автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологии ферментированных молочных продуктов с применением ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов

9 15-5/1097

На правах рукописи

Шершенков Борис Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФЕРМЕНТИРОВАННЫХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2015

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сучкова Елена Павловна

Официальные оппоненты: Мезенова Ольга Яковлевна

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный

технический университет»,

заведующая кафедрой пищевой биотехнологии

Машенцева Наталья Геннадьевна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», профессор кафедры пищевой биотехнологии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новгородский Государственный

Университет им. Ярослава Мудрого»

Защита состоится «18» ноября 2015 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9., ауд. 2219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан «12» октября 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Колодязная

Валентина Степановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Ферментированные молочные продукты являются одним из важнейших источников незаменимых аминокислот, витаминов, микроэлементов и других биологически активных веществ, поддерживающих активность иммунной системы человека, поэтому рекомендуется их ежедневное присутствие в рационе питания лицам всех возрастов. Перспективным инструментом для повышения рентабельности производства таких продуктов путём сокращения длительности ферментационного процесса, повышения потребительских свойств и обогащения продукции биологически-активными веществами является кратковременная низкочастотная ультразвуковая обработка ферментируемой смеси.

В последние десятилетия ультразвук зарекомендовал себя как мощный и экономичный инструмент для изменения агрегатного состояния вещества, диспергирования, эмульгирования, изменения скорости диффузии, кристаллизации и растворения веществ, а также активизации химических и биохимических реакций.

Исследования воздействия ультразвука на биотехнологические системы пищевой промышленности отражены в работах множества российских и зарубежных учёных, таких как И.А. Рогов, А.В. Горбатов, П.П. Дергачёв, С.В. Зверев, А.В. Лобанов, Н.А. Тихомирова, М. Ashokkumar, J.Chandrapala, Y. Chisti, M.F. Ertugay, N. Masuzawa, T.M.P. Nguyen, M. Sakakibara, P. Sfakianakis, B. Sizu, M. Palmer, T. Toba и других.

Применение ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов в производстве ферментированных молочных продуктов наряду с другими методами ультразвуковой обработки молочного сырья даст возможность повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать функциональные и инновационные продукты с повышенными потребительскими качествами.

Рабочая гипотеза заключается в том, что применение ультразвуковой обработки молочной смеси после внесения закваски позволяет сократить длительность ферментации, а также повысить технологические и потребительские свойства вырабатываемого продукта путём воздействия на ферментативную активность заквасочных микроорганизмов.

Целью работы являлось определение режимов ультразвуковой обработки, обеспечивающих максимальную интенсификацию биотехнологических процессов в молочном производстве и разработка технологии ферментированных молочных продуктов с её применением.

Задачи исследования:

1. Обосновать возможность применения ультразвуковой обработки низкой частоты при режимах, соответствующих параметрам работы промышленных ультразвуковых гомогенизаторов, для интенсификации биотехнологических процессов молочной п ромышленности.

2. Изучить влияние ультразвуковой обработки при заданных режимах на технологические свойства используемого для ферментации восстановленного молочного сырья.

3. Определить параметры ультразвуковой обработки, обеспечивающие максимальную ферментативную активность лиофилизированных смешанных мезофильных культур рода Lactococcus и симбиотических культур Streptococcus thermophilic и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, при культивировании на средах

на основе восстановленного обезжиренного молока.

4. Установить параметры режимов ультразвуковой обработки, обеспечивающие наибольшее повышение потребительских свойств готовых ферментированных молочных продуктов.

5. Определить параметры режимов ультразвуковой обработки, обеспечивающих максимальную ферментативную активность и выход кобаламинов при культивировании лиофилизированной культуры Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii на средах на основе молочной сыворотки.

6. Разработать методики выбора параметров ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих выработку продукции заданного качества в технологическом потоке.

7. Разработать технологические схемы производства ферментированных молочных продуктов с применением ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов.

8. Составить проект технической документации на обогащенную витамином В12 молочную сыворотку с применением ультразвуковой обработки.

Научная новизна. Обоснована и экспериментально подтверждена интенсификация биотехнологических процессов в производстве ферментированных молочных продуктов при применении кратковременной ультразвуковой обработки восстановленных молочных смесей в заданном диапазоне режимов после внесения лиофилизированных заквасок молочнокислых микроорганизмов. Установлено влияние режимов ультразвуковой обработки на интенсивность ферментационных процессов.

Экспериментально показано повышение эффективности производства витамина В12 и его аналогов при ферментации пропионовокислыми бактериями сред на основе осветлённой молочной сыворотки с применением ультразвуковой обработки. Определено влияние ультразвуковой обработки в заданном диапазоне режимов на выход кобаламинов.

Получены математические зависимости физико-химических и органолептических показателей конечных продуктов, выработанных с использованием исследуемых видов заквасочных микроорганизмов, от параметров ультразвуковой обработки.

Практическая значимость. Показана возможность интенсификации биотехнологических процессов, сокращения длительности ферментации и выработки продукции заданного качества в технологическом потоке при применении кратковременной обработки молочной смеси после внесения лиофилизированной закваски ультразвуком низкой частоты при режимах, соответствующих параметрам работы промышленных ультразвуковых гомогенизаторов.

