автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка технологии бактериального концентрата для продуктов гетероферментативного брожения



На правах рукописи

ХУРХЕСОВА ТАТЬЯНА ЕВДОКИМОВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО КОНЦЕНТРАТА ДЛЯ ПРОДУКТОВ ГЕТЕРОФЕРМЕНТАТИВНОГО БРОЖЕНИЯ

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

00554118-5

Улан-Удэ - 2013

005541183

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный

университет технологий и управления» (ВСГУТУ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Хамагаева Ирина Сергеевна

Официальные оппоненты: Хамнаева Нина Ивановна,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Социальный и технологический сервис» ВСГУТУ

Ширеторова Валентина Германовна

кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории химии и технологии природного сырья ФБГУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук

Ведущая организация: ГНУ «Бурятский научно-

исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии» (г. Улан-Удэ)

Защита диссертации состоится «19» декабря 2013 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.039.05 при ФГБОУ ВПО «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГУТУ. Автореферат разослан » ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета / ~ Столярова Анна Сергеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. У народов Восточной Сибири сложились многовековые этноэкологические традиции производства кисломолочных продуктов гетероферментативного брожения, особое место среди которых занимает куруи-га. В ходе развития технологии переработки молока была разработана рациональная схема производства национальных молочных продуктов. Курунгу не только употребляют как продукт питания, но и подвергают дистилляции для получения тонизирующего напитка «Тарасун» крепостью (11-16) % об., оставшийся белок «Бозо» используют для приготовления питательного напитка «Apea».

Курунга известна своими лечебными свойствами, обусловленными многокомпонентным составом микрофлоры. Естественно сложившаяся популяция микроорганизмов биопродукта содержит термофильные и мезофильные лакто-бактерии, ацетобактерии, дрожжи, сбраживающие и не сбраживающие лактозу. Курунга является уникальным вспомогательным средством, повышающим эффективность лечения туберкулеза, малокровия и расстройств пищеварения, а также укрепляющим средством при многих других болезнях.

В настоящее время, несмотря на высокие лечебные свойства курунги и кумыса, их промышленное производство не налажено. Основной причиной ограниченного ассортимента кисломолочных продуктов смешанного брожения является сложность воспроизведения и сохранения их микрофлоры, включающей различные виды лактобацилл, дрожжей и ацетобактерий. Попытки создания известных технологий производства курунговых заквасок с использованием чистых культур и микробного консорциума, полученного методом автоселекции микрофлоры кефирной закваски и термофильных лактобактерий, характеризу-щихся нестабильным составом микрофлоры, не получили широкого промышленного внедрения и не позволяют воссоздать уникальные свойства этих продуктов, с гарантированными качественными показателями.

В связи с этим является актуальной разработка бактериального концентрата для производства гетероферментативных продуктов, обладающих сбалансированным и стабильным составом микрофлоры. Организация промышленного производства курунги откроет новые перспективы развития регионального туризма в таком специфическом направлении как курунголечение.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 11-08-91161.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка технологии бактериального концентрата, обладающего устойчивым сбалансированным составом микрофлоры, идентичной естественной популяции микроорганизмов курунги.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- подобрать оптимальное соотношение культур кефирной грибковой закваски и термофильных лактобактерий в комбинированной закваске;

- подобрать условия культивирования микробного консорциума;

- исследовать адгезивные и антимутагенные свойства микробного консорциума;

- обосновать технологические параметры получения жидкого и замороженного концентрата микробного консорциума;

- предложить практические аспекты применения созданных бактериальных концентратов.

Научная новизна. Установлено, что совместное культивирование кефирной закваски. L.bulgaricus БЗ-БНВ. L.acidophilus БЗ-АНВ и L.helveticus З5.1 в соотношении 1:0.5:0,5:1 повышает биохимическую активность микробного консорциума и обеспечивает сбалансированное течение молочнокислого и спиртового брожения.

Обнаружено, что внесение в питательную среду ржаной муки активизирует рост дрожжей, не сбраживающих лактозу, мезофильных лактобактерий и интенсифицирует наращивание биомассы. Пищевые волокна, содержащиеся в ржаной муке, повышают адгезивные и антимутагенные свойства микробного консорциума.

Выявлено, что нормализованная смесь для приготовления напитка «Ар-са» является хорошей питательной средой для развития пропионовокислых бактерий, которые придают продукту пробиотические свойства

Практическая значимость работы. Основные результаты работы нашли практическое воплощение в разработке технологии жидкой и замороженной концентрированной закваски. Разработан биотехнологический способ обогащения напитка «Арса» пропионовокислыми бактериями. Опытно-промышленная проверка технологии бактериальных концентратов на базе малого инновационного предприятия (МИП) «Бифивит» при ВСГУТУ показала, что технологические параметры стабильно воспроизводятся в условиях производства. Качество концентрированных заквасок соответствует требованиям нормативной документации. Разработана и утверждена техническая документация на кисломолочный продукт «Курунга» (ТУ 9224-010-02069473-2012).

Апробация результатов работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на научных конференциях ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2008-2011), на международных научно-практических конференциях: «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул, 2008); «Региональный рынок товаров и услуг. Инновационные технологии и организация бизнеса» (г. Хабаровск, 2008); «Пути создания конкурентоспособных и безопасных продуктов» (г. Орел, 2008); «Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию» (г. Улан-Удэ, 2009); «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул, 2009); «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2010); «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2010).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе одна статья в журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, аналитического обзора, методической части, результатов эксперимента и их анализа, выводов, списка литературы и приложений.

