автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка технологии кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы

На правах рукописи

005013756

Пашина Елена Юрьевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КИСЛОМОЛОЧНЫХ НАПИТКОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЛАКТОЗЫ

Специальность: 05.18.04 -Технология мясных, молочных и

рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5Ш

Ставрополь-2012

005013756

Работа выполнена на кафедре прикладной биотехнологии ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик

Россельхозакадемии Храмцов Андрей Георгиевич

Официальные оппоненты: Петров Андрей Николаевич

доктор технических наук, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности» Россельхозакадемии, директор

Милошенко Василий Васильевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», кафедра частной зоотехнологии, профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

аграрный университет», г. Краснодар

Защита состоится «30» марта 2012 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.245.05 Северо-Кавказского государственного технического университета (СевКавГТУ) по адресу: 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. К 308

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет». С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайтах СевКавГТУ www.ncstu.ru и ВАК РФ Министерства образования и науки РФ

www.vak.ed.gor.ru/ru/dissertation/

Автореферат разослан кЛ^/^В^ООсир,2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.245.05 доктор технических наук, профессор

В.И. Шипулин

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность темы. Переработка вторичного молочного сырья в последние десятилетия является одной из приоритетных задач молочной промышленности. Использование творожной сыворотки и обезжиренного молока как сырья для производства напитков приобретает все большую актуальность. В связи с широким распространением первичной и вторичной лактазной недостаточности среди разных групп населения особую роль играют разработки технологий, предусматривающие производство продуктов с пониженным содержанием лактозы.

Среди способов получения низколактозных напитков из вторичного молочного сырья выделяется метод ферментативного гидролиза лактозы. Данный процесс не требует сложного аппаратурного оформления, а также больших материальных и энергетических затрат. Продукты, получаемые в результате ферментативного гидролиза, по своим качествам можно отнести к функциональным, так как они позволяют обеспечить полноценное питание людям с лактазной недостаточностью.

Работа основана на трудах отечественных и зарубежных ученых: Ю. Я. Свириденко, Э. Ф. Кравченко, А. Г. Храмцова, И. А. Евдокимова, М. С. Коваленко, В. В. Василисиной, Н. Г. Чеботаревой, Л. А. Остроумова, Л. В. Голубевой, К. К. Полянского, И. С. Хамагасвой, С. Г. Козлова, J. Zadow, Е. Murray, О. Braun, К. Hicks, Т. Mizota, Y.Tamura, М. Tomita и др.

Исходя из вышеизложенного, было выбрано направление работы, основанное на использовании творожной сыворотки и обезжиренного молока для производства напитков с пониженным содержанием лактозы. Данное направление является перспективным, так как позволяет заполнить нишу молочных продуктов для людей с непереносимостью лактозы и в то же время решает вопросы безотходной переработки молочного сырья.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является изучение процессов ферментативного гидролиза лактозы и последующей

' Научный консультант экспериментальной части работы к.т.н., докторант А. Д. Лодыгин

ферментации вторичного молочного сырья с разработкой технологии кисломолочных низколактозных напитков. В соответствии с целыо исследования решались следующие задачи:

- изучить процессы направленного ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке и обезжиренном молоке с помощью препаратов р-галактозидазы;

- провести математическую обработку полученных результатов и установить оптимальные параметры гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье;

- обосновать выбор заквасочной микрофлоры для сквашивания вторичного молочного сырья с частично гидролизованной лактозой;

- изучить состав, качество, физико-химические и органолептические показатели новых продуктов;

- разработать рецептуры и технологии производства кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы;

- провести анализ экономической эффективности производства низколактозных напитков и исследования безопасности разработанных продуктов.

Научная новизна работы:

• установлены зависимости степени гидролиза лактозы в обезжиренном молоке и творожной сыворотке от температуры и продолжительности процесса, позволяющие регулировать технологический процесс получения низколактозных напитков с заданными свойствами;

• получены математические модели, описывающие закономерности ферментативного гидролиза лактозы в обезжиренном молоке и творожной сыворотке;

• произведен подбор заквасочной микрофлоры для низколактозного вторичного молочного сырья на основании кислотообразующей способности, а также органолептических и физико-химических показателей;

• изучено влияние ферментативного гидролиза лактозы и последующего сквашивания на углеводный состав готовых продуктов.

Новизна предлагаемых технических решений подтверждена патентом РФ «Способ производства напитка из молочной сыворотки» № 2441390 опубл. 10.02.2012.

Практическая значимость работы. Разработана техническая документация на кисломолочные напитки из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы - СТО 02067965-005-2011. Произведены опытно-промышленные выработки напитков из обезжиренного молока (ОАО «Молочный комбинат «Ставропольский», г. Ставрополь) и творожной сыворотки (ООО «МЕГ А ПрофиЛайн», г. Ставрополь). Результаты работы используются в курсовом и дипломном проектировании студентов специальностей «Технология молока и молочных продуктов» и «Пищевая биотехнология» СевКавГТУ.

Инновационные приоритеты работы:

- исследование закономерностей н разработка способа ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке и обезжиренном молоке;

- подбор культур молочнокислых микроорганизмов для ферментации низколактозного вторичного молочного сырья;

разработка рецептур и инновационных технологий производства кисломолочных напитков на основе вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на различных международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях: международной научно-практической конференции «Современный взгляд на производство творога, творожных паст и сыров: расширение ассортимента, совершенствование технологии и оборудования» (г. Ставрополь, 2008); всероссийской конференции «Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах» (г. Кемерово,. 2009); научно-практической конференции «Инновационные технологии и оборудование в молочной промышленности» (г. Москва, 2010). На конкурсной основе получено финансирование по

программе «У.М.Н.И.К.», проект «Разработка технологии напитка из молочного белково-углеводного сырья с пониженным содержанием лактозы». Работа отмечена в номинации «Град Наград» (СевКавП'У, 2008).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 17 публикациях, в том числе в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также в патенте РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 142 наименования, в том числе 41 иностранное, и приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц, 34 рисунка и 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и цель работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследования» рассмотрены проблемы переработки вторичного молочного сырья, обоснована актуальность производства низколактозных напитков из молочной сыворотки и обезжиренного молока. Исследован рынок продуктов с пониженным содержанием лактозы. Представлен обзор способов снижения содержания лактозы в молочных продуктах. Охарактеризованы ферментные препараты Р-галактозидзы, используемые для гидролиза лактозы в молочном сырье. В соответствии с проведенным анализом научной литературы и поставленной целью сформулированы задачи научной работы.