Получены уравнения регрессии, описывающие зависимости физико-химических и органолептических показателей продукта от параметров ультразвуковой обработки, и на их основе предложены методики выбора параметров ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих выработку продукции заданного качества в технологическом потоке.

Разработаны технологические схемы производства ферментированных молочных продуктов, позволяющие обеспечить интенсификацию ферментативных процессов с адаптацией применяемого на молочных предприятиях ультразвукового оборудования.

Составлен проект технической документации СТО и ТИ на обогащённую витамином В|2 молочную сыворотку с применением ультразвуковой обработки.

Результаты исследования были использованы в серии прикладных научных исследований, которые проводились в рамках Международной научной лаборатории в составе подразделения «Международный научный центр «Биотехнологии третьего тысячелетия». Проект поддержан грантом Правительства Санкт-Петербурга, серия ПСП, № 14569 от 11.12.2014.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований обеспечивалась четырёхкратными повторностями опытных культиваций и последующим проведением многократных измерений исследуемых показателей. Полученные результаты подвергались статистической обработке по общепринятым методикам с помощью программ Microsoft Office 2010 и MathCad 15.

Результаты исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: конференция «Достижения и перспективы развития биотехнологии» МГУ им. Н.П. Огарева (Саранск, 2012); школа-семинар СПбГТЭУ «Качество и безопасность продукции в рамках гармонизации государственной политики в области здорового питания населения» (Санкт-Петербург, 2012); конференция молодых ученых «Современные тенденции в развитии пищевой биотехнологии» в рамках TEMPUS-DEFRUS (Санкт-Петербург, 2013); китайско-русская конференция «Питание и специальные пищевые продукты в экстремальных условиях» (Харбин, 2013); VI Международная конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2013); семинар «Функциональные продукты из сырья растительного происхождения» (Санкт-Петербург, 2014); International Scientific Conference of Environmental and Climate Technologies CONECT 2014 (Riga, Latvia, 2014); школа-семинар для молодых ученых «Качество и безопасность продукции: проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург, 2014); XLII, XLIII и XLIV научные и учебно-методические конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013-2015); II, III и IV Всероссийские конгрессы молодых учёных (Санкт-Петербург, 2013-2015); 5 и 6 международные конференции «Biosystems Engineering» (Tartu, Estonia, 2014-2015).

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК и 2 в зарубежных журналах, индексируемых в SCOPUS, а также статьи по материалам конференций и семинаров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Научное обоснование параметров ультразвуковой обработки для интенсификации биотехнологических процессов молочной промышленности.

2. Влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки на технологические и потребительские свойства ферментированных молочных продуктов, выработанных с применением заквасок на смешанных мезофильных культурах рода Lactococcus. Результаты исследований физико-химических и органолептических показателей.

3. Влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки на технологические и потребительские свойства ферментированных молочных продуктов, выработанных с применением симбиотических заквасок, содержащих термофильные микроорганизмы видов Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Результаты исследований физико-химических и органолептических показателей.

4. Влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки на ферментативную активность и выход кобаламинов при культивировании лиофилизированной культуры Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii. Результаты исследований физико-химических показателей.

5. Обоснование режимов ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих повышение качества продукции в технологическом потоке.

Структура и объём диссертации. Работа включает 7 глав и состоит из введения, обзора литературы, методологии исследования, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 140 страницах основного машинописного текста и содержит 25 таблиц и 54 рисунка. Список литературы включает 153 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведён анализ научной, технической и патентной информации, характеризующей основные направления и задачи использования ультразвуковой обработки в биотехнологических и пищевых производствах, а также возможность применения ультразвуковой обработки низкой частоты высокой интенсивности для интенсификации ферментативных процессов в условиях молочного производства. Сформулированы цель и задачи исследования.

Методология проведения эксперимента

В соответствии с целью и задачами диссертационной работы объектами исследования являлись: восстановленное обезжиренное молоко с содержанием лактозы 4,5%; восстановленная осветлённая молочная сыворотка с 5% содержанием лактозы; конечные продукты ферментации - ферментированные молочные продукты и обогащённая витамином В|2 молочная сыворотка. При проведении экспериментов применялись общепринятые в исследовательской практике методы физико-химического, реологического, микробиологического и органолептического анализа.

В качестве сырья для исследования использовались: сухое обезжиренное молоко по ГОСТ Р 52791-2007; сухая молочная подсырная сыворотка марки Luxilac TM 515 по ГОСТ Р 53492-2009; сублимированная закваска КДс, содержащая смешанные мезофильные молочнокислые культуры Lactococcus ¡actis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. cremoris (biovar diacetylactis) из коллекции ВНИИЖ и сублимированная закваска СТБп, содержащая симбиотические термофильные культуры Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus из коллекции ВНИИЖ изготовленные в соответствии с ТУ 9229-369-00419785-04; мезофильная закваска прямого внесения Sacco содержащая штаммы гомоферментативных культур Lactococcus lactis subsp. lactis и Lactococcus lactis subsp. cremoris MO 030, MWO 030, MWO 031, MO 032, MWO 032; закваска прямого внесения для резервуарного йогурта Christian Hansen YoFlex® Advance 2.0, содержащая культуры Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus YF-L811, YF-L703, YF-L705 и YF-L706; промышленный штамм микроорганизмов Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii 1-63 ВКПМ B-4891.

