacterium longum В 379 М, Propionibakterium freudenreichii shermanii АС-2503, Lactobacillus acidophilus в инокуляте 90:7:3 выбрано с учетом степени восстановления структуры, приемлемой скорости ферментации, умеренной кислотности и сбалансированного содержания жизнеспособных клеток культур.

3. Подобраны оптимальные условия культивирования комбинированной закваски: доза — 5%, продолжительность ферментации - 14-16 ч, температура культивирования 30°С, при которых рост клеток комбинированной закваски происходит интенсивней, процесс культивирования сокращается по сравнению с монокультурами бифидобактерий и пропионовокислых бактерий, что говорит о сим-биотических взаимоотношениях культур при совместном культивировании.

4. Установлено, что совместное культивирование бифидобактерий, пропионовокислых бактерий и ацидофильной палочки, повышает экзополисахарид-ный потенциал, что способствует симбиозу и повышению выживаемости при замораживании.

5. Разработана технологическая схема приготовления бактериального концентрата, особенностью которой является использование в качестве инокулята комбинированной закваски пробиотических микроорганизмов, обладающего высокой биохимической активностью и структурно-механическими свойствами, что интенсифицирует технологический процесс производства и повышает качество продукта.

6. Бактериальный концентрат позволяет получить кисломолочный продукт, характеризующийся высокими потребительскими и пробиотическими свойствами.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Тумунова С.Б. Влияние массовой дозы инокулята на накопление биомассы пробиотических бактерий, г. Улан-Удэ / С.Б. Тумунова, С.Г.-Д. Ханхалдаева // Сб. науч. тр. с междунар. участием. Серия: Химия и биологически активные вещества природного происхождения. Вып. 16. Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2011.С.53-57.

2. Тумунова С.Б. Формирование потребительских свойств кисломолочного продукта с использованием нового бактериального концентрата, г. Улан-Удэ / С.Б. Тумунова, С.Г.-Д. Ханхалдаева // Сб. науч. тр. с междунар. участием, посвящ. 50-летию ВСГУТУ. Серия: Химия и биологически активные вещества природного происхождения. Вып. 17. Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012.С.96-100.

3. Тумунова С.Б. Изучение влияния состава закваски на реологические свойства сгустка г. Улан-Удэ / С.Б. Тумунова, И.С. Хамагаева, С.Г.-Д. Ханхалдаева // Сб. науч. тр. Серия: Биотехнология. Вып. 19. Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. С.105-106.

4. Тумунова С.Б. Исследование потребительских свойств пробиотическо-го кисломолочного продукта, г.Улан-Удэ / С.Б. Тумунова, С.Г.-Д. Ханхалдаева // Мат-лы междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные вопросы товароведения и безопасности товаров». Коломна: Изд-во МГОСГИ, 2013. С.22-24.

5. Ханхалдаева С.Г.-Д. Исследование конкурентного потенциала пробио-тического бифидосодержащего кисломолочного продукта г. Улан-Удэ / С.Г.-Д. Ханхалдаева, С.Б. Тумунова, H.A. Замбалова // Вестник ВСГУТУ. 2013. №2. С.51-56

6. Хамагаева И.С. Влияние микрофлоры закваски на структурно-механические свойства ферментированных сгустков / И.С. Хамагаева, С.Б. Тумунова, С.Г.-Д. Ханхалдаева, H.A. Замбалова // Молочная промышленность. 2013. №7. С.60-61.

7. Хамагаева И.С., Тумунова С.Б., Ханхалдаева С.Г.-Д. Изобретение «Способ получения замороженного бактериального концентрата на основе симбиоза пробиотических бактерий». Заявка: входящий номер №020005, регистрационный номер №2013113520, дата поступления 26.03.2013.

Подписано в печать 14.11.2013 г. Формат 60x84 1/16 Усл.п.л.1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 356

Издательство ВСГУТУ. 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления

ХАНХАЛДАЕВА САЯНА ГОМБО-ДОРЖЕЕВНА

РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СИМБИОТИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТА

Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201453913

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Хамагаева И.С.

Улан-Удэ-2013

Оглавление

Стр.

