автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологий пробиотических продуктов из молочной сыворотки, ферментированной экзополисахаридпродуцирующими штаммами L. acidophilus

На правах рукописи

MAPKEJIOBA Вероника Витальевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПРОБИОШЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ ИЗ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ, ФЕРМЕНТИРОВАННОЙ ЭКЗОПОЖСАХАРИДПРОДУЦИРУЮЩИМИ ШТАММАМИ L. ACIDOPHILUS

05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I ¿:JIJ

005538279

Санкт-Петербург 2013 г.

і

005538279

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Красникова Людмила Васильевна

Официальные оппоненты: Новоселов Александр Геннадьевич

доктор технических наук, профессор кафедры процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Степанова Лариса Ивановна

кандидат технических наук

AHO «Центральный научно-исследовательский

институт современных жировых технологий», директор

Ведущая организация: ГНУ ВНИИ пищевых ароматизаторов кислот и

красителей Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИПАКК Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится « Ч » С£{с-Сгл1офЛ\Ъ года в / V часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.fl9 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, тел/факс: (812) 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО «Институт холода и биотехнологий»

Автореферат разослан »С013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Колодязная Валентина Степановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Проблема рационального и полного использования молочной сыворотки существует во всех странах с развитыми молокоперерабатывающими предприятиями. В России ежегодно в качестве побочного продукта образуется более 2,2 млн.т. творожной сыворотки; однако промышленной переработке подвергается всего около 30%. Практикуемый на сегодня повсеместный слив ее в канализацию эквивалентен ежегодной потере 1,3 млн. т. молока. Один из способов экологизации молочной отрасли заключается в комплексном использовании всех компонентов молочной сыворотки.

Практически идея комплексного подхода к переработке молочной сыворотки реализуется посредством ферментации ее специально подобранными пробио-тическими штаммами молочнокислых бактерий (МКБ) Lactobacillus acidophilus.

В последние годы особое внимание уделяется скринингу заквасочных культур L.acidophilus, способных выделять в окружающую среду экзополисахариды (ЭПС), которые могут быть использованы как в качестве натуральных биозагустителей, улучшающих реологические характеристики кисломолочных продуктов, так и выступать в роли факторов адгезии полезных микроорганизмов на стенках кишечника.

Преимущества использования штаммов МКБ, способных продуцировать ЭПС in situ, состоят в увеличении продолжительности холодильного хранения, уменьшении синерезиса, улучшении текстуры и консистенции продуктов. Для обоснования безопасности применения ЭПС МКБ при изготовлении различных пищевых продуктов необходимы знания об их строении и свойствах. В связи с этим исследования, посвященные изучению структуры, физико-химических свойств ЭПС бактерий рода Lactobacillus, являются актуальными и имеют значительный научный интерес и прикладное значение. Большой вклад в исследование строения и свойств, методов выделения и очистки таких биополимеров внесли зарубежные и отечественные ученые: L. De Vuyst, В. Degeest, Sutherland, J.Cerning, I.C.Boels, F. Vaningelgem, R. Van Kranenburg, J. Hugenholtz, M. Kleerebezem; Ботина С.Г., Ганипа В.И., Рожкова T.B., Семенихина В.Ф., Артюхова С.И., Полукаров Е.В., Правдивцева М.И. и др.

В результате ферментации молочной сыворотки ЭПС-продуцирующими штамм-мами L. acidophilus, повышается ее пищевая ценность, улучшаются органолептичес-кие и реологические характеристики. Изменение свойств сыворотки в результате ферментации позволяет использовать ее для разработки пробиотических десертов и напитков с целью расширения ассортимента продуктов из молочной сыворотки.

Цель работы: разработка технологии функциональных десертов и напитков из молочной сыворотки с использованием пробиотических вязких и невязких штаммов ацидофильной палочки.