Общая схема исследований приведена на рисунке 1.

На первом этапе исследований были сформулированы цели и задачи эксперимента, а также определен диапазон используемых режимов ультразвуковой обработки. Далее определялось влияние ультразвуковой обработки различной интенсивности и длительности на свойства исходного сырья, используемого в качестве питательной среды для исследуемых микроорганизмов.

На следующем этапе изучалось воздействие ультразвуковой обработки на ферментативную активность мезофильных молочнокислых культур Lactococcus и термофильной симбиотической культуры Streptococcus thermophilus и Lactobacillus

delbrueckii subsp. bulgaricus различных видов заквасок на средах на основе восстановленного обезжиренного молока. Определялись режимы ультразвуковой обработки, позволяющие максимально интенсифицировать ферментационный процесс, а также наиболее благоприятно влияющие на потребительские качества и технологические свойства получаемого продукта.

В качестве питательной среды использовалось восстановленное обезжиренное молоко с 4,5% содержанием лактозы для уменьшения сонопротекторного эффекта компонентов молока. Сублимированные культуры микроорганизмов в количестве 0,1 ЕА на 1 л (согласно рекомендациям производителя), были предварительно растворены в стерилизованной воде температурой 25°С и затем вносились в пастеризованное восстановленное молоко заданной температуры. Обработка образцов заквашиваемого молока ультразвуком производилась дважды, перед культивированием и через 2 часа после начала культивирования на частоте 30 ± 1 кГц с помощью лабораторного ультразвукового гомогенизатора BANDELIN SonoPuls mini20. Длительность обработки разных образцов составляла от 60 до 180 секунд, общая мощность обработки варьировалась от 80 до 320 Вт/дм3.

В течение культивирования проводился мониторинг титруемой кислотности образцов, определение производилось индикаторным методом. Окончание культивирования определялось по формированию устойчивого сгустка в контрольном образце. Определение остаточной концентрации лактозы в исходном восстановленном молоке и в ферментированных образцах проводилось по методу Лоренса с помощью спектрофотометра SHIMADZU UV 1800; структурно-механических свойств ферментированных продуктов - на ротационном вискозиметре RHEOTEST RN 4.1.

На третьем этапе исследовалась возможность применения ультразвуковой обработки для интенсификации процесса обогащения восстановленной молочной сыворотки витамином В!2 и его предшественниками посредством направленной модуляции метаболизма культуры Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii. На данном этапе для ультразвуковой обработки исследуемых объектов использовался генератор переменного тока Г3-34, оснащённый ультразвуковым пьезокерамическим преобразователем с резонансной частотой 20 ± 2 кГц.

Для определения влияния ультразвука на заданных режимах на метаболизм бактерий производилось культивирование клеток штамма Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii 1-63, используемого в промышленном производстве витамина В |2, в субстрате на основе восстановленной молочной сыворотки с концентрацией лактозы 5%, а также добавками 0,002% СоС12-6Н20 и 0,001% MgS04-7H20, стимулирующими синтез витамина. pH в процессе культивирования удерживался на уровне 6,8 ±0,1 с помощью периодической нейтрализации среды. Влияние ультразвуковой обработки оценивалось как при анаэробном, так и при комбинированном аэробно-анаэробном культивировании. Во время культивирования раз в сутки производилось кратковременное озвучивание сред ультразвуком мощностью 10 Вт/дм частотой 20 кГц и длительностью от 10 до 20 минут. Оценка метаболической активности бактерий в процессе культивирования производилась титриметрическим определением количества образованных бактериями органических кислот, измерением остаточной концентрации лактозы в образцах методом Лоренса, а также фотометрической оценкой концентрации кобаламинов (витамина В|2 и его предшественников) в культуральной среде после предварительной термической деструкции клеток бактерий.

Теоретическая часть. Анализ литературы. +

Анализ актуальных технологических проблем молочной промышленности

Микробиологический синтез функциональных компонентов в молочной продукции

Обзор методов ультразвуковой обработки пищевого сырья

Обоснование возможности ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов в пищевой

промышленности,

Обоснование требований к сырью и микробиологическим эаквасочным культурам.

♦

Обоснование диапазона режимов ультразвуковой обработки. Постановка цели и задач исследования.

1

Экспериментальная часть

Анализ влияния ультразвуковой обработки на свойства используемого сырья.