Во второй главе «Организация проведения экспериментов, объекты и методы исследований» представлена схема исследований (рисунок 1), описаны объекты, физико-химические и биохимические методы исследования. Дано описание выбранных ферментных препаратов для гидролиза лактозы. Приведены данные о математическом планировании и обработке результатов экспериментов.

Рисунок 1 - Структурная схема проведения исследований В третьей главе «Исследование закономерностей ферментативного гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье» изучена активность выбранных препаратов Р-галактозидазы для ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке - «Лактоканссцин Г20х» и обезжиренном молоке - «На-ЬасІаБе». Изложены результаты исследований процесса ферментативного гидролиза лактозы в выбранном вторичном молочном сырье.

Используя априорную информацию для препарата кислой Р-галактозидазы «Лактокансцин Г20х», дозу внесения фермента установили

равной 0,65 г на 1 л творожной сыворотки. Гидролиз лактозы проводили при различных температурах: 45, 50, 55 °С. Степень гидролиза лактозы определяли криоскопическим методом.

Исследования показали, что максимальные значения температур замерзания установились при продолжительности протекания процесса 180 минут и составили: при 45 °С - (-0,850±0,003) °С, при 50 °С -(-0,916±0,003) °С, при 55 °С - (-0,932±0,005) °С. Полученные данные явились основанием дам определения степени гидролиза лактозы в сырье, а также для графического описания процесса.

Кинетические закономерности ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке представлены на рисунке 2, зависимость максимальной степени гидролиза от температуры - на рисунке 3.

V » -0,2803*'' + 3,0S13xJ ♦ 4,9037* - 2,8571 R1 =0.9625

- 0.7219Х2 + 15,257K - 12,714 R* ■ 0,9856

V « -ОДХЗбк* + 0.7305«' 8,7013* - 7.5 R* = 0,&707

Продолжительность, мин

Рисунок 2 - Влияние температуры и продолжительности процесса на степень гидролиза лактозы в творожной сыворотке

Приведенные данные свидетельствуют о том, что гидролиз лактозы в творожной сыворотке идет при всех выбранных режимах. При повышении температуры степень гидролиза лактозы увеличивается, достигает максимума при 50 °С и составляет не менее 90 %.

93,0%

0 ---1--

45 50 55

Температура, °С

Рисунок 3 - Зависимость степени гидролиза лактозы в творожной сыворотке от температуры (т = 180 минут)

Дальнейшее увеличение температуры приводит к частичной инактивации ферментного препарата. В результате этого степень гидролиза снижается.

Гидролиз лактозы в обезжиренном молоке проводили при температурах 30, 35, 40 и 45 °С. Дозу внесения фермента «На-Ьа^аве» считали равной 0,5 мл на 1 л обезжиренного молока. Эксперимент проводился аналогично эксперименту по определению степени гидролиза лактозы в творожной сыворотке. Анализ полученных данных показал, что максимальные значения температур замерзания установились при продолжительности протекания процесса 210 минут и составили: при 30 °С - (- 0,774±0,002) °С, при 35 °С -(-0,740±0,004) °С, при 40 °С - (-0,763±0,004) °С, при 45 °С -(-0,690±0,005), Полученные данные явились основанием для определения степени гидролиза лактозы в сырье, а также для фафического описания процесса.

Кинетические закономерности ферментативного гидролиза лактозы в обезжиренном молоке представлены на рисунке 4, зависимость максимальной степени гидролиза от температуры - на рисунке 5.

По результатам исследований влияния продолжительности процесса на степень гидролиза лактозы установили, что степень гидролиза возрастает во времени и достигает максимума при всех температурных режимах через (180-210) минут.

30 -С I

35 -С I

40 °с j

— .>*- 45 °с 1

0025K9 - 0,2457** 9,614x - 8,7143 RJ = 0,9917 ,421K - 8,4286 0,9947

60 90 120 150 180

Продолжительность, мин

210

Рисунок 4 - График изменения степени гидролиза лактозы в обезжиренном молоке во времени

85 80 75 70 65 g 60 г 55 § 50

S 40

ё 35

5 зо

ё 25 О 20 15 10 5

О

7S.2'Л

67,5%

тг

I

■ I

S0,1%............-.......!—......-j.........

38,3%

——f

Температура, "С

Рисунок 5 - График зависимости степени гидролиза лактозы в обезжиренном молоке от температуры (т = 210 минут)

Анализ коэффициентов уравнений и графических зависимостей показывает, что при выбранных температурных режимах ферментации процесс в основном заканчивается через (180-210) минут. Причем во всех случаях коэффициенты аппроксимации максимально приближены к единице, что указывает на достоверность проведенных исследований.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что гидролиз лактозы в обезжиренном молоке идет при всех выбранных температурных режимах. Степень гидролиза достигает максимума при 30 °С и составляет не

менее 75 %. Дальнейшее увеличение температуры приводит к частичной инактивации ферментного препарата. В результате этого степень гидролиза снижается.

Результаты исследований послужили основой для планирования двухфакторного эксперимента с целью установления оптимальных параметров ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке и обезжиренном молоке.

В качестве варьируемых факторов X! и Х2 были выбраны температура (°С) и продолжительность (минут') процесса соответственно. В качестве выходного параметра У была выбрана степень гидролиза лактозы в творожной сыворотке (Ус) и обезжиренном молоке (Уо), %.

По результатам двухфакторных экспериментов получили математические модели процесса в виде уравнений регрессии для творожной сыворотки (1) и обезжиренного молока (2):

Ус = 89,46 - 3,145'Хг - 11,099-Х2! -12,599 -Х22 -6,425 (1) Уо = 59,56 + 3,78'Х, - 4,499*Х2 - 7,749-Х2! - 5,674 -Х22 (2) Для определения оптимальных параметров процесса были построены поверхности отклика выходного параметра и их сечения (рисунки 6, 7).

Рисунок 6 - Поверхность отклика выходного параметра Ус и ее сечение

В результате проведения экспериментов сделаны следующие выводы: процесс ферментативного гидролиза лактозы ферментным препаратом р-галактозидазы («Лактоканесцин Г20х») в творожной сыворотке в основном заканчивается через (160- 190) минут.

оптимальные условия воздействия ферментного препарата (3-галактозидазы («Лактоканесцин Г20х») для получения творожной сыворотки с пониженным содержанием лактозы: температура ферментативной реакции - (50 ± 2) °С; продолжительность ферментации (165 - 185) минут, при этом степень гидролиза лактозы составляет (80 - 90) % от исходной концентрации лактозы в сырье.