Введение..................................................................................................................................................................................................................5

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований..............................................................................................7

1.1 Физиолого-биохимические свойства пробиотических бактерий........................7

1.2 Факторы, влияющие на структурно-механические свойства кисломолочных сгустков....................................................................................................................................19

1.3 Особенности технологии производства бактериальных концентратов 29

1.4 Заключение по обзору литературы и задачи исследований..........................................38

Глава 2 Организация проведения экспериментов. Материалы и методы исследований............................................................................................................................................................................40

2.1 Объекты исследований и постановка эксперимента....................................................40

2.2 Методы исследований........................................................................................................................40

2.3 Математическая обработка исследований............................................................................43

2.4 Маркетинговые исследования..........................................................................................................43

Глава 3 Создание комбинированной закваски на основе бифидобактерий,

пропионовокислых бактерий, ацидофильной палочки..............................................................44

3.1 Выбор температуры культивирования микрофлоры комбинированной закваски..........................................................................................................................................................................................44

3.2 Подбор соотношения пробиотических микроорганизмов с учетом структурно-механических свойств................................................................................................47

3.3 Разработка технологии получения комбинированной закваски........................53

Глава 4 Разработка технологии получения замороженного бактериального

концентрата на основе симбиоза пробиотических бактерий..................................................56

4.1 Исследование влияния условий культивирования на рост микрофлоры инокулята..................................................................................................................................................................56

4.2 Исследование экзополисахаридного потенциала заквасочных культур.. 61

4.3 Изучение сроков хранения жидкого бактериального концентрата....................64

4.4 Исследование устойчивости микрофлоры бактериального концентрата

к замораживанию..............................................................................................................................................................65

4.5 Исследование сроков хранения замороженного бактериального концентрата................................................................................................................................................................69

4.6 Разработка технологической схемы приготовления замороженного бактериального концентрата............................................................................................................71

Глава 5 Практическое применение замороженного бактериального концентрата..........................................................................................................................................................................................74

5.1 Исследование биохимической активности бактериального концентрата..................................................................................................................................................................................74

5.2 Разработка технологии приготовления пробиотического продукта... 75

5.3 Оценка конкурентоспособного потенциала пробиотического продукта. 80

5.3.1 Анализ потребительских предпочтений кисломолочных продуктов............81

5.3.2 Экспертиза качества пробиотических бифидосодержащих продуктов

по органолептическим показателям..........................................................................................83

5.3.3 Исследование функциональных характеристик пробиотических продуктов......................................................................................................................................................................86

5.3.4 Анализ состава бифидосодержащих кисломолочных продуктов....................88

5.3.5 Оценка конкурентных преимуществ пробиотического продукта по качественным показателям............................................................................................................92

5.4 Изучение сроков хранения пробиотического продукта............................................94

5.5 Разработка технологии приготовления пробиотического продукта с наполнителем................................................................................................................................................96

5.5.1 Анализ потребительских предпочтений..................................................................................96

5.5.2 Анализ объема продаж кисломолочных продуктов................................................100

5.5.3 Изучение влияния массовой доли сахара и наполнителя на характеристику кисломолочных продуктов..................................................................................................102

5.5.4 Технология приготовления пробиотического продукта с наполнителем 106

с наполнителем «Черника».........................................................

5.6 Определение отпускной цены бактериального концентрата........................111

Выводы..........................................................................................................................................................................................120

Библиография......................................................................................................................................................................121

Приложения................................................................................................................................................................................136

Введение

Проблема полноценной пищи является одной из самых важных для сообщества. В связи с ухудшением экологии, несбалансированным питанием, дефицитом жизненно важных пищевых веществ, ослаблением иммунитета у большинства населения, питание существенно отличается от формулы сбалансированного питания [90,131].

В современных условиях жизни при наличии неблагоприятных факторов, повышающих степень риска заболеваемости человека, значительное внимание уделяется созданию продуктов направленного действия, обладающих способностью стимулировать иммунную систему человека и применяемых с целью лечения и профилактики ряда заболеваний.

Научные подходы к оздоровлению организма человека, основанные на массовом использовании кисломолочных продуктов с пробиотическими свойствами, являются стратегией как многих зарубежных, так и отечественных исследователей, т.к. позволяют в значительной степени стабилизировать состояние здоровья населения [90].

Учитывая тот факт, что микроэкология человека представлена разнообразными видами микроорганизмов, является актуальным создание бактериального концентрата на основе симбиоза пробиотических микроорганизмов. Известно, что симбиоз пробиотических микроорганизмов дает ряд несомненных преимуществ в сравнении с монокультурами, повышая эффективность коррекции микроэкологических нарушений и усиливая лечебно-профилактическую активность пробиотиков. Симбиоз культур имеет более широкий спектр трансформируемых веществ и более технологичен в практическом использовании. Совместное культивирование пробиотических бактерий позволяет получить продукт лучшего качества с высокой биохимической активностью и устойчивостью к неблагоприятным факторам среды. Кроме того, это позволит в большей

степени использовать физиолого-биохимические свойства микроорганизмов

5

для формирования органолептических характеристик кисломолочных продуктов, в частности, структурно-механические свойства [62,112].