Задачи исследования:

- изучить биотехнологический потенциал штаммов Lactobacillus acidophilus (скорость роста, степень сбраживания лактозы, протеолитическая активность, продукция молочной кислоты) при ферментации молочной сыворотки;

- исследовать широту и спектр антагонистической активности штаммов L. acidophilus по отношению к оппортунистическим микроорганизмам;

- изучить реологические характеристики ферментированной сыворотки, подобрать методику выделения ЭПС вязких штаммов L. acidophilus из ферментированной сыворотки, установить их моносахаридный состав;

- разработать технологию и рецептуры функциональных пробиотических десертов и напитков из ферментированной молочной сыворотки;

- изучить органолептические, физико-химические и микробиологические показатели качества и безопасности разработанных продуктов, обосновать рекомендуемые сроки их годности;

- разработать проекты технической документации на десерты и кисели функционального назначения.

Научная новизна. Научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность и перспективность производства функциональных пробиотических напитков и десертов из молочной сыворотки, ферментированной штаммами L. acidophilus 5е, Н, 7тц, синтезирующими экзополисахариды.

Впервые выделены экзополисахариды, синтезируемые в молочной сыворотке штаммами-продуцентами L.acidophilus 5е, 7тіз, Н. Показано, что количества синтезируемых ЭПС и их моносахаридный состав зависят от штамма продуцента.

Разработаны новые технологии и рецептуры функциональных желированных десертов и киселей из ферментированной молочной сыворотки. Установлено, что благодаря накоплению в сыворотке экзополисахаридов, расход желирующего агента для приготовления десертов снижается в 2 раза. В технологии киселей для создания вязкой консистенции впервые использованы полисахариды семян льна.

Практическая значимость. Полученные научные результаты легли в основу технологий производства пробиотических желированных десертов и киселей из ферментированной молочной сыворотки. Разработаны проекты технической документации на десерты и кисели функционального назначения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- биотехпологический потенциал штаммов ацидофильной палочки и их скрининг для создания пробиотических продуктов из ферментированной молочной сыворотки;

- перспективность использования отобранных штаммов в технологии функциональных продуктов;

- особенности синтеза экзополисахаридов штаммами ацидофильной палочки, способы их выделения и свойства;

- технология функциональных десертов и напитков из ферментированной молочной сыворотки.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на: 62-64-й студенческих научно-технических конференциях СПбГУНиПТ (Санкт-Петербург, 2009-2011); 65-й научно-технической конференции студентов и аспирантов ИХиБТ НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012); IV Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 25-27 ноября 2009 г.); V Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 22-24 ноября 2011 г.); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 24 апреля 2012 г.); XIV Всероссийском Конгрессе диетологов и нутрициологов с международным участием «Питание и здоровье» (Москва, 3-5 декабря 2012 г.); II Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 9-12 апреля 2013 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Пищевые ингредиенты и инновационные технологии в производстве продукции здорового питания» (Санкт-Петербург 15-16 мая 2013 г.)

Личный вклад соискателя состоит в подготовке и проведении экспериментальных исследований на всех этапах диссертационной работы, интерпретации полученных результатов, участии в подготовке публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав: обзора литературы и собственных исследований, включающих объекты и методы исследований, результаты исследований и их обсуждение, а также заключения, выводов и списка используемых литературных источников и приложений. Основная часть работы изложена на 112 страницах, содержит 18 таблиц, 18 рисунков. Список использованных литературных источников включает 138 наименований, в том числе 55 зарубежных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна, практическая значимость и достоверность научных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В аналитическом обзоре литературы рассмотрены современные тенденции в производстве функциональных продуктов питания. Приведены данные о механизме полезного действия пробиотиков и критериях их скрининга. Рассмотрены особенности биосинтеза ЭПС молочнокислыми бактериями. Представлен состав и биологическая ценность молочной сыворотки. Систематизирована информация об ассортименте пробиотических напитков и десертов из молочной сыворотки. На основе анализа литературных данных определены цель и задачи исследования.

Схема проведения исследования и определяемые показатели приведены на на рис. 1., где: 1 - титруемая кислотность, °Т; 2 - активная кислотность (рН); 3 -скорость роста в молоке; 4 - время свертывания молока, ч; 5 - предельная кислотность в молоке, °Т ; б - содержание лактозы; 7 - количество молочной кислоты; 8 - содержание белка; 9 - протеолитическая активность; 10 -антагонистическая активность; 11 - микроскопический препарат; 12 - количество клеток лактобактерий; 13 - органолептические свойства; 14 - количество ЭПС; 15 -вязкость; 16 - гидромодуль; 17 - общее содержание углеводов; 18 - содержание сухих веществ; 19 - БГКП; 20 - дрожжи; 21 - плесени; 22 - энергетическая ценность.