80 i 75 І

70 4 65 '

Щ

■ФЙ

■Щ

Ö

Ш'-

ISÜfcte

ШИН

шШШЯШ ж • гійЧВ

Шт m**

ЯР'^ЙЙ? гад 228

Температура, "С 27 25

J/' 180 ' 168

192 Время,

МИН

И 75-80 Я 70-75 И 65-70 В 60-65 В 55-60 Ш 50-55 в 45-50 83 40-45 B3S-40 В 30-35 ■ 25-30 Я 20-25

Рисунок 7 - Поверхность отклика выходного параметра У о и ее сечение В результате проведения экспериментов сделаны следующие выводы:

- процесс ферментативного гидролиза лактозы ферментным препаратом Р-галактозидазы («Ha-Lactase») в обезжиренном молоке в основном заканчивается через (185-215) минут.

оптимальные условия воздействия ферментного препарата р-гапактозидазы («Ha-Lactase») для получения обезжиренного молока с пониженным содержанием лактозы: температура ферментативной реакции -(31 ±2) °С; продолжительность ферментации (190-210) минут, при этом степень гидролиза лактозы составляет (70 - 80) % от исходной концентрации лактозы в смеси.

С цепью подтверждения данных были проведены исследования, отражающие влияние гидролиза лактозы на физико-химические и органолептические характеристики творожной сыворотки и обезжиренного молока. В процессе работы были опрошены респонденты, которые провели

оценку гидролизованного вторичного молочного сырья по пяти органолептическим показателям: вкус, запах, цвет, сладость, внешний вид. Минимальное количество (ноль) баллов присуждалось показателю, характерному для данного вида сырья, максимальное (десять) -несвойственному. Результаты опроса приведены на рисунке 8.

внешний ВИД О

Рисунок 8 -Органолептические профили исследуемого сырья

сладость

творожная сыворотка » обезжиренное молоко

По результатам опроса установлено, что значительных изменений в органолептических показателях сырья не было, за исключением усиления сладости. Данное изменение оказывает положительное влияние при производстве напитков из вторично го молочного сырья, так как имеется возможность использовать сахарозу в меньшем количестве. Были изучены физико-химические показатели творожной сыворотки и обезжиренного молока до процесса гидролиза и после него. Результаты исследований приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Таблица I - Сравнительный состав творожной сыворотки до и после

Наименование Вид сырья

Творожная сыворотка Гидролизованная творожная сыворотка

Плотность, кг/м' 1023±0,1 1023±0,1

Кислотность, °Т 65±5 65±5

Массовая доля сухих веществ, % 6,0±0,2 6,0±0,2

Массовая доля лактозы, % 4,2±0,1 0,6±0,1

Массовая доля глюкозы, % 0,04±0,005 1,8±0,1

Массовая доля галактозы, % 0,15±0,05 1,6±0,1

Таблица 2 - Сравнительный состав обезжиренного молока до и после процесса гидролиза лактозы

Наименование Вид сырья

Обезжиренное Гидролизованная

молоко обезжиренное молоко

Плотность, кг/м^ 1029±0,1 1029±0,1

Кислотность, °Т 17±1 17±1

Массовая доля сухих веществ, % 8,1±0,2 8,1±0,2

Массовая доля лактозы, % 4,6±0,1 0,9±0,1

Массовая доля глюкозы,% 0,05±0,005 1,9±0,1

Массовая доля галактозы, % 0,2±0,05 1,7±0,1

Исследования показали, что физико-химические показатели творожной сыворотки и обезжиренного молока в результате проведения ферментативного гидролиза лактозы практически не меняются. Исключением является изменения в содержании массовой доли углеводов (метод ГЖХ). В обоих случаях содержание лактозы уменьшилось, а глюкозы и галактозы возросло. Однако общее содержание углеводов, определенное йодометрическим методом, в сырье осталось прежним.

В четвертой главе «Исследование технологических процессов получения кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы» осуществлен побор заквасок для низколактозных обезжиренного молока и творожной сыворотки. Мировая практика показывает, что наибольшее распространение при производстве кисломолочных напитков получили такие культуры молочнокислых микроорганизмов, как: Sir. thermophiJus, Lbm. delh-ueskii subsp. bulgaricum, Lac. lactis subsp. laclis.

Подбор заквасочной микрофлоры для низколактозных творожной сыворотки и обезжиренного молока осуществлялся на основании исследования кислотообразующей активности микроорганизмов, а также физико-химических и органолептических показателей опытных образцов напитков. В процессе выбора вида закваски для производства кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы использовали следующие культуры микроорганизмов:

Lbm. delbrueskii ssp. bulgaricum (БК-Углич-Б), Str. thermophilus (БК-Углич-THBn), Lac. ¡aclis ssp Iactis (KMC-cyx, «Барнаульская биофабрика»).

После проведения ферментативного гидролиза лактозы творожная сыворотка и обезжиренное молоко подвергались нагреванию до (80 ± 2) °С с целью инактивации фермента. Затем проводилось заквашивание и сквашивание низколактозного вторичного молочного сырья различными заквасочными культурами. Заданная продолжительность сквашивания составила 4 часа. Исследования динамики нарастания кислотности проводились через каждые 30 минут. В качестве контроля использовались творожная сыворотка и обезжиренное молоко, не подвергнутые гидролизу лактозы. Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунках 9 и 10.

92

S 68

0

5 84

5 а°

ä 76 3 72

1 68

? Ы

S

60 1

ОПЫТНЫЙ образец

110

100 -

ЭО

Е 80

I 70

1 60

50

S 40

30 г

1 20

*- 10

Г

1 -і 1 "ОПЫТНЫЙ Ш V; 1_обрам.!_

1 I 11

заквдеочной микрофлоры

Рисунок 10 - Значение кислотности

обезжиренною молока и гидролизованного обезжиренного молока, сквашенных различными заквасками (продолжительность сквашивания, т = 4 часа)

Вид эаквэсочной .микрофлоры

Рисунок 9 - Значение кислотности творожной сыворотки и гидролизованной творожной сыворотки, сквашенных различными заквасками (продолжительность сквашивания, т = 4 часа)

Для низколактозных творожной сыворотки и обезжиренного молока наиболее подходящей является комбинированная закваска на основе культур Sir. thermophilus и Lbm. bulgaricum в соотношении 1:2. Данные молочнокислые микроорганизмы вызывают интенсивное

кислотообразование до 80 °Т за (3,5 - 4) часа. Процесс сквашивания низколактозного сырья идет быстрее, чем негидролизованного (рисунок 1 I),

что позволяет сократить время технологического процесса. Органолептические и физико-химические показатели опытных образцов соответствуют требованиям, предъявляемым к кисломолочным напиткам.