Основная часть работы изложена на 143 страницах, включает 37 таблиц и 26 рисунков, 3 приложения. Список литературы включает 163 наименования.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная часть исследований проводилась в лаборатории кафедры «Технология молочных продуктов. Товароведение и экспертиза товаров» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

В процессе исследований использовались как стандартные, так и современные физико-химические, биохимические и микробиологические методы исследований.

Общая схема проведения эксперимента представлена на рисунке 1.

Показатели:

1. Адгезивные свойства

2. Активная кислотность

3. Антибиотическая активность

4. Количественный учет мезо-фильных лактобактерий

5. Количественный учет дрожжей, сбраживающих лактозу

6. Количественный учет дрожжей, не сбраживающих лактозу

7. Количественный учет термофильных лактобактерий

8. Контаминация

9. Массовая доля молочной кислоты

10. Массовая доля сухих веществ

11. Микроскопический препарат

12. Общее количество дрожжей

13. Определение БГКП

14. Оптическая плотность

15. Органолептическая оценка

16. Показатели безопасности

17. Протеолитическая активность

18. Содержание этилового спирта

19. Титруемая кислотность

20. Антимутагенные свойства

Рисунок 1 - Схема проведения эксперимента

В ходе экспериментальных исследований определяли следующие показатели: адгезивные свойства изучали на формалинизированных эритроцитах по

развернутому методу В.И. Брилис; активную кислотность - потенциометриче-

ским методом по ГОСТ 26781-85; антибиотическую активность - методом

последовательных разведений по методике М.С. Полонского; количественный учет термофильных и мезофильных лактобактерий проводили на среде КМА-ФАнМ при температуре 40 и 30 °С соответственно; количество дрожжей, сбраживающих лактозу, - на лактозно-картофельном агаре; дрожжей, не сбраживающих лактозу, - на глюкозно-картофельном агаре; наращивание биомассы - по оптической плотности фотоколориметрическим методом на концентрационном фотоэлектрическом колориметре КФК - 2 при 1=550 нм; морфологию клеток -окрашиванием метиленовым синим или по Граму; контаминацию - по ГОСТ Р 53430-2009; количество спирта - пикнометрическим методом; антимутагенные свойства - по тесту Эймса.

Полученные экспериментальные данные статистически обрабатывали методами математического и корреляционного анализа на ЭВМ, используя пакет стандартных программ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Подбор условий культивирования кефирной грибковой закваски и термофильных лактобактерий

Естественная популяция микроорганизмов кисломолочных продуктов ге-тероферментативного брожения представляет собой симбиоз различных видов термофильных и мезофильных лактобактерий, дрожжей, сбраживающих и не сбраживающих лактозу, ацетобактерий.

Ранее была разработана технология приготовления курунговой закваски с использованием длительного метода полунепрерывного культивирования, который составляет трое суток.

В связи с этим для сокращения продолжительности получения инокулята и повышения его ферментативной активности исследовали возможность использования активного кислотообразователя Ь. ИеЫеИсш 35.! при формировании микробного консорциума. Культура характеризуется высокой протеолитической активностью, скорость свертывания молока составляет (3-5) ч.

Нами установлено, что Ь.кеЬ/еИсш встречается в составе естественно сложившихся популяций кисломолочных продуктов гетероферментативного брожения и находится в симбиозе с другими представителями их микрофлоры.

Для исследований были выбраны следующие соотношения кефирной закваски, Ь.Ьи^аг1СШ, Ь.аас1орЫ1из и Ь.ИеЬеИсиз 35_! соответственно: 1:0,5:0,5:0,5 (образец №1), 1:0,5:0,5:1 (образец №2); 1:0,5:0,5:1,5 (образец №3). В качестве контроля использовали ранее выбранное соотношение микроорганизмов кефирной закваски, ацидофильной и болгарской палочек 1:0,5:0,5 соответственно.

Основными критериями формируемого инокулята являются его кислотообразующая активность, продолжительность ферментации молока и сбалансированный рост микрофлоры. Для создания благоприятных условий для роста дрожжей, не сбраживающих лактозу, и термофильных лактобактерий сквашивание образцов проводили при температуре 30 °С. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Подбор оптимального соотношения кефирной закваски,! L. acidophilus, L. bulgaricus и L. helveticus

Наименование Значения в образцах

контроль №1 №2 №3

Активность сквашивания, ч 8-10 8-10 8-10 8-10

Кислотность, °Т 70 100 120 155

Активная кислотность, ед. рН 4,8 4,3 3,9 3,5

Количество жизнеспособных клеток, к.о.е./см3: дрожжей, сбраживающих лактозу; дрожжей, не сбраживающих лактозу; мезофильных лактобактерий; термофильных лактобактерий 3-Ю4 4-Ю3 7-Ю8 2-Ю7 9-Ю5 6-Ю3 1-Ю8 8-Ю8 8-Ю6 4-Ю4 4-Ю7 1-Ю9 2-Ю4 5-Ю4 1-Ю6 9-Ю9

Массовая доля этилового спирта, % об. 0,2 0,5 0,6 0,5

Массовая доля молочной кислоты, мг/см3 634 675 752 845

Протеолитическая активность, мкг/мл 160 165 173 185

Из данных, представленных в таблице 1, видно, что динамика титруемой и активной кислотности пропорциональна увеличению дозы L. helveticus в комбинированной закваске. Так, в опытных образцах №2 и №3 титруемая кислотность за (8-10) ч достигает (120-140) °Т, в контроле этот показатель составляет 70 °Т.

Отмечен активный рост дрожжей, сбраживающих лактозу, в образце №2 их количество составляет 8-Ю6 к.о.е./см3.