Объекты, материалы и методы исследования Объектами служили:

- штаммы молочнокислых палочек Lactobacillus acidophilus Зе, 5е; 7 тц; Н; Н3; 22 п2; 20 Т; 422 (из коллекции ИХиБТ);

- сыворотка творожная пастеризованная (ОАО «Тихвинский молочный завод»);

- наполнители: мед гречишный, каштановый; сироп «Брусника», «Клюква», «Черника», «Зеленый чай с шиповником», «Боярышник и черноплодная рябина», лимонная эссенция, клубничный ароматизатор; концентрат виноградного сока; семена льна;

- гелеобразователь: желатин пищевой;

- образцы готовых продуктов (ГП).

Чистые культуры хранили в сублимированном виде. Активирование сублимированных культур проводили при температуре 37±1 °С в течение 10-12 ч. Первичную закваску готовили на стерилизованном обезжиренном молоке; вносили в раскислен-

ную (pH 6,1-6,3; 22-25°Т) пастеризованную (86±2 °С, 30 с) творожную сыворотку в количестве 5%. Ферментацию проводили при оптимальной для лактобацилл температуре 37±1 °С в течение 6-7 ч.

Количество молочнокислых бактерий определяли по ГОСТ 10444.11-89 и методом прямого подсчёта под микроскопом Виноградского-Брида (Инихов, Брио, 1971). Удельную скорость роста определяли расчётным методом (Шлегель, 1987).

I Подбор исгочииков и анализ научно-технической и специальной литературы |

X

Функциональные продукты и их роль в питании человека

X

Характеристика м/о вида L acidophilus как про-биотиков

Ї

Молочная сыворотка. Свойства и ценность се компонентов

£

Способность Изучение

м/о вида ассортимен-

L acidophi- та фермен-

lus синтези- тированных

ровать экзо- продуктов

полисахари- из молочной

ды сыворотки

1

Обоснование выбора вкусовых и функциональных компонентов

[Формирование цели и задач исследования |

Ф

Разработка схемы проведения исследований и подбор методов исследования

Исследование особенностей ферментации молочной сыворотки штаммами L. acidophilus _Зе, 5е, Н, Нз, 7т,г, 20Т, 22пг, 42г

1-13

Выделение н очистка экзополисахаридов, синтезируемых штаммами L. acidophilus Зе, 5е, Н, 7т /з_•

14,15

I Выборпсрсиекгивпьп штаммов L. acidophilus \

Изучение состава сыворотки, ферментированной отобранными штаммами

разработка рецептурного состава

и технологии желироваппых десертов из ферментированной молочной сыворотки

Разработка рецептурного состава и технологии киселей на основе ферментированной молочной сыворотки_

13,15

X 1,13,15,16

Исследование свойств готовых продуктов и гигиеническая оценка сроков годпости

1,2,8,11-13,17-22

Практическая реализация результатов _исследования_• .

Разработка проектов технической документации_

Проведение производственных испытаний

Рисунок 1 - Схема проведения исследования

Антагонистическую активность (АА) лактобацилл определяли стадартным методом перпендикулярных штрихов на среде МРС-5. Учет результатов производили по величине зоны задержки антагонистом роста тест-культур (мм).

Титруемую кислотность сыворотки определяли по ГОСТ 3624-92, рН сыворотки, ферментированной соответствующим штаммом - при помощи рН-метра рН-410.

Содержание лактозы в молочной сыворотке определяли иодометрическим методом по МВИ № 04-2006; количество молочной кислоты - колориметрическим методом Шмелевой, Новотельнова, Деревянко (1963); протеолитическую активность -методом казеиновой преципитации (Sandvik, 1967).

Динамическую вязкость образцов нативной и ферментированной сыворотки определяли на ротационном вискозиметре модели LVDV - П+ Pro; Фирма «Brookfield engineering, inc» (США).