59

-творожная сыворотка (контроль)

гидролизованная творожная сыворотка

у--О,2424х!+5,9091> +12 R! =0,9903

Продолжительность, мин

-Обезжиренное молоко (контроль)

Гидролизе ванное обезжиренное молоко

Рисунок 11 - Динамика нарастания кислотности творожной сыворотки (а) и обезжиренного молока (б) под действием закваски па основе Str. ihermophilus и Lbm. bulgaricum (1:2), t = 43 °С

Также был исследован углеводный состав образцов низколактозных творожной сыворо тки и обезжиренного молока после процесса ферментации молочнокислыми микроорганизмами методом газо-жидкостной хроматографии. Хроматограммы опытных образцов напитков представлены на рисунке ¡2.

а з

л__Д

Рисунок 12 - Хроматограммы углеводного состава образцов низколактозных творожной сыворотки (а) и обезжиренного молока (б) после процесса сквашивания (т = 4 часа)

Анализ хроматограмм показывает, что содержание глюкозы и лактозы в

образцах низколактозных кисломолочных напитках уменьшилось. Массовая

доля галактозы осталась прежней в обоих случаях. Содержание углеводов в

низколактозной творожной сыворотке после процесса сквашивания:

галактоза - 1,6 %, глюкоза-0,6 %, лактоза - 0,05 %. Содержание углеводов в

низколактозном обезжиренном молоке: галактоза — 1,7 %, глюкоза - 1 %,

лактоза - 0,08 %.

По результатам исследований установили, что сочетание ферментативного гидролиза лактозы со сквашиванием молочнокислыми бактериями позволяет получать кисломолочные продукты с низким содержанием молочного сахара, которые целесообразно рекомендовать для включения в рацион питания людей, не переносящих лактозу.

Целью данной главы являлось также определение оптимального соотношения между гидролизованными творожной сывороткой и обезжиренным молоком, подвергнутым предварительной ферментации, чтобы продукт соответствовал требованиям к молочным напиткам по органолептическим и физико-химическим показателям.

Низколактозные обезжиренное молоко и творожную сыворотку сквашивали закваской на основе іИегторИНт и ІЬт. Ьи^апсит в соотношении 1:2, до кислотности 80 °Т. В сквашенное гидролизованпое молоко вносили 10 %. 20 %, 30 %, 40 % и 50 % сквашенной творожной сыворотки. После смешения проводили диспергирование продукта с целью

исключения процесса синерезиса. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 - Физико-химические показатели опытных образцов напитка

Наименование показателя Содержание творожной сыворотки в смеси, %

10 20 30 40 50

Титруемая кислотность, °Т 80 80 80 80 80

рН 4,5 4,48 4,42 4,4 4,34

Содержание сухих веществ, % 7,91 7,88 7,75 7,37 7,18

Таблица 4 - Органолептические показатели опытных образцов напитка

Содержание сыворотки в смеси, % Наименование показателя

Внешний вид и консистенция Вкус и запах Цвет

10 Однородна'! консистенция Чистый кисломолочный, немного сладковатый Белый

20 Однородная консистенция Чистый кисломолочный, мягкий, сладковатый Белый

30 Однородная консистенция Кисломолочный, мягкий, с еле ощутимым привкусом сыворотки, сладковатый Белый

40 Однородная, слегка жидкая консистенция Кисломолочный с привкусом и запахом сыворотки Белый, слегка прозрачный

50 Однородная жидкая консистенция Кисломолочный с ощутимым привкусом сыворотки Белый, слегка прозрачный

Для получения продукта с хорошими органолентическими и физико-химическими показателями возможно составление смеси, содержащей до 30 % ферментированной низколактозной творожной сыворотки. В этом случае продукт обладает чистым кисломолочным вкусом и запахом, молочным белым цветом и однородной консистенцией.

В результате исследований по храпимоспособности продуктов были определены микробиологические, физико-химические и органолептические показатели образцов напитков через 3, 7, 10 и 14 суток после изготовления. Данные эксперименты позволили установить гарантированный срок годности кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы, который составляет 7 суток при температуре (4 ± 2) °С. В таблице 5 представлены микробиологические показатели опытных образцов напитков

Таблица 5 - Микробиологические показатели образцов пизколактозиых кисломолочных напитков (срок хранения 7 суток)

Наименование образца Микробиологические показатели

БГКП (колиформы) в 0, J г продукта Количество молочнокислых микроорганизмов, КОЕ/г Дрожжи, плесени, КОЕ/г

Напиток из творожной сыворотки не обнаружено 1*107 20±2, 1 8:1:2

Напиток из обезжиренного молока не обнаружено 1x10я 15±2, 10±2

Комбинированный напиток не обнаружено 1х108 23±2,20±2

Исследования подтвердили, что микробиологические показатели низколактозпых напитков па конец срока годности (7 суток) соответствуют требованиям действующего «Технического регламента на молоко и молочную продукцию» № 88-ФЗ и СанПиН 2.3.2 1078-01.

В пятой главе «Разработка альтернативных вариантов технологии кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы и оценка их эффективности» изложена реализация результатов исследований. При разработке технологии напитков из вторичного молочного сырья за базу были приняты установленные в исследованиях параметры основных процессов — температурные и временные характеристики гидролиза лактозы, а также результаты ферментативной обработки полученного сырья. Для обозначения новых видов низколактозпых молочных продуктов творческим коллективом СсвКавГТУ под руководством академика Россельхозакадемии А. Г. Храмцова, аналогично зарубежной торговой марке «HYLA» («Hydrolyzed Lactose»), был предложен бренд «МиЛа» («Минимум Лактозы»). В настоящей работе, в соответствии с данным предложением, разработано три вида кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы: из творожной сыворотки — «МиЛа-С», из обезжиренного молока — «МиЛа-О», из смеси творожной сыворотки и обезжиренного молока - «МиЛа-ОС».

приемка и подготовка сырья

~ I

Технологический процесс производства кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы осуществляют в соответствии с блок-схемой, приведенной на рисунке 13.

I ) (2

1 — технология напитка МиЛа-С;

2 - технология напитка МиЛа-О;

3 - технология напитка МиЛа-ОС.

N=1 - производство напитка МиЛа-С; N=2 - производство напитка МиЛа-О; N=3 - производство напитка МиЛа-ОС

очистка от казеиновой пыли

X

охлаждение и кратковременное резервирование

Блок I - приемка, оценка качества и подготовка сырья; Блок И-

биотехнологическая обработка сырья; Блок III - производство готового продукта; Блок IV — производство комбинированного напитка.