Исследование изменения метаболической активности заквасочных микроорганизмов при различных режимах

ультразвуковой обработки

Культивация смесей мезофильных кокков на восстановленном обезжиренном молоке

х

Культивация термофильных симбиотических культур на восстановленном молоке

Культивация пропионовокислых бактерий на восстановленной осветлённой сыворотке

X о

5 г я ч=

II

I §

Я и 5 8

X X X ^

I У а 5

Я

га

Я ¿5 к

Я * X

II г о

1« й

5 р 8 а

я О

о

с;

Анализ структурно-механических свойств

Анализ органолептических свойств и определение хран имоспособности

Определение физико-химических показателей

Сравнительный анализ концентрации кобаламинов

X

Подбор режимов ультразвуковой обработки. Разработка методик повышения качества продукции при помощи ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов и оценка их экономической эффективности

Разработка проектов технической документации на ферментированные молочные продукты, выработанные с применением ультразвуковой обработки.

Рисунок I - Схема проведения исследований

На предпоследнем этапе проводился вывод математических зависимостей всех исследуемых показателей от параметров ультразвуковой обработки. На основе полученных зависимостей разрабатывались методики выбора параметров ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих выработку продукции заданного качества в технологическом потоке. Параметры ультразвуковой обработки (длительность и интенсивность) определяли методом Бокса. Исследуемые показатели представлялись в виде функций поверхности отклика для двух переменных параметров, описываемой уравнением регрессии третьей степени.

На последнем этапе разрабатывались технологические схемы и проект технической документации (СТО и ТИ) ферментированных молочных продуктов с применением ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов.

Все культивирования и замеры исследуемых показателей проводились в четырёхкратной повторности. Статистическую и математическую обработку результатов проводили с использованием программ Microsoft Excel 2010 и MathCad 15.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Влияние ультразвуковой обработки при заданных режимах на свойства используемого молочного сырья

В качестве исследуемых показателей были выбраны индекс растворимости сухого обезжиренного молока, активность воды и средний частичный вес казеиновых мицелл в восстановленном молоке. Плотность обезжиренного молока была определена ареометрическим методом и составила 1,033 кг/л.

Активность воды (А) - один из важнейших показателей пищевых продуктов, указывающий на степень связи воды с неводными компонентами. Определение активности воды проводилось криоскопическим методом на приборе АВК 4 после растворения и озвучивания проб восстановленного молока.

По результатам измерений было получено уравнение регрессии (1) для активности воды в образцах с достоверностью R2 = 0,526:

Aw = -1,5 ■ Ю-9 ■ t3 + 3,6 ■ 10"7 ■ t2 - 2,6 • Ю-8 • р2 - (1)

-3,8 • Ю-8 • t ■ р - 2,1 ■ 10"5 • t + 4,5 • Ю-6 ■ р + 0,9924;

Минимальная активность воды наблюдается при длительности обработки 180 секунд и мощности порядка 80 Вт/дм3; максимальная - при длительности обработки 134 секунды и мощности 122 Вт/дм3, что соответствует экспериментальным данным.

Также выяснено, что значение индекса растворимости сухого молока в пробах молока без озвучивания в среднем было выше, чем после обработки ультразвуком; индекс растворимости равномерно уменьшался с увеличением интенсивности и длительности обработки с 0,15 до 0,05 см3; минимальное значение наблюдалось при длительности обработки 156 секунд и мощности 249 Вт/дм3.

Для определения непосредственного влияния ультразвуковой обработки на структурные свойства белков восстановленного молока методом светорассеяния определялся средний частичный вес казеиновых мицелл.

Получено уравнение регрессии (2) для изменения среднего частичного веса казеиновых мицелл с достоверностью R2 = 0,904:

M = 3,8 ■ Ю-5 ■ t3 - 4,2 • Ю-6 • р3 - 9,9 • 10"6 • t2 ■ р + +5,9 • Ю-6 • t • р2 - 0,011 • t2+0,0019 • р2 + 2,8 • Ю-4 ■ t ■ р + (2) +0,81 • t - 0,43 • р + 328,5;

Минимальный средний вес казеиновых мицелл наблюдается при длительности обработки 165 секунд и мощности 320 Вт/дм3; максимальный - при длительности обработки 60 секунд и мощности 80 Вт/дм3, следовательно, размер частиц казеина обратно пропорционален интенсивности и длительности ультразвуковой обработки.

Согласно полученным результатам можно сделать вывод, что обработка ультразвуком в заданном диапазоне режимов способна повысить качество восстановленного молока-сырья за счёт улучшения растворимости путём разрушения и диспергирования белковых агрегатов сухого молока. Кроме того измерение активности воды в образцах восстановленного молока после ультразвуковой обработки указывает на изменение соотношения свободной и связанной влаги. Это позволяет предположить, что в обработанных ультразвуком образцах также повышается степень набухания белков и может происходить выщелачивание лактозы из белковых агрегатов, что делает её более доступной для ферментации различными микроорганизмами.

Влияние ультразвуковой обработки на ферментативную активность смешанных мезофильных культур микроорганизмов, используемых в производстве ферментированных молочных продуктов

В качестве первой экспериментальной культуры использовалась сублимированная закваска из коллекции ВНИИЖ, содержащая культуры молочнокислых бактерий Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus ¡actis subsp. cremoris (biovar diacetylactis). Культивирование проводилось при постоянной температуре 32±2°С. Длительность культивирования до готовности сгустка составила 9 часов. В течение культивирования производился мониторинг титруемой кислотности образцов, определение производилось в начале, через два часа после начала и затем через каждый час культивирования. Наибольший эффект на кислотонакопление закваски наблюдался при минимальной длительности ультразвуковой обработки.