Для выделения и очистки экзополисахаридов (ЭПС) лактобацилл использовали осаждение ацетоном (De Vuyst, 1998) и спиртом (Gancel, Novel, 1994; Cerning, 1992). Общее количество углеводов в ЭПС и образцах ГП определяли фенол-серным методом (Dubois, 1956; Cui et al., 2005). Содержание белка в образцах ферментированной сыворотки и остаточное содержание белка в выделенных ЭПС определяли по методу Лоури (Lowiy et al., 1951).

Содержание влаги и сухих веществ (СВ) в образцах готовых продуктов определяли высушиванием согласно ГОСТ 3626-73. Гигиеническую оценку сроков годности проводили в соответствии с требованиями МУК 4.2.1847-04 и СанПиН 2.3.2.1324-03.

Статистический анализ результатов проводили по стандартным методикам (Воробьев, Елсуков, 1989).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Оценка биотехнологического потенциала штаммов Lactobacillus acidophilus

Исследование биотехпологического потенциала штаммов Lactobacillus acidophilus Зе, 5е, 7т 1з, Н, Н3, 22п2, 20 Т, 422 с целью дальнейшего практического использования проводили в следующей последовательности. Первоначально изучали основные технологические свойства штаммов (табл. 1)

Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что наименьшим временем свертывания молока и наибольшей удельной скоростью роста в молочной сыворотке обладают штаммы L.aci-<1орЫ1ш 7ти, И и 5е. Исходя из требований, предъявляемых к заквасочным микроорганизмам в промышленности, данные штаммы являются перспективными, т.к. способны свертывать молоко в течение 4-5 часов с образованием ровного, плотного, вязкого сгустка.

Таблица 1 - Характеристика штаммов L. acidophilus

Штаммы L. acidophilus Время свертывания молока, ч Предельная кислотность в молоке, °Т М-тах при культивировании в сыворотке

422 5,9±0,3 269±5 0,40±0,05

Н 4,2i 0.2 : 285+5 0.52+0,05 :

7шіз 4,2±0,4 33015 0,55 Ю.05

20 Г 5.8; 0,4 294+5 0,43±0,05:

22п2 5,9±0,4 279±5 0,3 8±0,05

Г_;; Зе 5,8±0,5 290+5 0,38+0,05

5е 4,0±0,4 315±5 0,60±0,05

Нз ■ 6,2 i 0,5 ■ 263±5 0,43±0S05;:

На следующем этапе изучали интенсивность кислотонакопления при ферментации молочной сыворотки по изменению титруемой (°Т) и активной (рН) кислотности (рис. 2 (а, б)).

Через 6 часов ферментации штаммами L. acidophilus 7т,Н, 5е и 422 титруемая кислотность сыворотки составляла 70-80 °Т, что является благоприятным для дальнейшего использования культур в качестве стартерных при производстве ферментированных сывороточных продуктов.

.0 и----Р-1---3'5

0 2 4 6 8 ° п2 4 А 6 8

„ . Продолжительность ферментации, ч

Продолжительность ферментации, ч

а) б)

Рисунок 2 - Изменение титруемой (а) и активной (б) кислотности при ферментации молочной сыворотки различными штаммами L. acidophilus

Результаты исследования лактозосбраживающей способности штаммов ацидофильной палочки и сопоставление полученных результатов с интенсивностью кисло-тообразования приведены на рис. 3.

°,*> «мш» . т . я Как видно из рис. 3, штаммы сущест-

венно различались по потреблению лактозы, которое составляло от 0,17 до 0,75 г на 100 г сыворотки. В целом, наиболее выраженной Р-галактозидазной актив-езо «14®-Н- — -нш . — —.. — ностью обладали штаммы L. acidophilus Н, 020 5 X 7т1з и ^е. Также отмечено, что потреб-

лю Я^ШжЯШ^рДк Д^ ление лактозы вязкими штаммами L.