Пробиотические свойства кисломолочных продуктов в основном определяются бифидобактериями. Бифидобактерии обладают низкой структурообразующей способностью, что затрудняет получение кисломолочных продуктов с высокой вязкостью, которым отдают предпочтения потребители. Совместное их культивирование с микроорганизмами, способными формировать сгусток с повышенной вязкостью, позволит получить продукт, учитывающий предпочтения потребителей. С этой позиции интересным является использование в качестве закваски симбиоза бифидобактерий, ацидофильной палочки и пропионо-вокислых бактерий [62].

В настоящее время наиболее перспективной формой активных заквасоч-ных препаратов являются бактериальные концентраты. Их использование способствует интенсификации технологического процесса производства кисломолочных продуктов, увеличению объемов производства, исключает опасность инфицирования и изменения наследственных свойств культур, входящих в состав закваски.

В связи с этим создание бактериального концентрата на основе симбиоза пробиотических культур, обладающих высокой биохимической активностью и ценными производственными свойствами, позволит повысить качество и потребительские свойства пробиотических продуктов.

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований

1.1 Физиолого-биохимические свойства пробиотических бактерий

Пробиотические препараты, продукты на основе пробиотических микроорганизмов все чаще встречаются в привычном образе жизни. В связи с воздействием вредных факторов, неправильном питании, сниженным иммунитетом у большинства населения актуально и рентабельно производство таких продуктов, в основе которых лежит механизм воздействия пробиотиков на организм человека.

Живые микроорганизмы или ферментированные ими продукты способствуют правильной работе организма, благотворно влияют на состояние иммунитета за счет нормализации его микробной экосистемы и могут быть использованы, как для профилактики, так и для лечения больных [98,132,136].

Проведены многочисленные исследования отечественными и зарубежными авторами, посвященные изучению влияния пробиотиков на организм человека. Существует приблизительно 100 зарегистрированных пробиотиков. Многие эффекты пробиотиков исследованы in vitro и in vivo [138].

Впервые термин «пробиотики» был использован в 1965 г. Lilly и Stillwell, обозначившими их как «продуцируемые микроорганизмами вещества, которые ускоряют рост других микроорганизмов». В 1989 г., Fuller дал определение пробиотикам как «живые микробные добавки к пище, которые улучшают здоровье организма хозяина путем нормализации баланса микроорганизмов в питании». В 1998 г. Guarner и Schaafsma дали определение пробиотикам как «живым микроорганизмам, которые при их потреблении человеком в адекватных количествах оказывают благоприятное влияние на здоровье». Несмотря на некоторые отличия в этих более поздних определениях, они указывают на то, что пробиотики являются живыми микроорганизмами, а чтобы добиться их максимально благоприятного воздействия, нужно вводить пробиотики в организм в адекватных дозах [53].

На сегодняшний день российский стандарт ГОСТ Р 52349-2004 определяет понятие «пробиотик» как физиологически функциональный пищевой ингредиент в виде полезных для человека (непатогенных и нетоксичных) живых микроорганизмов, обеспечивающий при систематическом употреблении человеком в пищу непосредственно в виде препаратов или БАД к пище, либо в составе пищевых продуктов благоприятное воздействие на организм человека в результате нормализации состава и/или повышения биологической активности нормальной микрофлоры человека.

Микроорганизмы могут быть названы пробиотическими при соответствии их ряду критериев: адекватность микробиоценозу организма; физиологический эффект их применения; стабильность, позволяющая сохранять его полезные свойства в течение всего срока годности и безопасность бактерий [111].

Известно, что микрофлора кишечника представлена как полезными так и вредными микроорганизмами. К полезным относят бифидобактерии (В. longum, infantis, animals штамм lactis, bifidum, adolescentis, breve и их подвиды) и молочнокислые бактерии (L. acidophilus, rhamnosus, casei, plantarum, fermentum, paracasei, johnsonii, reuteri, salivarius и их подвиды). Поддержание популяции этих бактерий на высоком уровне является важным фактором для здоровья человека [70,111].

Эффективность пробиотика может быть оценена путем исследований физиологического эффекта его применения. Только комплексная оценка теоретически и экспериментально изученных свойств бактерии и механизма ее воздействия на организм может гарантировать верный выбор [36,111].