Также для оценки ферментативной активности микроорганизмов была измерена остаточная концентрация лактозы в ферментированных образцах; минимальное значение концентрации наблюдалось в образце, подвергнутом обработке длительностью 60 секунд и мощности 240 Вт/дм3и составило 3,01 ±0,06% .

Для характеристики структурно-механических свойств и сравнения исследуемых образцов с помощью ротационного вискозиметра Rheotest были сняты кривые течения и получены уравнения регрессии по Оствальду-де Вилю, которые затем использовались для дальнейших расчётов. Замечено, что структурно-механические свойства выработанных образцов сравнении с контрольным значительно изменялись после ультразвуковой обработки. В качестве второй экспериментальной культуры использовалась лиофилизированная мезофильная закваска прямого внесения Sacco, содержащая культуры Lactococcus lactis subsp. lactis и Lactococcus lactis subsp. cremoris MO 030, MWO 030, MWO 031, MO 032, MWO 032.

Культивирование также проводилось при постоянной температуре 32±2°С. Длительность культивирования до готовности сгустка составила 6 часов.

Было обнаружено, что влияние параметров ультразвуковой обработки в заданном диапазоне режимов на нарастание титруемой кислотности, скорость расщепления лактозы и структурно-механические свойства образцов аналогично влиянию на образцы, выработанные с применением сублимированной мезофильной культуры.

Для определения влияния ультразвуковой обработки на общие потребительские свойства продукта была также проведён органолептический анализ. В каждом образце по пятибалльной шкале оценивались негативные вкусовые качества и показатели

консистенции, присущие ферментированным продуктам на основе восстановленного молока. При этом наивысшая оценка в 0 баллов соответствовала наиболее выраженному признаку, а 5 баллов - его отсутствию. Наилучшую оценку получили образцы, подвергнутые обработке при режимах 90 ± 30 секунд и 200 ± 40 Вт/дм3.

По полученным данным для исследуемых показателей были выведены уравнения регрессии и определены их экстремальные значения в заданном диапазоне режимов. В качестве переменных параметров выбраны длительность и интенсивность кратковременной ультразвуковой обработки при прочих равных условиях культивирования. Была получена усреднённая зависимость для коэффициента скорости нарастания титруемой кислотности (3):

амез.общ = 9,4 • 10"9 ■ t3 - 1,8 • Ю"9 • р3 - 5,3 • Ю"10 ■ t2 ■ р --2,2 • 10~9 • t ■ р2 - 2,8 ■ 10"6 • t2 + 7,9 ■ Ю-7 • р2 + 4,8 ■ Ю-7 ■ t ■ р + (3) +2,3 ■ Ю-4 • t - 5,5 • Ю-6 ■ р + 0,101; амио6щто,=/(60; 260).

Уравнение для остаточной концентрации лактозы в конечном продукте (4): 'асмез.общ = -2,2 • Ю-7 • t3 + 4,3 • Ю-8 • р3 + 1,3 ■ 10'7 • t2 ■ р + +1,8 ■ 10"8 ■ í • р2 + 7,6 • Ю-5 • t2—2,5 • Ю-5 • р2 - 3,2 ■ Ю-5 • t ■ р - (4) -0,0067 ■ t + 0,0046 ■ р + 3,36 (%); 1аска.0бщт1„ =/(85; 286).

Уравнение для индекса течения и оценки вязкости продукта (5):

п = 5,9 • Ю-10 • t3 - 1,9 • 10~8 • р3 - 1,2 • Ю-8 • t2 ■ р - 4,3 • 10~9 ■t-p2 -

-3,4 ■ Ю-7 • t2+9,9 ■ Ю-6 • р2 + 2,5 ■ 10~6 • t • р + 4,0 ■ Ю-4 • t - (5) -0,0015 • р + 0,429; и„юп<и=/(123; 231); «ме,ntn=/(60; 100).

Уравнение регрессии для органолептических свойств (6):

огдмез = -1,7 ■ Ю-7 • t3 + 1,4 ■ ю-7 ■ р3 - 3,1 ■ 10_6 • t2 ■ р + +3,1 ■ 10~7 • t ■ р2 + 3,4 ■ 10~4 • t2—2,8 ■ 10"4 ■ р2 + 4,7 ■ 10~4 -t-p - (6) -0,052 • t + 0,062 • р + 13,000 (баллов); org№amax = f (94; 189).

Исходя из полученных результатов, можно получить следующий диапазон режимов, позволяющий при помощи ультразвуковой интенсификации ферментативной активности мезофильных культур микроорганизмов управлять качеством продукции (Рисунок 1).