о,оо acidophilus Н, 7т,3, и 5е превосходит

3« 5е к «5 и* 22« количество образующейся в ходе

Япр^*»«^;»«™,™* к Расход.lanraJt, r/ioor ферментации молочной кислоты, что обус-

Рисунок 3 - Оценка эффективности сбра- ловлено конверсией части производных живания лактозы и продукции молочной лактозы в ЭПС. В ходе проведения данного кислоты штаммами L. acidophilus после 6 ч исследования было сделано интересное ферментации наблюдение: при ферментации молочной

сыворотки некоторыми штаммами ацидофильной палочки, а именно L. acidophilus 7тц, Н, Зе и 5е, хлопьевидный осадок сывороточного белка становился однородным и приобретал слизеобразный характер. Причем именно эти штаммы придавали молочному сгустку «вязкий» характер за счет

422 22о2 20 Т НЗ Зе 5е Н 7ш13

образования ЭПС. При ферментации сыворотки другими штаммами осадок белка оставался хлопьевидным. На основании этих наблюдений было сделано предположение о том, что в ходе ферментации сыворотки вязкими штаммами ацидофильной палочки происходит образование комплексов ЭПС с сывороточными белками, причем количество последних, по-видимому, существенно снижалось. Результаты исследований ПА штамммов ацидофильной палочки представлены на рис. 4.

Анализ данных рис. 4, показывает, что ПА вязких штаммов L. acidophilus Зе, 5 и Н

более выражена при развитии в сыворотке, чем в молоке. Отмечено, что для штамма L. acidophilus 7т¡з среда культиви-рования не оказывает существенного влия-ния на величину I1A, разброс значений нахо-дится в пределах ошибки. При этом рассматриваемые штаммы можно расположить в порядке убывания их ПА следующим образом Н > 5е > 7ш13> Зе.

Поскольку исследование ПА штаммов методом казеиновой преципитации не дает представления о том, какое количество белка

' ЯЕГ

"SsSafrgftTT'i В

ПАв сыво ротее □ ПАв

щі

0 50 100 150 200 250

Двямстр зон казеиновой преципитации, мм2

Рисунок 4 - Протеолитическая активность расходуется в процессе ферментации, допол-штаммов L. acidophilus при культивиро- нительно определяли снижение содержания вании в молоке и молочной сыворотке белка в сыворотке методом Лоури (рис.5).

г-/'.*'

вґі " і '-Ш'

: : MS ^^ ш

0,000

Исходя из данных, представленных на рис.5., наибольшее количество белка для роста требуется пггамммам L.acidophilus 7mц и 5е - за 6 ч они расщепляет до 28% исходного количества белка, что составляет 0,16±0,03 г; наименьшее - для роста L.acidophilus Зе - 0,07±0,03 г (13% от исходного). Результаты исследования потребности невязких штаммов в белке не приведены, поскольку полученные значения малы и не имеют практической ценности.

Таким образом, показано, что наиболее приспособленными к росту в сыворотке являются штаммы L. acidophilus 7тц, Зе, 5е, Н и ее использование в качестве куль-туральной среды является целесообразным с точки зрения обеспечения потребности штаммов в белке и аминокислотах.

Антагонизм некоторых штаммов L. acidophilus к патогенным и опортунисти-ческим микроорганизмам обусловлен как продукцией молочной кислоты и других неспецифических антимикробных метаболитов (перекиси водорода, лизоцима), так и

Штаммы L-actdophiius

Рисунок 5 - Содержание белка в образцах сыворотки на момент начала и через 6 часов ферментации

синтезом специфических антимикробных веществ (бактериоцинов). Степень антагонизма ацидофильной палочки зависит от состава питательной среды и значительно различается у отдельных ее штаммов.

Для исследуемых культур были получены следующие результаты:

1. Штамм 20Т отличался максимальным спектром и уровнем АА как по отношению к Гр(-), так и к Гр(+) бактериям. Допустимо полагать, что штамм 20Т обладает не только неспецифическим антагонизмом (молочная кислота), но и продуцирует специфические антимикробные агенты (бактериоцины);

2. Вязкий штамм 7m,3 проявляет высокий спектр и уровень АА по отношению к Гр(-) бактериям, однако является одним из последних по данным показателям по отношению к Гр(+) бактериям. Интересным представляется факт, что у вязкого штамма Н антагонизм более выражен по отношению к Гр(+) бактериям и менее выражен к

Гр(-);

3. В целом все штаммы проявляют высокую АЛ к изученным Гр(-) бактериям; устойчивы к контрантагонизму Е. coli и К. pneumonia (зона подавления роста лакгго-бацилл не превышает 10 мм), но не к P. aeruginosa; проявляют выраженную АА к изученным изолятам S. aureus, однако чувствительны к контрантагонизму данных изолятов.