пастеризация и охлаждение I = 60±2° С. т= 15 сек

{ X

V

приемка и подготовка сырья

охлаждение и кратковременное резервирование

пастеризация и охлаждение І = 80±2* С, х - 15 сек

внесение ферментного препарата, перемешивание

Л

Г

ферментация 1 = 5(Г С, т = 2,5-3 ч

X

внесение ферментного препарата, перемешивание

ферментация = 30" С, г = 3-3,5 ч

инактивация фермента I = 80±2" С, охлаждение до темпер, заквашивания 1-41 ±2'С

инактивация фермента 1 = 80±2* С, охлаждение до темпер, заквашивания 1 = 41 ± 2* С

сквашивание 1 = 41 ±2"С.т = 3.5-

У

V.

4ч

N = 2

N = 1

III

охлаждение

сквашивание 1 = 41 ±2'С,т = 3,5-4 ч

охлаждение

т:

внесение наполнителя, перемешивание

X

N = 3

N = 3

диспергирование

охлаждение и фасовка

X

внесение наполнителя, перемешивание

хранение и реализация

охлаждение и фасовка 1

хранение и реализация

IV

Рисунок 13 - Блок-схема производства кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы

На основе разработанной технологии были проведены опытные выработки низколактозных напитков из вторичного молочного сырья. Органолептические и физико-химические показатели качества опытных образцов представлены в таблице 6.

Таблица б - Показатели качества низколактозных напитков из вторичного молочного сырья

Наименование показателя Наименование продукта

МиЛа-С МиЛа-О МиЛа-ОС

Массовая доля сухих веществ, %, не менее 6,0 8,0 7,5

Массовая доля лактозы, %, не более 1,0 1,0 1,0

Тшруемая кислотность, "Г 80 ±2 80 ±2 80 ±2

Внешний вид и консистенция Однородная жидкость с незначительным осадком Однородная вязкая жидкость Однородная вязкая жидкость

Вкус и запах Сывороточный, со вкусом и запахом внесенного наполнителя Чистый кисломолочный со вкусом и запахом внесенного наполнителя Чистый кисломолочный со вкусом и запахом внесенного наполнителя, допускается незначительный привкус сыворотки

Цвет Характерный для внесенного наполнителя Характерный для внесенного наполнителя Характерный для внесенного наполнителя

Разработана анпаратурно-процессовая схема производства

низколактозных напитков из вторичного сырья с использованием имеющегося в отрасли оборудования.

Определены риски н критические контрольные точки с использованием принципов ХАССГ1. Проведен мониторинг и анализ опасных факторов по каждой критической контрольной точке, подтвердившие безопасность продукции. Маркетинг низколактозных напитков показал актуальность и необходимость получения такого рода продуктов. Оценка экономической эффективности разработанной технологии подтвердила ее рентабельность и

конкурентоспособность.

Выводы

1. На основании анализа современных тенденций развития молочной промышленности и пищевой биотехнологии обосновано применение творожной сыворотки и обезжиренного молока для производства низколактозных напитков.

2. В соответствии с особенностями вторичного молочного сырья подобраны ферментные препараты для проведения ферментативного гидролиза лактозы. Для творожной сыворотки - препарат грибной ß-галактозидазы «Лактоканесцин Г20х», для обезжиренного молока -препарат дрожжевой ß-галактозидазы «Ha-Laclase».

3. Получены математические модели, адекватно описывающие процесс ферментативного гидролиза лактозы в творожной сыворотке и обезжиренном молоке. Установлены оптимальные параметры протекания процесса гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье. Рациональными рабочими режимами процесса ферментации, обеспечивающими (75 - 85) %-ю степень гидролиза, являются следующие: для творожной сыворотки температура (50 ± 2) °С, продолжительность процесса 3 часа; для обезжиренною молока - температура (31 ± 2) °С, продолжительность процесса (3 - 3,5) часа.

4. Подобраны оптимальные виды молочнокислых микроорганизмов для сквашивания низколактозных творожной сыворотки и обезжиренного молока. Наиболее эффективной для данных видов сырья явилась комбинированная закваска на основе Sir. thermophilns и Lbm. bulgaricum (1:2). Продолжительность сквашивания составила (3,5 - 4) часа до кислотности (80 ± 2) °Т. Установлено, что процесс сквашивания в низколактозном вторичном молочном сырье протекает быстрее, чем в негидролизованном, за счет ускоренного кислотообразования в ходе сбраживания образовавшейся глюкозы.

5. Экспериментально подтверждено, что кисломолочные напитки из вторичного молочного сырья с гидролизоваиной лактозой отличаются минимальным содержанием молочного сахара (менее 0,1 %) и высокими органолентическими показателями.

6. Результаты экспериментальных исследований положены в основу разработки рецептур и технологии кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы. По результатам исследований и опытно-промышленных выработок разработан стандарт организации на производство кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы, а также получен патент РФ № 2441390, опубл. 10.02.2012 г.

7. Определение рисков и критических контрольных точек с использованием принципов ХЛССГ1 для разработанных технологий подтвердили их полную безопасность.

8. Маркетинговая и технико-экономическая оценка разработанных технологий низколактозпых напитков из творожной сыворотки и обезжиренного молока подтвердила их безотходность и конкурентоспособность.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Пашина Е. Ю. Сыворотка с пониженным содержанием лактозы, как сырье для получения ферментированных напитков [Текст] / Лодыгин А. Д., Пашипа Е. 10. // Материалы II Международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России». Том третий. Биотехнология, пищевая промышленность Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. -180 с.

2. Храмцов А. Г. Исследование процесса сквашивания молочной сыворотки с гидролизованной лактозой различными культурами молочнокислых микроорганизмов [Текст] / Храмцов А. Г. Лодыгин А. Д., Пашина Е. Ю. // Материалы XXXVII научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2007 год. Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. - С. 93-94.

3. Храмцов А. Г. Технология пизколактозного напитка из творожной сыворотки [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Пашипа Е. Ю. // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Современный взгляд на производство творога, творожных паст и сыров: расширение ассортнмапа, совершенствование технологии и оборудования», М.:, НОУ «Образовательный научно-технический центр молочной промышленности», 2008. - С. 144-145.

4. Пашипа Е. Ю. Технология получения ферментированного напитка па основе молочной сыворотки [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Пашина Е. IO. // Материалы XII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. - С. 196-197.