Изменяя параметры ультразвуковой обработки в пределах этого диапазона можно с высокой степенью вероятности изменять свойства молочной продукции, вырабатываемой из сухого молока с применением мезофильной закваски для получения продукции заданного качества в технологическом потоке.

t, сек

Рисунок 1 - Диапазон режимов ультразвуковой обработки для максимального повышения технологических и потребительских качеств продукта

Влияние ультразвуковой обработки на ферментативную активность

термофильных симбиотических культур микроорганизмов, используемых в производстве ферментированных молочных продуктов

В качестве первой экспериментальной культуры использовалась сублимированная закваска термофильных симбиотических культур из коллекции ВНИИЖ, содержащая молочнокислые бактерии Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. В качестве второй экспериментальной культуры использовалась лиофилизированная закваска прямого внесения для резервуарного йогурта Christian Hansen YoFlex® Advance 2.0, содержащая культуры Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus YF-L811, YF-L703, YF-L705 и YF-L706.

Культивирования производились при температуре 40±2°С; длительность составила 6 часов и 4 часа соответственно.

Во всех образцах в течение культивирования определялась титруемая кислотность, а по окончании - остаточная концентрация лактозы, структурно-механические и органолептические свойства. Влияние длительности и мощности ультразвуковой обработки в заданном диапазоне режимов на исследуемые показатели экспериментальной культуры аналогично влиянию на образцы, выработанные с применением сублимированной культуры, при этом минимальная остаточная концентрация лактозы и наиболее быстрое кислотонакопление в продукте наблюдалась при длительности обработки 180 секунд и мощности 200 Вт/дм3. Наилучшие результаты органолептической оценки имели образцы, подвергнутые обработке при режимах 150 ± 30 секунд и 240 ± 40 Вт/дм3. Далее были получены уравнения регрессии и определены экстремальные значения исследуемых показателей и соответствующие им значения параметров ультразвуковой обработки.

Уравнение регрессии для коэффициента скорости нарастания титруемой кислотности (7):

Отерм общ = -3,0 ■ 10-" ■ t3 + 6,8 ■ Ю-9 ■ р3 - 2,9 • 1(Г* ■ t2 ■ р --2,7 ■ Ю-9 ■ t • р2 + 1,0 • 10"5 • t2—4,3 ■ 10~6 ■ р2 + 1,8 • Ю-6 ■ t ■ р - (7) -0,0011 ■ С + 8,1 • Ю-4 - р + 0,198; атерм.o6,u»,«=/( 156; 170).

Уравнение для остаточной концентрации лактозы в продукте (8):

'астерм.общ = 4,0 ■ Ю-7 • t3 - 2,4 • Ю-8 • р3 - 2,6 • Ю-7 ■ t2 ■ р + + 1,4 ■ Ю-7 ■ t ■ v2 ~ 8,2 • Ю-5 ■ t2—7,9 • Ю-7 ■ р2 - 8,8 • 10~6 ■ t ■ р + (8) +0,0024 ■ t - 6,9 ■ 10'4 • р + 3,12; /астерч.о6ш„„„=/( 180; 257).

Уравнение для индекса течения и оценки вязкости продукта (9):

"терм = -3,8 ■ 10"7 • t3 + 9,7 • 10"9 • р3 - 3,6 ■ 10"8 • С2 ■ р + 1,0 • Ю-7 • £ • р2 +

+ 1,4 ■ Ю-4 • t2 —2,0 ■ Ю-5 • р2 - 3,6 • 10"5 • t ■ р - (9)

-0,012 -t + 0,006 -р + 0,200;

R2 = 0,890; итерм тах =/( 168; 80); Пщ* „„„ =/(180; 244).

Уравнение регрессии для органолептических свойств (10):

огдтерм = 6,4 ■ Ю-6 • t3 - 5,0 • Ю-7 • t2 ■ р - 1,2 ■ Ю-6 • t ■ р2 -

-0,0021 ■ t2 + 1,6 ■ 10"4 • р2 + 6,9 ■ 10"4 • t ■ р + (10)

+0,169 ■ t - 0,067 • р - 13,00;

R2 = 0,962; org.KpMma,=f(m; 320).

Исходя из полученных результатов, получили следующий диапазон режимов, позволяющий при помощи ультразвуковой интенсификации ферментативной активности

термофильных культур микроорганизмов управлять качеством продукции в технологическом потоке (Рисунок 2). I, сек

О

180 - - Минимальная вязкость

120--

Максимальная вязкость

Максимальное расщепление ,/ лактозы

Наибольшая скорость возрастания титруемой кислотносги

Наилучшие органолептические свойства

--$ I " 1 I

+

р, Вт/дм

80 120 160 200 240 280 320 Рисунок 2 - Диапазон режимов ультразвуковой обработки для максимального повышения технологических и потребительских качеств продукта Термофильные микроорганизмы менее чувствительны к ультразвуковому воздействию и требуют применения длительных режимов обработки, близких к 180 секундам. Изменяя мощность ультразвуковой обработки в пределах найденного диапазона можно добиться изменения свойств молочной продукции, вырабатываемой из сухого молока с применением термофильной закваски, для получения продукции заданного качества.