По совокупности характеристик перспективными для дальнейшего исследо-вания и использования в технологии пробиотических продуктов из молочной сыво-ротки были признаны вязкие штаммы L. acidophilus 5с, 7тц и Н: они свертывали молоко в течение 4-5 ч с образованием ровного, плотного, вязкого сгустка; обладали высокой скоростью роста в сыворотке |imax= 0,5-Ю,6; характеризовались высоким спектром и уровнем АА по отношению к Гр(+)- и Гр(-) бактериям; кислотность сыворотки через 6 ч ферментации составляла 70-80 °Т; в ходе ферментации могли расщеплять до 28 % белка.

Выделение экзоиолисахаридов штаммов ацидофильной палочки, изучение их реологических свойств

Для выделения и очистки ЭПС лактобацилл используется большое количество различных методик, среди которых до сих пор не выявлены наиболее эффективные. На основании анализа литературных данных были выбраны 2 методики, наиболее часто используемые при работе с культуральными средами сложного состава — методы L. De Vuyst (1998) (№1) и Gancel, Novel (1994) (№2).

Отсутствие белков в надосадочной жидкости на стадии их осаждения устанавливали с использованием биуретового реактива. Результаты количественного определения содержания ЭПС в ферментированной сыворотке по окончании ферментации приведены в табл. 4.

Как видно из данных, представленных в табл. 4, наибольшей способностью к синтезу ЭПС, вне зависимости от способа их выделения, обладают штаммы 7ши и 5е, продуцирующие 312,6±24,7 и 305,8±26,2 мг ЭПС/л сыворотки соответственно. При сопоставлении данных видно, что выход ЭПС, определенный методом №1, выше, чем при выделении методом № 2. Данное обстоятельство, скорее всего, связано с явлением частичного соосаждения белков и пептидов с ЭПС, что было подтверждено при определении содержания белка в выделенных ЭПС (оно составляло до 4-5%).

Таблица 4 - Содержание ЭПС в сыворотке, ферментированной штаммами L. acidophilus

Штамм Количество ЭПС, мг/дм"* сыворотки,

L. acido- согласно методу

philus № 1 №2

Зе 188,5±16,3 177,4±15,9

• 5 с 316,0+25,3' . 305,8±26.2-

Н 259,2±18,7 245,3±17,8

7т,з- 328,7±29,4 - 312,6±24,7-'

Предусмотренная вторым способом операция диализа, предназначенная для очистки ЭПС от низкомолекулярных соединений, позволила снизить содержание белковых примесей до 0,3-0,5%. Таким образом, предпочтительным при выделении ЭПС является метод №2, включающий дополнительную операцию - диализ.

С помощью фенол-серного метода Dubois (1956) было установлено, что выделенные ЭПС состоят из остатков глюкозы и галактозы.

Поскольку количества полученных ЭПС лактобацилл малы, определить непосредственно вязкость их водных растворов не представлялось возможным, поэтому определяли вязкость ферментированной сыворотки. Результаты исследований отражает график зависимости вязкости от скорости сдвига lgT|=fi(lgy), представленный на рис.6.

Отмечено, что вязкость образцов молочной сыворотки после ферментации ее штамммами L. acidophilus Н, 5е и 7тп возросла в 1,3; 1,4 и 1,5 раз соответственно. Из данных, представленных на рис. 6 видно, что между собой вязкость ферментированных образцов отличается незначительно. Однако в ходе ранее проведенных исследований было установлено, что для штаммов L. acidophilus 5е и 7т13 характерна более высокая скорость роста в молочной сыворотке, и поэтому они были отобраны для проведения последующих этапов работ.

"- ' 'Г

..гГ.таГ^-гн- м.. hj v—t;»--'i*.

ж®1-*'-*

■ ii-Fii;.'

1 1-Л " . .

100

Скорость сдвига, 1/c

Рисунок 6 - Реологические характеристики сыворотки, ферментированной штаммами L. acidophilus

Технология пробиотическнх десертов из ферментированной молочной сыворотки

Желе из молочной сыворотки вырабатывается с использованием желатина, закваски ацидофильной палочки и различных наполнителей (мед, плодово-ягодные сиропы, фитоэкстракты, ароматизаторы).