Стабильность пробиотика заключается в сохранности необходимого количества бактерий в течение всего периода годности продукта. Степень стабильности пробиотика напрямую зависит от его штамма, а также от активности воды в продукте, режимов хранения. Поэтому при выборе пробиотика для создания продукта необходимо учитывать стабильность пробиотика [111].

Известно, что пробиотики полезны, но некоторые источники информируют о возможном вреде здоровью. Безопасность пробиотика было предложено

8

оценивать по таким критериям: отсутствие опасности вызывать бактериемию, легочные и подобные заболевания; отсутствие токсичности в кишечной среде; отсутствие генов, устойчивых к антибиотикам. Кроме этого, из-за возможной связи пробиотиков транслокациями (структурными изменениями хромосом) с инфекционными заболеваниями необходимо выбирать бактерии, не вызывающие транслокации. Продукт на основе бактерий, отвечающий выше пересиленным критериям, в полном смысле слова может быть назван пробиотическим [69,111].

В зависимости от свойств пробиотики могут быть условно разделены на иммуномоделирующие, метаболические и антимикробные [69].

При помощи достижений в биотехнологии и в совокупности с традиционными способами в пищевом производстве на рынке кисломолочных продуктов появляются все больше пробиотических продуктов с заданными химическим составом, биохимическими свойствами и уникальных по своему составу [70,80,89,113,119].

По материалам ООО «Центр инвестиционно-промышленного анализа и прогноза» рынок продуктов, обогащенных пробиотиками (это не только продукты питания, но и лекарственные препараты, БАДы), в России можно охарактеризовать, как относительно развитый. Половина рынка (в стоимостных показателях) готовых продуктов с пробиотиками принадлежит продуктам питания, а именно кисломолочным изделиям. Лишь 10% рынка обогащается пробиотиками от совокупного объема производства кисломолочных изделий. Поэтому перспективы рынка биомасс пробиотических культур огромны. [84].

Эффективные ассоциации пробиотических бактерий изучаются многими авторами. Бактерии в ассоциациях могут быть различными в зависимости от конечного воздействия на организм. Известно, что полезная микрофлора взрослого человека составляют в большей части бифидобактерии. При производстве продуктов функционального питания рекомендуют их комбинировать с другими микроорганизмами, прежде всего с культурами, обладающими выраженными протеолитическими свойствами, например, с молочнокислыми и пропионо-

9

вокислыми бактериями. При этом соотношение между этими микроорганизмами в продуктах должно составлять 9:1, что соответствует нормальному микробиоценозу в желудочно-кишечном тракте [33,136]. Поэтому большую часть в комбинированной закваске должны составлять бифидобактерии.

В настоящее время известно, что род бифидобактерий насчитывает 32 вида. Они впервые выделены учеником И.И.Мечникова - Henry Tisser в 1899 году. В 1905 году И.И.Мечников предпринял первую попытку использовать бифидобактерии в лечебных целях у больных острой диареей. В настоящее время продукты, содержащие бифидобактерии, относят к функциональному питанию [38].

Наиболее важное значение для желудочно-кишечного тракта человека играют B.bifidum, B.infantis, B.breve, B.longum и B.adolescentis, отличающиеся по метаболическим свойствам. Например, Bifidobacterium breve обладает выраженной антимикробной активностью в отношении стрептококков, устойчивых к антибиотикам и имунномоделирущим действием; Bifidobacterium longum - антагонист патогенных кишечных палочек; Bifidobacterium intantis проявляет выраженную противоопухолевую активность; Bifidobacterium adoliscentis - наиболее кислотообразующий вид, который появляется у человека только на третьем году жизни, уменьшает уровень мочевины в крови, снижает уровень холестерина в крови и является источником коротких жирных кислот. Видовой состав бифидобактерий во многом определяется характером питания. В настоящее время открыты новые разновидности — B.lactis, B.inopintanum, B.denticolens и другие [9,116,135,137].

Бифидобактерии обнаруживаются в количестве Ю8-Ю10 кое/см3 содержимого толстой кишки человека. Они синтезируют молочную и уксусную кислоты, но не образуют углекислый газ, являются облигатно-анаэробными бактериями и поэтому не растут в атмосфере содержащей кислород и на средах с окислительным потенциалом, хотя имеются данные зарубежных авторов об обратном, и составляют подавляющую часть облигатной пристеночной и полостной аутофлоры толстого кишечника, как у детей, так и у взрослых [56,70,141,149].

Антагонистическая активность бифидобактерий связана с синтезом органических кислот и бактериоцинов. Продукция ба