Влияние ультразвуковой обработки на метаболическую активность промышленной культуры Propionibacterium schermanii Для определения влияния ультразвука на ферментативную активность пропионовокислых бактерий, развивающихся на специализированных питательных средах на основе молочной сыворотки, производилось культивирование клеток штамма Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii 1-63. Культивирование проводилось в течение 96 часов при температуре 30±2°С.

Первый цикл культивирований проводился в строго анаэробных условиях для изучения влияния ультразвуковой обработки на синтез корринового кольца и предшественников витамина. Далее проводилось анаэробно-аэробное культивирование: в первые 48 часов бактерии культивировались в анаэробных условиях, в последующие 48 часов - при непрерывной аэрации среды скоростью 6 л/час на 100 мл среды для изучения влияния ультразвука на образование активных форм витамина В|2.

Ферментативная активность бактерий в процессе культивирования оценивалась измерением титруемой кислотности сыворотки для количественного определения синтезируемых бактериями органических кислот как первичных метаболитов, а также концентрации лактозы по окончании культивирования. Под действием ультразвуковой обработки незначительно увеличивается нарастание титруемой кислотности и ускоряется расщепление лактозы пропионовокислыми бактериями; при увеличении длительности обработки эффект становится более выраженным.

Концентрация кобаламинов в ферментированных образцах в пересчёте на кобаламин оценивалась после деструкции клеток графическим методом. При этом на усреднённых спектрах образцов определялась высота пиков поглощения на длине волны 361 нм. Результаты были переведены в относительные фотометрические единицы и по калибровочному графику была определена концентрация кобаламинов в

ферментированной сыворотке в пересчёте на цианкобаламин. Полученные данные представлены в Таблице 1.

Таблица 1 - Концентрация кобаламинов в образцах ферментированной молочной сыворотки при

Длительность обработки, мин А фе г) аэробная рментация Анаэробно-аэробная ферментация

0 10 20 0 I 10 20

Высота пика поглощения 0,146 0,156 0,163 0,132 0,215 0,244

Концентрация кобаламинов, мг/л 8,5 9,1 9,5 7,7 12,6 14,3

Благодаря полученным результатам можно сделать вывод, что с помощью ультразвуковой обработки на частоте 20 кГц мощностью 10 Вт/дм3 и длительностью 20 минут можно проводить направленную модуляцию метаболической активности бактерий штамма Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii 1-63 при анаэробно-аэробном культивировании для увеличения конечного выхода витамина В!2 без увеличения длительности производственного процесса.

ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность применения ультразвуковой обработки частотой 30 ± 1 кГц в диапазоне длительностей от 60 до 180 секунд и мощностей от 80 до 320 Вт/дм3, а также 20 ± 2 кГц в диапазоне длительностей от 10 до 20 минут мощностью 10 Вт/дм3 для интенсификации биотехнологических процессов молочной промышленности.

2. Экспериментально доказано, что обработка ультразвуком в заданном диапазоне режимов способна улучшить технологические свойства восстановленного молока-сырья за счёт улучшения растворимости путём разрушения и диспергирования белковых агрегатов сухого молока.

3. На основании полученных данных установлены параметры ультразвуковой обработки - частота 30 ± 1 кГц, длительность 70 ± 10 секунд и мощность 270 ± 20 Вт/дм3, обеспечивающие максимальную ферментативную активность смешанных мезофильных культур рода Lactococcus при культивировании на средах на основе восстановленного обезжиренного молока.

4. Определены параметры ультразвуковой обработки - частота 30 ± 1 кГц, длительность 170 ± 10 секунд и мощность 210 ± 20 Вт/дм3, обеспечивающие максимальную ферментативную активность симбиотических культур, содержащих бактерии видов Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus при культивировании на средах на основе восстановленного обезжиренного молока.

5. Установлены параметры режимов ультразвуковой обработки - частота 30 ± 1 кГц, длительность 170 ± 10 секунд и мощность 200 ± 20 Вт/дм3, обеспечивающие максимальное улучшение органолептических свойств ферментированных молочных продуктов, выработанных с применением смешанных мезофильных культур рода Lactococcus.

6. Установлены параметры режимов ультразвуковой обработки - частота 30 ± 1 кГц, длительность 180 ± 10 секунд и мощность 320 ± 20 Вт/дм3, обеспечивающие улучшение органолептических свойств готовых ферментированных молочных продуктов, выработанных с применением симбиотических культур Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus.

7. Определены зависимости структурно-механических свойств продуктов, выработаных с применением культур рода Lactococcus от параметров ультразвуковой обработки в заданном диапазоне режимов. Максимального уменьшения вязкости продукта на частоте 30 ± 1 кГц можно добиться при длительности воздействия

120± 10 секунд и мощности 230 ± 20 Вт/дм3; увеличения - при длительности 60 ± 10 секунд и мощности 100±20 Вт/дм3.

8. Определены зависимости структурно-механических свойств продуктов, выработаных с применением Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus от параметров ультразвуковой обработки в заданном диапазоне режимов. Максимального уменьшения вязкости продукта на частоте 30 ± 1 кГц можно добиться при длительности 170 ± 10 секунд и мощности 80 ± 20 Вт/дм3; увеличения - при длительности 180±10 секунд и мощности 250±20 Вт/дм3.