Рост дрожжей сопровождается активизацией спиртового брожения. Наибольшее количество спирта и молочной кислоты наблюдается в опытном образце №2 при сочетании кефирной закваски, L.bulgaricus, L.acidophilus и L. helveticus 35_, 1:0,5:0,5:1.

Введение в состав заквасочных культур L. helveticus повышает протеоли-тическую активность микробного консорциума и способствует повышению кислотообразующей способности. Однако чрезмерное повышение кислотности ведет к снижению количества мезофильных лактобактерий и дрожжей, не сбраживающих лактозу (образец №3).

Следует отметить, что сбалансированное течение молочнокислого и спиртового брожения в микробном консорциуме отмечено в образце №2, что способствует формированию характерных органолептических свойств для продуктов гетероферментативного брожения. Полученные данные свидетельствуют о том, что оптимальным соотношением микроорганизмов кефирной грибковой закваски, L.bulgaricus, L.acidophilus, L.helveticus является 1:0,5:0,5:1, которое способствует увеличению количества дрожжей, сбраживающих лактозу, параллельному развитию молочнокислого и спиртового брожения, обеспечивает достижение оптимального значения pH среды за (8-10) ч.

Подбор условий культивирования микробного консорциума

При подборе питательных компонентов для наращивания биомассы ку-рунгового микробного консорциума решалась проблема повышения содержания дрожжей, не сбраживающих лактозу и мезофильных лактобактерий, так как их значение в инокуляте составляет 104 и 10б к.о.е./см3 соответственно.

В связи с этим исследовали возможность использования ржаной муки в качестве компонента питательной среды для наращивания биомассы микробного консорциума. Ржаная мука содержит все питательные вещества (углеводы, белковые вещества, минеральные вещества, витамины), необходимые для развития микробного консорциума курунги. Углеводы ржаной муки состоят из клетчатки, пентозанов, гемицеллюлоз, крахмала, декстринов, мальтозы, глюкозы и других Сахаров. Значительная часть полисахаридов и белковых веществ является водорастворимой.

По аминокислотному составу белки ржаной муки характеризуются высоким содержанием незаменимых аминокислот - лизина, аргинина и треонина.

Для проведения исследований в питательную среду на осветленной творожной сыворотке с ростовыми компонентами дополнительно вносили различные дозы ржаной муки. Затем питательные среды подвергали стерилизации при температуре 121 °С в течение 30 мин и охлаждали до

30 °С, вносили 5 % инокулята и проводили культивирование. Контролем служила ранее разработанная питательная среда с добавлением 10% картофельного отвара.

Результаты исследований представлены на рисунке 2.

Ф 1 % ржаной муки -•-2 % ржаной муки

— -Д — 3 % ржаной муки

— -М — контроль

Рисунок 2 - Влияние ржаной муки на динамику накопления биомассы

Данные рисунка 2 свидетельствуют о том, что при внесении 2% ржаной муки интенсифицируется прирост биомассы микробного консорциума.

Дальнейшее повышение дозы ржаной муки до 3% приводит к увеличению содержания сухих веществ питательной среды и оказывает угнетающее действие на развитие микроорганизмов микробного консорциума.

Результаты количественного учета микроорганизмов в исследуемых образцах представлены на рисунках 3 и 4.

к 1% 2% 3% Ё1 Дрожжи, сбраживающие лактозу

□ Мезофильные лактобактерии 0 Термофильные лактобактерии

1 - контроль;

2 - 1% ржаной муки;

3 - 2% ржаной муки; 4-3% ржаной муки

Рисунок 3 - Влияние дозы ржаной

муки на количественный состав дрожжевой микрофлоры биомассы

1 - контроль;

2 - 1 % ржаной муки;

3 - 2% ржаной муки;

4 - 3% ржаной муки

Рисунок 4 - Влияние дозы ржаной муки на количественный состав лактобактерий биомассы

Количественный учет микроорганизмов свидетельствует о том, что внесение ржаной муки, активизирует рост дрожжей, не сбраживающих лактозу, и повышает количество клеток до МО8 к.о.е./см3, а мезофильных лактобактерий -3-Ю11 к.о.е./см3.

В результате исследований установлено что введение в питательную среду 2% ржаной муки интесифицирует рост дрожжей, не сбраживающих лактозу и мезофильных лактобактерий.

Исследование адгезивных и антимутагенных свойств микробного консорциума

Адаптация к факторам внешней среды обеспечивается механизмами, гарантирующими стабильность микробного консорциума. К таким механизмам относится адгезия бактерий. Адгезивная активность позволяет клетке не только увеличить свою популяцию, но и противостоять воздействию неблагоприятных факторов внешней среды, проявлять антагонизм по отношению к другим бактериям.

В связи с этим нами изучены адгезивные свойства микробного консорциума. Об адгезивности микробного консорциума судили по индексу адгезивно-сти микроорганизмов (ИАМ).

Результаты исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Влияние ржаной муки на адгезивные свойства микробного консорциума

Питательная среда Средний показатель адгезивности (СПА) Коэффициент участия эритроцитов (КУЭ),% Индекс адгезивности иикроорганизмов (ИАМ) Адгезивные свойства

Контроль (с добавлением 10 % картофельного отвара) 3,2 79 4,0+1,5 Средне адгезивные

Опыт (с добавлением 2 % ржаной муки) 4,6 85 5,4+1,1 Высоко адгезивные

Данные, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что внесение ржаной муки для наращивания биомассы микробного консорциума повышает адгезивные свойства, на что указывает индекс адгезивности (ИАМ=5,4).