5. Донской Н. С. Инновационные технологии низколактозпых продуктов из молочного белково-углеводного сырья [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Варданян А. Г., Донской Н. С., Пашипа Е. Ю. // Материалы Всероссийской НГ1К «Трансформация научных исследований в производство - основа перехода молочной отрасли на инновационную модель развития». - Адлер: АПМП «Кубаньмолоко», 2008. —

С. 71-73.

6. Донской Н. С. Применение ферментативного гидролиза лактозы [Текст] / Донской Н. С., Лодыгин А. Д., Варданян А. Г., Пашина Е. К)., Храмцов А. Г. // Молочная промышленность №11, 2008 .-С. 74-75.

7. Пашина Е. Ю. Современное состояние и перспективы производства низколактозпых напитков [Текст] / Храмцов А. Г., Пашипа Е. IO. // Материалы III Международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества п XX веке». Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки, г. Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - 278 с.

8. Пашина Е. Ю. Технологические аспекты выработки нюколактозного натггка из молочной сыворотки [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Пашина Е. Ю. // Сборник научных трудов СевКавГТУ серия «Продовольствие», 2009. - С. 31-33.

9. Храмцов А. Г. Применение крноскопического метода для определения степени гидролиза лактозы в молочном белкопо-углеводном сырье [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Машина Е. IO., Варданян А. Г. // Инструментальные

методы для исследования живых систем в пищевых производствах: Материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы. Под общей ред. В. П. Юстратова; КемерОзский технологический инстигут пищевой промышленности. — Кемерово, 2009.-С. 4-5.

10. Храмцов А. Г., Изучение процесса ферментативного гидролиза лактозы в обезжиренном молоке [Текст] / Храмцов Л. Г., Лодыгин А. Д., ГІашіша Е. ІО-, Малько А, А.// Материалы ХШ научно-технической конференции «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону». Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С. 146-147.

11. Храмцов А. Г. Применение ферментативного гидролиза лактозы при производстве напитков из вторичного молочного сырья [Текст] / Хрзмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Цінніша Е. Ю.7/ Материалы XXXIX научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2009 год. Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГГУ, 2010. - С. 158-159

12. Пашина Е. Ю. Результаты направленного ферментативного гидролиза лактозы в обезжиренном молоке [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Пашина Е. Ю. // Сборник научных трудов СевКавГГУ серия «Продовольствие», № 6,2010. - С. 21-23.

13. Храмцов А. Г. Влияние гидролиза лактозы на процесс томления обезжиренного молока [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Пашина Е. Ю. // Сборник материалов научно-практической конференции «Инновационные технологии и оборудование в молочной промышленности», М..; НОУ «Образовательный научно-технический центр молочной промышленности», 2010. - С. 85-86

14. Храмцов А. Г. Подбор видового состава закваски для производства напитка из обезжиренного молока с гидролизованмой лактозой [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Пашина Е. ІО. // Научное обеспечение молочной промышленности. Сборник научных трудов. - М.: ГНУ ВНИМИ, 2010. - С. 225-229.

15. Храмцов А. Г. Основы технологии напитка из обезжиренного молока с гидролгоованной лактозой [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Машина Е. ІО. // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета № 3, 2011. -С. 106-108

16. Пашшіа Е. ІО. Иаїшгки из белково-углеводного сырья [Текст] / Пашина Е. 10., Храмцов А. Г., Лодыгин А, Д. // Молочная промышленность № 12, 20И.-С. 73-74.

17. Пат. № 2441390 Российская Федерация, МПК А 23 С 21/08 (2006.01). Способ производства напитка из молочной сыворотки [Текст] / Храмцов А. Г., Лодыгин А. Д., Пашина Е. ІО.; заявитель и патентообладатель СевКавГГУ. - № 2010143040/10; 20.10.2010; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4 - 6 с.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 14.02.2012 Формат60x84 1/16 Усл. псч. л. - 1,5. Уч.-изд. л. ~ I. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 25. Тираж 110 экз. ФГБОУ ВПО « Сеперо-Кавкачекпй государственный технический университет» 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» Отпечатано и типографии СсвКаиГТУ

61 12-5/1907

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования «Северо-Кавказский Государственный Технический Университет»

УДК 637.146

Пашина Елена Юрьевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КИСЛОМОЛОЧНЫХ НАПИТКОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЛАКТОЗЫ

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, академик РАСХН Храмцов А. Г.

На правах рукописи

Ставрополь - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ 8 ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Характеристика вторичного молочного сырья как объекта исследований для производства напитков 8

1.2 Необходимость и возможность производства напитков на основе вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы 16

1.3 Существующий ассортимент низколактозных продуктов 24

1.4 Способы снижения содержания лактозы в молочном сырье 28

1.4.1 Сбраживание лактозы молочнокислыми микроорганизмами 29

1.4.2 Элюирование лактозы 30

1.4.3 Мембранные методы обработки 35

1.4.4 Обоснование способа получения низколактозных продуктов

на основе ферментативного катализа 39

1.5 Обоснование выбора направления и задачи исследований 49 ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 51

2.1 Организация работы и схема проведения исследований 51

2.2 Объекты исследований 52

2.3 Методы исследований 56

2.4 Математическое планирование и обработка результатов

61

исследований

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ ВО ВТОРИЧНОМ МОЛОЧНОМ СЫРЬЕ 64

3.1 Определение активности ферментов, используемых для гидролиза лактозы

3.2 Изучение направленного гидролиза лактозы в творожной сыворотке 65

3.3 Изучение направленного гидролиза в обезжиренном молоке 69

3.4 Исследование взаимного влияния технологических факторов на эффективность ферментативного гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье 73

3.4.1 Оптимизация процесса гидролиза лактозы в творожной сыворотке 73

3.4.2 Оптимизация процесса гидролиза лактозы в обезжиренном молоке 77

3.5 Исследование влияния процесса гидролиза на физико-химические и органолептические показатели вторичного молочного сырья 80 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТИРОВАННЫХ НАПИТКОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ С 87 ГИДРОЛИЗОВАННОЙ ЛАКТОЗОЙ

4.1 Экспериментальное обоснование подбора заквасочных культур для производства напитка из творожной сыворотки 88

4.2 Экспериментальное обоснование подбора заквасочных культур для производства напитка из обезжиренного молока 92

4.3 Экспериментальное обоснование рецептуры комбинированного низколактозного напитка из творожной сыворотки и обезжиренного молока 97 4.4. Изучение хранимоспособности образцов кисломолочных напитков

из вторичного молочного сырья с пониженным содержанием лактозы 100 ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИИ НАПИТКОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЛАКТОЗЫ И 104 ОЦЕНКА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

5.1 Разработка аппаратурно-процессовой и технологической схемы производства кисломолочных напитков из вторичного молочного сырья