9. Определены параметры ультразвуковой обработки частотой 20 кГц - длительность 20 минут и мощность 10 Вт/дм , обеспечивающие максимальную ферментативную активность и выход кобаламинов при культивировании лиофилизированной культуры Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii на средах на основе восстановленной осветлённой молочной сыворотки.

10. Определены зависимости физико-химических и органолептических показателей конечного продукта от длительности и мощности ультразвуковой обработки. На основе полученных уравнений предложены методики выбора параметров ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов, обеспечивающих выработку продукции заданного качества в технологическом потоке.

11. Разработаны технологические схемы производства ферментированных молочных продуктов с применением ультразвуковой интенсификации биотехнологических процессов.

12. Составлен проект технической документации СТО и ТИ на обогащенную витамином В и молочную сыворотку с применением ультразвуковой обработки.

Список публикаций

1. Сучкова Е.П., Шершенков Б.С. Витамин В12 как перспективный продукт для предприятий централизованной утилизации молочной сыворотки. Колл. мон. «Инновационные технологии в области пищевых продуктов и продукции общественного питания функционального и специализированного назначения». - СПб.: Изд-во «Лема», 2012.-Т. 1.-310 с.

2. Шершенков Б.С. Биотехнология производства обогащенной витамином В12 молочной сыворотки в условиях молочного производства. Материалы конф. МГУ им. Н.П. Огарева. - Саранск: «Мордовия - Экспо», 2012. - С. 98. - 173 с.

3. Шершенков Б.С. Производство витаминизированных продуктов на основе молочной сыворотки. Сборник трудов молодых учёных. - СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. - Часть I. - С. 3-6. -89 с.

4. Шершенков Б.С. Утилизация молочной сыворотки путем биотехнологического обогащения функциональными компонентами. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых.-СПб.: НИУ ИТМО, 2013.-Вып. 4.-с. 110-112,- 193 с.

5. Шершенков Б.С., Сучкова Е.П. Application of ultrasound treatment in milk whey utilization by means of biotechnological enrichment by functional components. Сборник статей китайско-русской конференции «Питание и специальные пищевые продукты в экстремальных условиях». - 2013. - Р. 70-73.

6. Сучкова Е.П., Шершенков Б.С. Исследование влияния ультразвуковой обработки на штамм Propionibacterium shermanii при культивировании на средах на основе молочной сыворотки. Материалы конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». - СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. - С. 611-613 с. - 818 с.

16

1 3 - 1 u О 4

7. Сучкова Е.П., Шершенков Б.С. Применение ультразвука в биотехнологическом производстве обогащенной витамином В12 молочной сыворотки. Тезисы научно-практической конференции «Современные тенденции в развитии пищевой биотехнологии» - СПб.: НИУ ИТМО:ИХиБТ, 2013. - С. 6-9. - 96 с.

8. Сучкова Е.П., Шершенков Б.С. Технологические решения при получении обогащенной витамином В12 молочной сыворотки. - СПб.: ЭНЖ СПбГУНиПТ «Процессы и аппараты пищевых производств», 2013, № 2 (16).

9. Сучкова Е.П., Шершенков Б.С. Ультразвуковая модуляция метаболической активности Propionibacterium freudertreichii subsp. shermanii при получении пищевых продуктов, обогащенных витамином В12. - СПб.: ЭНЖ НИУ ИТМО «Процессы и аппараты пищевых производств», 2013, № 4 (18).

10. Шершенков Б.С., Бараненко Д.А., Сучкова Е.П. Effect of ultrasonic treatment on metabolic activity of Propionibacterium shermanii, cultivated in nutrient medium based on milk whey. Agronomy Research. - Poltsamaa: Vali Press, 2014. - Vol. 3, iss. 12. - VII Food science and technology. - P. 813-820.

11. Шершенков Б.С. Ультразвуковая интенсификация биотехнологических процессов в молочной промышленности. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. -СПб.: НИУ ИТМО, 2014. - Вып. 4. - с. 198-199. - 392 с.

12. Сучкова Е.П., Шершенков Б.С. Ультразвуковая биоинтенсификация как перспективный метод повышения качества молочных продуктов. Материалы научной школы-семинара «Качество и безопасность продукции: проблемы и пути решения». -СПб.: СПбГТЭУ, 2014.

13. Шершенков Б.С., Сучкова Е.П. Применение ультразвука в производстве молочных продуктов с пониженным содержанием лактозы. Электронный сборник тезисов докладов IV конгресса молодых ученых. - СПб: Университет ИТМО, 2015.

14. Шершенков Б.С., Сучкова Е.П. Upgrading the technology of functional dairy products by means of fermentation process ultrasonic intensification. Agronomy Research. - 2015. - Vol. 4, iss. 13.-P. 1074-1085.

Подписано в печать . Формат 60 х 84 1/16

Усл. печ. л. Печ. л. 1,0. Тираж 30 экз. Заказ № /ЗД. Университет ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 Изд.- ннф. комплекс. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

2015670684

2015670684