На основании полученных данных можно считать, что изменение адгезивности связано с повышением концентрации сухих веществ питательной среды и их влиянием на процессы формирования микробного консорциума. Присутствие в питательной среде ржаной муки, содержащей твердые частицы клетчатки, способствует иммобилизации микроорганизмов на их поверхностях. В составе агрегатов микроорганизмы находятся в тесном соседстве и погружены в матрикс, состоящий из поверхностных клеточных структур, экзометаболитов и адсорбированных коллоидных компонентов ржаной муки. Матрикс не только пространственно удерживает микроорганизмы, но и связывает их между собой, защищая от неблагоприятных физико-химических факторов, обеспечивая в целом сбалансированный состав микробного консорциума.

Следует отметить, что в естественных условиях обитания микроорганизмы постоянно подвергаются действию мутагенов. Различные микроорганизмы в процессе метаболизма образуют вещества с антимутагенным действием, содержание которых зависит от условий культивирования.

Поэтому в дальнейших исследованиях изучали влияние условий культивирования на антимутагенную активность микробного консорциума. Результаты исследований представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Исследование антимутагенной активности микробного консорциума

Питательная среда Среднее число ревертантов на чашку Ингибирование,%

Контроль (с добавлением 10 % картофельного отвара) 342 42

Опыт (с добавлением 2 % ржаной муки) 130 65

Из данных, представленных в таблице 3, видно, что антимутагенная активность микробного консорциума в питательной среде с 2% ржаной муки, значительно выше, чем в контроле, что объясняется наличием пищевых волокон ржаной муки.

Совокупность проведенных исследований позволяет утверждать, что использование ржаной муки при производстве бактериального концентрата для продуктов гетероферментативного брожения придает им высокие адгезивные свойства и повышает антимутагенную активность.

Обоснование технологических параметров жидкого и замороженного бактериального концентрата

На основании полученных экспериментальных данных разработана технология производства жидкого и замороженного бактериального концентрата для производства продуктов гетероферментативного брожения. Схема представлена на рисунке 5.

Жидкий бактериальный концентрат

Рисунок 5 - Технологическая схема производства бактериального концентрата микробного консорциума

Средой для получения биомассы симбиотической закваски служит творожная сыворотка с добавлением буферных солей и факторов роста с дополнительным внесением ржаной муки.

Качественная характеристика полученного бактериального концентрата показана в таблице 4.

Таблица 4 - Качественная характеристика бактериального концентрата

Наименование показателя Характеристика концентрата

жидкий замороженный

Консистенция и внешний вид Однородная жидкость, допускается отделение сыворотки Столбик замороженной суспензии

Цвет От светло-желтого до кремового с темно-коричневыми включениями ржаной муки От светло-желтого до кремового с темно-коричневыми включениями ржаной муки

Вкус и запах Чистый, кисломолочный с привкусом дрожжей и ржаной муки Чистый, кисломолочный

Массовая доля сухих веществ, % 7,2±0,5 9,4±0,5

Активная кислотность (рН) 4,5-6,5 4,5 - 6,5

Активность сквашивания молока до кислотности сгустка 120°Т, ч 10-12 10-12

Температура при выпуске с предпри-гия, °С, не более плюс 6 минус 20

Продолжительность хранения, мес 3 6

Количество микроорганизмов, к.о.е./см3, не менее: термофильных лактобактерий мезофильных лактобактерий дрожжей, не сбраживающих лактозу дрожжей, сбраживающих лактозу 1-Ю'0 М0'° 1-Ю8 1-Ю8 МО10 МО10 МО7 МО7

Микрокаргина Тонкие палочки, округлые клетки дрожжей, одиночные и/или скопления в гроздья

БГКП (колиформы), в 10 см3 отсутствуют

Патогенные микроорганизмы, в т. ч. стафилококки, сальмонеллы, в 25 см3 отсутствуют

Из данных, представленных в таблице 4, видно, что бактериальный концентрат обладает высокой биохимической активностью и характеризуется сбалансированным соотношением лактобактерий и дрожжей. Высокая биохимическая активность замороженного бактериального концентрата свидетельствует о криоустойчивости микрофлоры, обусловленной, вероятно, высокой адгезивно-стью и защитным действием полисахаридов, содержащихся в ржаной муке.

Практические аспекты применения бактериального концентрата

С применением жидкого бактериального концентрата была разработана технология кисломолочного продукта гетероферментативного брожения - ку-рунга.

На первом этапе была выбрана доза бактериального концентрата из расчета 3 ед. активности концентрата на 200 л молока, продолжительность ферментации составила (8-10) ч, далее продукт отправляют на созревание.

На формирование традиционных для ку-рунги органолептических свойств наибольшее влияние оказывает спиртовое брожение.

На следующем этапе исследований нами было изучено влияние условий созревания на динамику спиртового брожения. Для этого ферментированное до 140 °Т молоко направляли на созревание при различных температурах.

Динамика накопления спирта при созревании представлена на рисунке б.

Из рисунка 6 видно, что процесс спиртового брожения зависит от температуры. Активное развитие спиртового брожения отмечено при температуре созревания (12±2) °С. При этом содержание спирта через 72 ч составила 1,2 % об. При снижении температуры созревания процесс спиртового брожения замедляется. При температуре (6±2) °С содержание спирта составляет 1,0 % об, а при (4±2) °С - 0,7 % об.

Из полученных данных следует, что оптимальной температурой созревания курунги является (6±2) °С.

Готовый продукт оценивали по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям.

Характеристика готового продукта представлена в таблице 5.

Анализ данных таблицы 5 свидетельствует о том, что готовый продукт «Курунга» обладает слегка газированной, с хлопьевидным сгустком, консистенцией с щиплющим острым вкусом и выраженным запахом спиртового брожения, характерным для курунги. Необходимо отметить, что использование бактериального концентрата позволяет получить продукт с многокомпонентной микрофлорой, содержащей сбалансированное соотношение дрожжей и лактобакте-рий. Подобранные технологические режимы производства и микрофлора бактериального концентрата формируют свойственные курунге потребительские свойства.