с пониженным содержанием лактозы 105

5.2 Оценка экономической эффективности производства напитков из творожной сыворотки и обезжиренного молока с пониженным содержанием лактозы 114

5.2.1 Маркетинговые исследования напитков из вторичного молочного сырья 114

5.2.2 Расчет себестоимости низколактозных напитков из вторичного молочного сырья 118

5.3 Безопасность с элементами ХАССП производства новых продуктов 127

5.3.1 Определение рисков и критических контрольных точек при производстве низколактозных напитков из вторичного молочного сырья 127

5.3.2 Анализ опасных факторов по системе ХАССП 128 ВЫВОДЫ 134 СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 136 ПРИЛОЖЕНИЯ 150

ВВЕДЕНИЕ

В конце XX века во всех развитых странах мира вопросы здорового питания возведены в ранг государственной политики [92]. Доказано, что правильное питание обеспечивает нормальный рост и развитие детей, способствует профилактике заболеваний, повышению работоспособности и продлению жизни людей, создает условия для адекватной адаптации их к окружающей среде [63].

Одним из существенных резервов увеличения производства молочных и других пищевых продуктов в нашей стране и других странах мира с развитой молочной промышленностью является рациональное использование составных частей молока. Общие ресурсы вторичного молочного сырья составляют около 70 % объемов перерабатываемого молока и по расчетам достигают ежегодно в России 15-20 млн т, что требует специального подхода к организации их промышленной переработки и является основой при создании безотходных производств по законченному или замкнутому технологическим циклам [64].

Обезжиренное молоко и молочная сыворотка широко используются для производства продуктов питания, кормовых средств, медицинских препаратов и технических полуфабрикатов [81].

Ассортимент продуктов из обезжиренного молока насчитывает несколько сотен наименований и постоянно расширяется. Наибольший интерес с точки зрения питательной ценности и рационального использования представляют молочные продукты с полным использованием сухих веществ обезжиренного молока - напитки, особенно кисломолочные и с наполнителями.

Обезжиренное молоко и молочные продукты, полученные на его основе, являются самыми желательными продуктами широкого потребления во всех возрастных и профессиональных группах населения. Особенно они рекомендуются для питания людей пожилого возраста и людей всех

возрастов, имеющих избыточную массу тела. Обезжиренное молоко также показано для широкого использования в питании людей, недостаточно физически нагруженных и ведущих малоподвижный, сидячий образ жизни. Многие считают, что низкожирные продукты менее вкусные - следовательно их реже покупают. Однако вкус продуктов зависит от технологов, перерабатывающих обезжиренное и маложирное сырье [81].

Что касается молочной сыворотки, то ее состав, пищевая и биологическая ценность дали основание считать ее универсальным сырьем (по акад. Н. Н. Липатову). При выработке продуктов из этого вида молочного сырья могут быть использованы все составные части сыворотки или отдельные компоненты.

Напитки из молочной сыворотки можно условно разделить на две большие группы: напитки свежие и напитки биологически обработанные. Ассортимент обеих групп напитков может быть существенно расширен за счет использования сахара, плодово-ягодных соков и сиропов, пряно-ароматических добавок. Биологическая ценность напитков может быть повышена за счет внесения витаминов, белковых добавок растительного и животного происхождения [94].

Одной из важных задач, актуальных для молочной промышленности России, является обеспечение населения продуктами функционального назначения. К таким продуктам относятся низколактозные молочные продукты, которые могут обеспечить полноценное питание людям с лактазной недостаточностью. По оценке экспертов непереносимость молочного сахара наблюдается у некоторых детей и пожилых людей.

Именно поэтому из всего ассортимента молочных напитков большой интерес представляют напитки с пониженным содержанием лактозы.

Гидролиз лактозы позволяет улучшить технологические и потребительские свойства молочного сахара, обеспечивает возможность получения гидролизатов и создание на их основе продуктов питания нового поколения для решения проблем людей, страдающих интолерантностью к

молочному сахару.

Все вышеизложенное указывает на актуальность изучения закономерностей гидролиза лактозы как одного из перспективных биотехнологических способов переработки молочного сырья и разработки технологии низколактозных напитков.

При выполнении работы использованы труды отечественных и зарубежных ученых: Ю. Я. Свириденко, Э. Ф. Кравченко, А. Г. Храмцова, И. А. Евдокимова, М. С. Коваленко, В. В. Василисиной, Н. Г. Чеботаревой, JL А. Остроумова, JI. В. Голубевой, К. К. Полянского, И. С. Хамагаевой, С. Г. Козлова, J. Zadow, Е. Murray, О. Braun, К. Hicks, Т. Mizota, Y.Tamura, М. Tomita и др.

Целью диссертационной работы является изучение процессов ферментативного гидролиза лактозы и последующей ферментации вторичного молочного сырья с разработкой технологии кисломолочных низколактозных напитков. На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:

1. Результаты исследований процессов ферментативного гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье.

2. Математические модели процесса ферментативного гидролиза лактозы во вторичном молочном сырье и оптимизированные технологические параметры производства низколактозных напитков из вторичного молочного сырья.

3. Экспериментальные данные по сквашиванию вторичного молочного сырья с частично гидролизованной лактозой культурами молочнокислых микроорганизмов.

4. Результаты физико-химических, органолептических, микробиологических и маркетинговых исследований разработанных продуктов.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Характеристика вторичного молочного сырья как объекта исследований для производства напитков

Обезжиренное молоко и молочная сыворотка являются ценным сырьем для производства различных продуктов питания. Основными компонентами вторичного молочного сырья являются липиды (молочный жир), белки и углеводы (лактоза). Кроме основных компонентов в нежирное молочное сырье переходят минеральные соли, небелковые азотистые соединения, витамины, ферменты, гормоны, иммунные тела, органические кислоты, т.е. почти все соединения, обнаруженные в настоящее время в молоке. Содержание основных компонентов в обезжиренном молоке и молочной сыворотке в сравнении с цельным молоком приведено в таблице 1.1 [90, 95].

Таблица 1.1 - Сравнительный состав различных видов молочного сырья

Сырье Компоненты, % Энергетическая ценность, кДж/кг

Сухие вещества Молочный жир Белки Лактоза Минеральные вещества

Цельное молоко 12,3 3,6 3,2 4,8 0,7 2805

Обезжиренное молоко 8,8 0,05 3,2 4,8 0,75 1440

Молочная сыворотка 6,3 0,2 0,8 4,8 0,5 1013

Молочный жир - сложное соединение глицерина с насыщенными (масляной, капроновой, каприловой и др.) и ненасыщенными (деценовой, додеценовои, тетрадеценовои, гексадеценовои, олеиновои и др.) жирными кислотами. Особенностью молочного жира является высокая степень дисперсности. Размер жировых шариков составляет 0,5-1,0 мкм, что способствует более легкому эмульгированию, омылению и усвояемости (9496 %) жира. Кроме молочного жира обезжиренное молоко и молочная

сыворотка содержат фосфатиды (лецитин, кефалин, сфингомиелин) и стерины (холестерин, эргостерин) [90, 71].