Технологический процесс производства включает в себя следующие операции: приемка, подготовка сырья и вспомогательных материалов; раскисление сыворотки до кислотности 20^22 °Т, пастеризация сыворотки (86±2 °С, 30 с), охлаждение до температуры заквашивания (38±1 °С), сквашивание (5-6 ч, 37±1 °С); составление смеси - внесение наполнителей и желирующего раствора; фасовка и упаковка продукта, охлаждение и желирование; хранение готового продукта.

Предложены 4 рецептуры десертов, включающие, помимо ферментированной сыворотки, следующие компоненты: №1 - сироп черноплодной рябины и боярышника, экстракт мяты; Ха2 - концентрат виноградного сока, мед, экстракт родиолы; №3

- мед, экстракт мелиссы, лимонная эссенция; №4 - мед, мюсли, ароматизатор «клубника». Показатели готовых продуктов приведены в табл. 5.

Рекомендуемые сроки годности, установленные на основании гигиенической оценки, составили 21 день при I = (4±2) °С для десертов № 1-3; 14 суток при I = (4±2) °С для № 4. Количество жизнеспособных клеток лактобацилл на момент окончания срока годности составляло не менее 2* 108 КОЕ/г.

Таблица 5 - Качественные показатели десертов

Показатель Рецептура

№ 1 | Х° 2 | № 3 | №4

Вкусоаромати-ческие характеристики Вкус приятный, сладковатый, с легким кисломолочным оттенком, соответствующий внесенным наполнителям

освежающий виноградный, с медовым оттенком медовый, освежающий привкус злаков

Цвет и консистенция Цвет соответствует внесенному наполнителю

Консистенция характерная для желе: однородная, плотная, на изломе без растекания

Без посторонних включений С кусочками мюсли

рН 3,95±0,25 3,80±0,20 3,85±0,25 4,05±0,25

Содержание СВ, % 14,8±0,5 15,5±0,5 12,5±0,5 14,9±0,5

Содержание белка, % 1,91±0,3 1,95±0,3 1,80±0,3 2,10±0,3

Содержание углеводов, % 12,7±0,3 13,4±0,3 10,2±0,3 12,7±0,3

Энергет.ценность (ЭЦ), ккал/100 г 60 63 50 62

Использование для ферментации молочной сыворотки штаммов L. acidophilus, обладающих способностью синтезировать ЭПС, позволяет получить синбиотический продукт, содержащий как жизнеспособные клетки пробиотической культуры, так и пребиотики в виде микробных полисахаридов. Благодаря присутствию в ферментированной сыворотке ЭПС, образуемых штаммами ацидофильной палочки, в 2 раза сокращается расход желирующих агентов при изготовлении десертов.

Энергетическая ценность десертов невысока, что позволяет рекомендовать их в качестве продуктов диетического питания, особенно для людей с излишним весом. Разработанные десерты могут быть также рекомендованы для ежедневного употребления в составе пищевых рационов школьников, студентов и людей, ведущих активный образ жизни.

Технология киселей из ферментированной молочной сыворотки

При разработке рецептур киселей из ферментированной сыворотки учитывали следующие основные факторы, оказывавшие влияние на вкус и консистенцию готового продукта: 1) количество семян льна, взятое для заваривания сывороточно-льняной основы (CJIO): после смешения CJIO с ферментированной сывороткой необходимо было получить нерасслаивающуюся вязкую гомогенную систему; 2) вид

наполнителей: напиток должен был иметь легкий кисломолочный вкус и аромат сквашенной сыворотки и привкус льна; кроме того, наполнители должны были придавать готовому продукту приятную окраску.

На начальном этапе проведения исследования установили, что вкус, аромат, вязкость и выход СЛО существенно зависят от количества семян льна, которое брали для заваривания, и от кислотности используемой сыворотки. При заваривании СЛО с использованием нативной сыворотки (К = 52-55°Т), затруднялся процесс фильтрования; вкус СЛО был кислым, неприятным. С учётом того факта, что значение рН, при котором достигается максимальная вязкость и набухание слизей семян льна составляет 6-8 (ТагрПа, 2005), для приготовления СЛО было решено использовать сыворотку после раскисления с активной кислотностью рН 6,1-6,3.