—♦—(4±2)°С —«—(6±2)°С —*—(12±2)°С

Рисунок 6 - Влияние температуры созревания на динамику спиртового брожения

Таблица 5 — Характеристика кисломолочного продукта «Курунга»

Наименование показателей Характеристика

Вкус и запах Чистый, кисломолочный, слегка щиплющий с дрожжевым привкусом

Цвет Молочно-белый

Консистенция Жидкая, без отделения сыворотки слегка газированная, с хлопьевидным сгустком

Кислотность, °Т 140±5

Содержание этилового спирта, % об. 1,0

Количество жизнеспособных клеток, к.о.е./см3, не менее дрожжи; мезофильные лактобактерии; термофильные лактобактерии 1107 1-Ю8 1-109

Клетки в микроскопическом препарате Незернистые палочки, скопления дрожжей в гроздья

БГКП (колиформы), в 0,01 см3 продукта Не допускаются

Патогенные, в т.ч. сальмонеллы в 25 см3 Не допускаются

aureus, в 1,0 см3 продукта Не допускаются

После дистилляции «Курунги» образуются тонизирующий алкогольный напиток «Тарасун» и белок «Бозо». Качественная характеристика представлена в таблице 6.

Таблица 6 - Качественная характеристика национальных напитков

Наименование показателя Характеристика показателя

«Арса» «Био-Арса»

Внешний вид и консистенция Жидкая, однородная, крупитчатая В меру вязкая, неоднородная, допускается незначительная кру-питчатость.

Вкус и запах Кисломолочный без посторонних привкусов и запахов Кисломолочный, без посторонних привкусов и запахов

Цвет Молочно-белый, равь допускается к омерный по всей массе, ремовый оттенок

Массовая доля сухих веществ, % Массовая доля жира, % Кислотность, °Т Температура при выпуске с предпрятия, °С 13±0,5 1 40-80 6 14±0,5 1 60-80 6

Количество пропионовокислых бактерий, к.о.е./см3, не менее отсутствуют 1-Ю8

БГКП (колиформы), в 0,01 см3 продукта отсутствуют

Патогенные, в т.ч. сальмонеллы в 25 см3 отсутствуют

5. aureus, в 1,0 см3 продукта отсутствуют

. Напиток «Apea» готовится по специальной рецептуре с добавлением воды, муки и белка «Бозо» с последующей пастеризацией. Для улучшения функциональных свойств напитка «Арса» нами разработан биотехнологический способ обогащения пропионовокислыми бактериями, синтезирующими широкий спектр ценных метаболитов.

Как видно из данных, представленных в таблице 6, «Арса» обладает хорошими органолептическими свойствами. «Био-Арса» содержит высокое количество жизнеспособных клеток пропионовокислых бактерий и обладает высокими потребительскими свойствами.

Выводы

1. В результате проведенных исследований разработан бактериальный концентрат на основе сочетания кефирной закваски и чистых культур

L. acidophilus, L. bulgaricus и L. helveticus в соотношении 1:0,5:0,5:1 для производства продуктов гетероферментативного брожения.

2. Установлено, что внесение в питательную среду 2% ржаной муки активизирует рост дрожжей, не сбраживающих лактозу, мезофильных лактобакте-рий и интенсифицирует рост микроорганизмов консорциума.

3. Наличие пищевых волокон ржаной муки повышает адгезивные и антимутагенные свойства микробного консорциума и способствуют устойчивости клеток микроорганизмов к неблагоприятным условиям внешней среды.

4. Подобраны технологические режимы производства и микрофлора бактериального концентрата, которые формируют свойственные курунге потребительские свойства.

5. Разработан биотехнологический способ обогащения тонизирующего напитка «Арса» пропионовокислыми бактериями, которые придают продукту пробиотические свойства.

6. Опытно-промышленная проверка технологии бактериальных концентратов на базе МИП «Бифивит» показала, что технологические параметры стабильно воспроизводятся в условиях производства. Готовый продукт соответствует требованиям нормативной документации.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Занданова Т.Н. Построение математической модели прогнозирования уровня качества «Био-Арсы» / Т.Н. Занданова, И.С. Хамагаева, Т.Е. Хурхесова, A.C. Письмак // Сб. науч. тр. Серия: Биотехнология. Технология пищевых продуктов. Вып. 15. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2008. С. 17-20.

2. Занданова Т.Н. Оптимизация рецептуры молочного напитка «Арса» / Т.Н. Занданова, Т.Е. Хурхесова // Мат-лы XI междунар. науч.-практ. конф. «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008. С. 247-250.

3. Хамагаева И.С. Исследование биохимической активности пропионовокислых бактерий на комбинированном сырье / И.С. Хамагаева, Т.Е. Хурхесова II Сб. науч. тр. Вып. 15. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2008. С.186-188.

15

4. Занданова Т.Н. Совершенствование технологии национального напитка «Арса» / Т.Н. Занданова, Т.Е. Хурхесова // Мат-лы междунар. науч.-практ. конф. «Региональный рынок товаров и услуг. Инновационные технологии и организация бизнеса». Хабаровск, 2008. С. 22-23.

5. Хамагаева И.С. Исследование условий ферментации «Био-Арса»/ И.С. Хамагаева, Т.Н. Занданова, Т.Е. Хурхесова // Мат-лы XI междунар. науч.-практ. конф. «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». Барнаул, 2008. С. 218-220.