К белковым азотистым соединениям, содержащимся в обезжиренном молоке и молочной сыворотке, относятся следующие: казеин, лактоальбумин, лактоглобулин, эвглобулин и псевдоглобулин. Они содержат все незаменимые аминокислоты, а также аланин, аспарагиновую кислоту, глицин, глютаминовую кислоту и другие. Некоторые незаменимые аминокислоты, как, например, лейцин, изолейцин, метионин, лизин, треонин, триптофан, представлены в белках молочной сыворотки даже в большем количестве, чем в белках молока (казеине) [71].

В нежирном молочном сырье и особенно в молочной сыворотке присутствуют также небелковые азотистые вещества в виде мочевины, мочевой кислоты, гиппуровой кислоты, креатина и пуриновых оснований (продукты распада нуклеиновых кислот) [95, 71].

В обезжиренном молоке и молочной сыворотке углеводы представлены главным образом молочным сахаром (лактозой) и продуктами его гидролиза (глюкозой и галактозой). Имеются сведения о присутствии в незначительных количествах пентозы (арабинозы) и лактулозы [90, 16].

Усвояемость молочного сахара достигает 98,0-99,7 %, а медленное его расщепление способствует поддерживанию жизнедеятельности молочнокислых микроорганизмов в кишечнике [91].

Минеральные вещества присутствуют во вторичном молочном сырье в виде органических соединений. В сыворотке минеральных веществ несколько меньше, чем в обезжиренном молоке, так как некоторая часть солей переходят в основной продукт (сыр, творог, казеин). В состав молочного белково-углеводного сырья входят также микро- и ультрамикроэлементы - железо, медь, марганец, кобальт, мышьяк, йод, кремний, германий.

Органические кислоты во вторичном молочном сырье представлены лимонной, молочной и нуклеиновой, витамины - водорастворимыми (С, В1,

В2, Вб, В12, РР, пантотеновая и аскорбиновая кислоты) и жирорастворимыми (А, О, Е). Содержание витаминов приведено в таблице 1.2 [90, 95].

Таблица 1.2 - Витаминный состав вторичного молочного сырья

Витамины Содержание, мг/кг

Обезжиренное молоко Молочная сыворотка

Подсырная Творожная

Тиамин (ВО 0,32-0,45 0,315 0,363

Рибофлавин (В2) 1,10-1,80 1,389 1,107

Пиридоксин (В6) 1,30-1,60 0,524 0,478

Аскорбиновая кислота(С) 2,30-3,50 0,500 0,500

Кобаламин (В 12) 2,20-2,90 0,029 0,010

Ретинол (А) 0,02-0,03 0,022 0,110

Токоферол (Е) 0,29-0,50 0,227 0,315

Филлохинон (К) 0,07 - -

Биотин (Н) 0,01 0,100 0,020

Ферменты, содержащиеся во вторичном молочном сырье, можно разделить на гидролазы и фосфорилазы, ферменты расщепления, окислительно-восстановительные, ферменты переноса и ферменты изомеризации. В тех случаях, когда обезжиренное молоко или сыворотка подвергаются тепловой обработке при температуре выше 75 °С, ферменты обычно разрушаются [16].

Энергическая ценность обезжиренного молока и молочной сыворотки определяется входящими в их состав компонентами (жирами, белками, углеводами и минеральными веществами).

Обезжиренное молоко - наиболее выраженный в количественном отношении вид вторичного молочного сырья. При полном и рациональном использовании обезжиренного молока в пищевых целях можно значительно повысить уровень потребления молочного белка, который относится к лучшим видам животного белка.

Важной особенностью молочных белков является способность их при расщеплении всасываться непосредственно из кишечника в кровь. Белки обезжиренного молока также обладают этим свойством. В обезжиренном

молоке содержится больше холина, важного липотропного антиатеросклеротического вещества. Так, в сухом цельном молоке содержится 81 мг/% холина, а в сухом обезжиренном молоке - 110 мг/%. Обезжиренное молоко характеризуется достаточно высоким содержанием сухих веществ, что позволяет получать из него ценные в биологическом отношении молочные продукты [93].

Таким образом, обезжиренное молоко и молочные продукты, полученные на его основе, являются самыми желательными продуктами широкого потребления во всех возрастных и профессиональных группах населения. Особенно они рекомендуются для питания людей пожилого возраста и людей всех возрастов, имеющих избыточную массу тела. Обезжиренное молоко также показано для широкого использования в питании людей, недостаточно физически нагруженных и ведущих малоподвижный, сидячий образ жизни.

Все виды молочной сыворотки - подсырная, творожная и казеиновая -обладают практически идентичными биологическими свойствами. Однако если обезжиренное молоко является источником высокоценного белка, то молочная сыворотка является, главным образом, источником лактозы, содержание которой составляет более 70 % сухого вещества [90].

Гидролиз лактозы в кишечнике протекает замедленно, в связи с чем ограничиваются процессы брожения и нормализуется жизнедеятельность полезной микрофлоры. В результате этого замедляются гнилостные процессы, газообразование и всасывание токсических гнилостных продуктов (аутоинтоксикация). Таким образом, молочная сыворотка является незаменимым продуктом в питании пожилых людей и людей с избыточной массой тела (она в наименьшей степени используется в организме для жирообразования), а также с малой физической нагрузкой.

В числе компонентов молочной сыворотки важное место занимают белковые азотистые соединения, содержание которых достигает 1 %. Сывороточные белки характеризуются некоторыми особенностями,

главнейшими из которых являются оптимальный набор и сбалансированность серосодержащих и других жизненно необходимых аминокислот, особенно цистина, метионина, а также лизина, гистидина, триптофана, что обеспечивает лучше регенеративные возможности для восстановления белков печени, гемоглобина и белков плазмы крови (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Общее содержание аминокислот в творожной сыворотке

аминокислоты

свободные в белках

всего в том числе незаменимых всего в том числе незаменимых

450,0 356,0 5590 2849

В молочной сыворотке содержится небольшое количество жира (0,1-0,2 %), однако качество этого жира высокое, в том числе и в от