6. Хамагаева И.С. Влияние дозы закваски на рост пропионовокислых бактерий при разных температурах ферментации / И.С. Хамагаева, Т.Н. Занданова, Т.Е. Хурхесова // Мат-лы междунар. интернет-конф. «Пути создания конкурентоспособных и безопасных продуктов». Орел, 2008. С. 188-190.

7. Занданова Т.Н. Совершенствование технологии молочного продукта «Арса» / Т.Н. Занданова, И.С. Хамагаева, Т.Е. Хурхесова // Сб. науч. тр. Серия: Биотехнология. Технология пищевых продуктов. Вып. 16. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2009. С. 104-106.

8. Хамагаева И.С. Симбиотическая закваска для производства курунги / И. С. Хамагаева, Т.Н. Занданова, Т.Е. Хурхесова // Пищевая промышленность. 2009. №7. С. 48 - 49.

9. Хурхесова Т.Е. Оптимизация питательной среды для получения бактериального концентрата / Т.Е. Хурхесова, И.С. Хамагаева, Т.Н. Занданова // Сб. науч. тр. Серия: Биотехнология. Вып. 17. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. 2010. С. 221-223.

10. Занданова Т.Н. Питательная среда для наращивания биомассы симбио-тической закваски / Т.Н. Занданова, Т.Е. Хурхесова // Мат-лы III Всерос. науч.-практ. конф. «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности». Бийск. 2010. С. 259-261.

11. Хамагаева И.С. Оптимизация питательной среды для получения концентрата симбиотической закваски / И.С. Хамагаева, Т.Н. Занданова, Т.Е. Хурхесова, Тиансонг Сан // Сб. науч. тр. Серия: Биотехнология. Вып. 18. Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2011. С. 3-6.

Подписано в печать 14.11.2013 г. Формат 60x84 1/16 Усл.печ.л.1.16. Тираж 100 экз. Заказ № 355

Издательство ВСГУТУ 670013. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в ©ВСГУТУ, 2013

ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет

технологий и управления»

На правах рукописи

о»

ХУРХЕСОВА ТАТЬЯНА ЕВДОКИМОВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО КОНЦЕНТРАТА ДЛЯ ПРОДУКТОВ ГЕТЕРОФЕРМЕНТАТИВНОГО БРОЖЕНИЯ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Хамагаева И. С.

Улан-Удэ - 2013

л

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................ 4

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований......................................................6

1.1 Пробиотические свойства кисломолочных продуктов гетерофермен-тативного брожения........................................................................................................................6

1.2 Характеристика видового состава заквасок для продуктов гетероферментативного брожения................................................ 14

1.3 Биотехнологические свойства пропионовокислых бактерий........... 26

1.4 Заключение по литературному обзору и задачи исследований......... 35

Глава 2 Организация проведения экспериментов. Материалы и методы исследований....................................................................................................................................................37

2.1 Объекты исследований и постановка эксперимента...................... 37

2.2 Физико-химические методы исследований................................................................39

2.3 Микробиологические методы исследований............................................................41

2.4 Реологические методы исследований..............................................................................47

Глава 3 Подбор условий культивирования кефирной грибковой закваски и термофильных лактобактерий......................................................................................................48

3.1 Подбор оптимального соотношения кефирной закваски и термофильных лактобактерий.................................................................... 48

3.2 Влияние дозы инокулята на выход биомассы микробного консорциума. 5 \

3.3 Влияние ржаной муки на накопление биомассы микробного консорциума..................................................................................... 53

3.4 Исследование адгезивных и антимутагенных свойств микробного

консорциума............................................................................ 57

Глава 4 Разработка технологии жидкого и замороженного бактериального концентрата....................................................................................................................................................^

4.1 Обоснование технологических параметров жидкого и замороженного бактериального концентрата......................................................... ^

4.2 Исследование качественных показателей бактериального концентрата микробного консорциума........................... ................................. 62

4.3 Исследование сроков хранения жидкого бактериального концентрата 55

4.4 Исследование сроков хранения замороженного бактериального концентрата............................................................................. 66

4.5 Исследование антибиотической активности биомассы микробного консорциума........................................................................................................................................................70

4.6 Применение бактериального концентрата микробного консорциума для производства кисломолочного продукта «Курунга»............................................71

Глава 5 Разработка технологии и качественная характеристика напитка «Арса» и биопродукта «Био-Арса» 80

5.1 Обоснование технологических параметров производства биопродукта «Арса» 80

5.2 Технология производства биопродукта «Био-Арса» 84

5.2.1 Подбор условий культивирования пропионовокислых бактерий в белково-растительной смеси для производства «Био-Арса» 84

5.2.2 Выбор оптимальной дозы инокулята и уточнение технологических параметров производства биопродукта «Био-Арса» 96

5.3 Технологическая схема производства напитка «Арса» и биопродукта «Био-Арса» 98

5.4 Исследование сроков хранения напитка «Арса» и биопродукта «Био-Арса» 103 Глава 6 Расчет экономической эффективности бактериального концентрата микробного консорциума............................................ 105

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

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

Приложения............................................................................ 139

Введение

В современных условиях на фоне роста использования генно-модифицированных заквасочных культур классическая селекция микроорганизмов из естественной среды остается актуальным источником производственно-ценных штаммов. Эволюция в природе приводит к постоянному обновлению генетического фонда микрофлоры, а условия таким изменениям задает сама природа и человек. Источниками для селекции в большинстве своем по-прежнему являются самоквасные кисломолочные продукты, микрофлора которых претерпела значительные изменения за последние годы. Многие кисломолочные продукты полученные сквашиванием молока спонтанной микрофлорой обладают уникальными лечебными свойствами.

Курунга и кумыс - национальные кисломолочные продукты гетерофер-ментативного брожения, издавна используемые в сочетании с антибиотиками для предупреждения и лечения различных форм туберкулеза, желудочно-кишечных и сердечно-сосудистых заболеваний, при авитаминозе и нарушениях обмена веществ, при заболеваниях нервной системы и общем упадке сил. Лечебные свойства этих продуктов обусловлены их микробиологическим составом. Микрофлора этих напитков содержит термофильные и мезо-фильные лактобактерии, ацетобактерии, дрожжи сбраживающие и не сбраживающие лактозу. Пробиотическое действие курунги и кумыса обусловлено метаболитами микрофлоры обладающих выраженным антагонизмом к возбудителям инфекций и иммуностимулирующим действием. Особая биологическая ценность курунги и кумыса определяется высоким содержанием азотистых веществ, находящихся в растворимой форме (около 50%).

В настоящее время, несмотря на высокие лечебные свойства курунги и кумыса не налажено их промышленное производство. Основной причиной ограниченного ассортимента кисломолочных продуктов смешанного брожения сложность воспроизведения и сохранения их микрофлоры, включающей различные виды лактобацилл, дрожжей и ацетобактерий.

Попытки создания технологии приготовления этих продуктов на чистых культурах не получили широкого промышленного внедрения и не позволяют воссоздать уникальные свойства этих продуктов.

Поэтому изучение механизма создания микробных консорциумов, идентичных по своему составу естественной микрофлоре кисломолочных продуктов гетероферментативного брожения, представляется задачей актуальной в научном и практическом аспектах.

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований

1.1 Пробиотические свойства кисломолочных продуктов гетероферментативного брожения

В последние годы концепция оздоровления человека и предупреждения старения организма путем включения в рацион кисломолочных продуктов развивается в направлении определения звеньев механизма, которые в целом характеризуются как пробиотическое воздействие. Пробиоти-ки - живые микроорганизмы или ферментируемые ими продукты, которые оказывают благотворный эффект на здоровье человека и животных, в большей степени реализующийся в желудочно-кишечном тракте. С помощью антагонистически активных молочнокислых микроорганизмов происходит элиминация гнилостной микрофлоры и прекращение всасывания в кровь ее токсичных метаболитов.

Большинство специалистов и исследователей относят к бактериям-пробиотикам, в основном так называемые эубиотики - представители нормальной микрофлоры кишечника и других полостей организма, чаще всего бифидобактерии и молочнокислые микроорганизмы рода Lactobacillus.

Наибольшее количество пробиотиков выделено из кишечника человека. Именно эти бактерии, колонизируя желудочно-кишечный тракт, берут на себя основную защитную функцию. Вместе с тем, достаточно фактических данных, свидетельствующих о наличии пробиотических свойств у молочнокислых палочек и кокков, не встречающихся в кишечнике человека, и у других микроорганизмов: грамположительных - Propionibacter, Bacillus, граммотрицательных - Esherichia coli., Citrobacter, дрожжей -Saccharomyces, Candida pintolepsii и грибов, в том числе высших -Aspergillus, Rizopus, Cordiceps [44, 54].

Микроорганизмы, входящие в состав пробиотиков, хорошо приживаются в естественной среде и продуцируют биологически активные вещества: витамины, антибиотики, ферменты и другие метаболиты. Они тонким

слоем покрывают эпителий слизистых оболочек, вытесняют условно-патогенную микрофлору, нормализуют физиологические процессы, предотвращают дисбактериоз и другие расстройства органов пищеварения, что способствует улучшению усвоения пищи и повышает резистентность организма [54].

В этом отношении заслуживают внимание протосимбиотические ассоциации заквасочной микрофлоры таких кисломолочных продуктов как кумыс, курунга, кефир. Поскольку вырабатываемые ими метаболиты реализуются наряду с антагонизмом микроорганизмов закваски к возбудителям инфекций через механизм неспецифической иммуностимуляции.

Об этом свидетельствует опыт использования кумыса при терапии туберкулеза и результаты научных исследований антинеопластических свойств кефирной закваски [68,72,73].

Изучение лечебных свойств кефирной закваски в нашей стране и за рубежом показали, что полисахарид кефирных грибков активизирует про-теолитическую активность ферментов желудочно-кишечного тракта.

Японские ученые установили, что водорастворимый полисахарид, выделенный из кефирных грибков, повышает иммунитет организма и подавляет развитие злокачественных опухолей.

Высоколечебное и диетическое значение кефира и кумыса обуславливается симбиозом молочнокислых бактерий и дрожжей с их способностью синтезировать антибиотики и витамины [5,44].

При изучении дрожжей, сбраживающих лактозу, входящих в состав кефирной закваски, было обнаружено, что они выделяют антибиотические вещества, задерживающие развитие сапрофитных микроорганизмов.

Большинство авторов считают, что для достижения типичного вкуса кефир должен содержать определенный минимум лактозоферментирую-щих дрожжей - 105 к.о.е./см3 [54].

Установлено, что такие дрожжи как К1. 1ас1лз, К1. й^Шэ и С. рэеисЫгорюаНз, сбраживающие лактозу и характерные для микрофлоры

кефира, кумыса и курунги, обладают высокой спиртообразующей способностью [125].

Бактерицидное действие спирта на все микроорганизмы увеличивается с повышением кислотности среды, поэтому совместное культивирование дрожжей и молочнокислых микроорганизмов и накопление ими одновременно молочной кислоты и спирта повышает защитные свойства данного сообщества и не допускает развитие в них посторонней микрофлоры.

Большинство молочнокислых бактерий для своего развития нуждаются в ряде витаминов и аминокислот. Дрожжи обладают большей способностью к синтезу биологически активных веществ, они обогащают среду рядом экстрацеллюлярных продуктов своего метаболизма, и делают ее благоприятной для развития молочнокислых бактерий. В процессе автолиза дрожжевых клеток в среду выделяется много аминокислот и витаминов, поэтому молочнокислые бактерии в присутствии дрожжей могут развиваться на средах, на которых они самостоятельно не развиваются. Под действием спирта тормозится скорость клеточного деления, это приводит к замедлению старения популяции и повышению продолжительности жизни молочнокислых бактерий совместно с дрожжами по сравнению с чистыми культурами [132].

Накапливающиеся молочная, уксусная, сорбиновая, пропионовая и бензойная кислоты также обладают антимикробным действием.

В таких продуктах как кефир, кумыс, курунга совместная деятельность обеих групп микроорганизмов, развивающихся в определенных соотношениях, обуславливает определенное их качество.

Установлено, что дрожжи вместе с молочнокислыми бактериями образуют стойкую ассоциацию и участвуют в создании здорового микробиоценоза, благоприятствующего замедлению старения организма.

Исследования последних лет показывают, что в пробах содержимого кишечника долгожителей наряду с дрожжевой микрофлорой определяется наличие молочнокислых бактерий. Оказалось, что повышение содержания

дрожжей в кишечнике долгожителей коррелирует с высоким количеством молочнокислых бактерий.

Антагонизм молочнокислых бактерий обусловлен способностью образовывать специфические антибиотические вещества: Str. lactis - низина, Str.cremoris - диплококкцина, L.acidophilus - ацидофилина и лактоцидина, L.plantarum - лактолина, L.brevis - бревина и др. [134].

Антибиотики, являясь специфическими продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, обладают высокой физиологической активностью по отношению к определенным патогенным группам, вирусам или злокачественным опухолям, задерживая их рост или полностью подавляя их развитие [132].

Механизм действия антибиотиков различен: одни из них ингибируют синтез клеточной стенки, в результате чего образуются протопласты - сферические структуры, лишенные клеточной стенки, которые затем лизиру-ются автолитическими ферментами, другие - ингибируют синтез белка, нарушая функции рибосом, третьи - нуклеиновых кислот, задерживая рост бактерий, грибов, опухолевых клеток [142].

Антибиотики в отличие от спиртов, которые тоже подавляют рост микроорганизмов, обладают высокой биологической активностью, являясь конечными продуктами метаболизма. Особенность образования антибиотиков - наследственно закрепленный тип обмена веществ их продуцентов.

Наиболее активные продуценты антибиотических веществ встречаются среди стрептомицетов, спорообразующих бактерий и мицелиальных грибов. Актиномицетами и дрожжами продуцируются антибиотики, подобные канамицину и стрептомицину - широко используемым противотуберкулезным соединениям. В целом мицеллиальные грибы образуют 1200 антибиотиков [42].

В отличие от общебиологических ядов антибиотики проявляют свое действие избирательно - одни подавляют рост ограниченного числа видов микроорганизмов, другие имеют широкий спектр действия.

Применение химиотерапевтических средств существенно повлияло на постоянную микрофлору человека, изменив симбиотическое равновесие микрофлоры кишечника. Основная причина развития заболеваний, связанных со сдвигами в составе нормальной аутофлоры, состоит в нарушении механизмов иммунологического гомеастаза организма. Кроме того, анти-биотикрезистентные микроорганизмы, заселяющие кишечник при дисбак-териозе, отличаются от нормальной микрофлоры по обмену веществ и не способны выполнять многие важные физиологические функции, присущие нормальной микрофлоре [142].

Нормальная микрофлора формирует естественный иммунитет, продукты её жизнедеятельности подавляют рост возбудителей болезней. При нарушении экологического равновесия между микробами популяции в макроорганизме, нерациональном применении антибиотических препаратов, подавлении микробов-антагонистов, которые регулируют состав организмов в биоценозе, создаются условия, благоприятные для условно-патогенной микрофлоры и, как следствие, развивается дисбактериоз [143].

Вещества, определяющие устойчивость штаммов к лекарственным препаратам, относятся к плазмидам, представляющим собой небольшие кольцевые молекулы ДНК в клетках микроорганизмов и несущим генетическую информацию воздействовать на определенные субстраты и их признаки [142].

Устойчивость возникает у микробов в трансмиссибельных плазмидах, содержащих гены устойчивости (Я-фактор), которые вырабатывают ферменты, инактивирующие антибиотики и другие лекарственные вещества.

Поэтому, в связи с широким применением антибиотиков и вызываемых ими изменений в микрофлоре кишечника, а также связанных с дис-бактериозом патологий, необходимо в комплексе лечебных средств применять препараты живых микробов нормальной кишечной микрофлоры, получившие признание абсолютного большинства ученых [145].

Установленная в последние годы способность молочнокислых бактерий стимулировать образование интерферона и выводить радионуклеиды позволяет говорить о необходимости получения высокопродуктивных штаммов, обладающих биосинтетическими свойствами, в особенности, физиологической активностью и антагонизмом, а также положительно влияющих на состояние здоровья человека и играющих важную роль в создании феномена долголетия [128].

Кумыс и курунга - национальные кисломолочные продукты, издавна используемые в сочетании с антибиотиками для предупреждения и лечения различных форм туберкулеза, желудочно-кишечных и сердечнососудистых заболеваний, при авитаминозе и нарушениях обмена веществ.

Использование кумыса - это лечение, которое дает сама природа, поскольку создание устойчивого равновесия внутренней среды организма мобилизирует естественные защитные механизмы, в том числе активную лимфу, плазму крови, обогащая ее ценными белками, повышает фагоцитарную функцию и другие защитные силы организ