Состав опытных образцов СЛО и их физико-химические характеристики приведены в табл. 6.

Таблица б - Основные физико-химические характеристики ___сывороточно-льняной основы__

№ п/п Гидромодуль Масса семян, г pH Содержание СВ, % Выход, %

1 1:5 20,00 Фильтрование и отделение семян льна для получения СЛО в выбранных условиях невозможно

2 1:7 14,29 4,91±0,3 7,31±0,5 26,2±7

3 1:9 11,11 4,85±0,3 7,25±0,5 40,5±5

4 1:П 9,09 4,82±0,3 7,14±0,5 44,9±5

V-5 ■ :--1:11ч 8 8,50 4,78±0,3 7,05±0,5 - 57,1±5'

6 1:13 7,69 4,69±0,3 7,01±0,5 60,3±3

7 1:13,3 . 7,50 . 4,72±0.3, ■ 6,85±0,5 С0,5±3 •

8 1:15 6,67 4,61±0,3 6,49±0,3 68,4±2

9 1:17 5,88 4,53±0,3 6,21±0,3 70,8±2

10 К - 4,51±0,3 5,76±0,3 -

Полученные образцы СЛО далее смешивали с фермен тированной сывороткой в соотношении 1:1 и получали кисели с органолепти-ческими характеристиками, приведенными в табл. 7.

Таблица 7 - Органолептические характеристики киселей

№ п/п Гидромодуль Консистенция Вкус и запах Цвет

1 1:5 Слизь не смешивается с ферментированной сывороткой Интенсивный льняной, специфичный Темно-желтый, с коричневатым оттенком

2 1:7

3 1:9 Неоднородная система: сгустки слизи, не смешивающиеся с ферментированной сывороткой Льняной Темно-желтый, неприятный

4 1:11

' 5 1:11,8 Гомогенная, нерасслаи--вающаяся система, вязкая и тягучая, характерная , для киселей Легкий сывороточный, с привкусом льна- Желтый с коричневатым оттенком; приятный

6 1:13

7 1:13,3

8 1:15 Неоднородная, расслаивающаяся система Пустой, невыраженный, кислый Светло-желтый, невыраженный

9 1:17

10 Сыворотка Жидкая Характерный кисломолочный От светло желтого до зеленоватого

Реологические характеристики образцов полученных киселей были изучены с помощью вискозиметра Rheotest LV-DV II+Pro («Brookfieid engineering, inc», США), адаптер UL-A. Результаты исследования приведены на рис. 7.

Из рис. 7 видно, что вязкость киселей возрастает с увеличением количества семян льна, взятых для приготовления CJIO. При этом образцы № 2 и 3 (1:7 и 1:9 соответственно) отличались наибольшей вязкостью среди исследованных, однако их консистенция не соответствовала требованиям, изложенным в ГОСТ 18488-2000 «Концентраты пищевые сладких блюд. Общие технические условия»: она была неоднородной, с комочками слизи. 10000

Щ . Щ $ — - -

S У: В У ЧУУУ»-

■v '•■■■"'■ 'г'.V Щ

Скорость сдвига, 1/с

Рисунок 7 - Реологические характеристики киселей с различной дозировкой семян льна

В максимальной степени требованиям ГОСТ к консистенции киселей соответствовали образцы №5-7: для них была характерна однородная, вязкая консистенция, без комочков, при этом в ходе хранения не происходило расслоения системы. Образцы №4,8,9 не обладали необходимой для киселей консистенцией, происходило расслоения системы в ходе хранения.

Таким образом, было установлено, что для приготовления СЛО необходимо брать семена льна в количестве от 1:13,3 до 1:11,8. Такое количество семян обеспечивает получение киселя с однородной, вязкой консистенцией, без комочков.

Предложены 3 варианта рецептур пробиотических киселей из ферментированной молочной сыворотки; их основные характеристики приведены в табл. 8. В таблице рецептуре № 1 соответствует напиток с внесением сиропа зеленого чая и фруктово-ягодного наполнителя «лерсик-маракуйя»; №2 содержит мед, настойку элеутерококка и экстракт мяты; №3 - сироп черноплодной рябины и боярышника, экстракт мелиссы.

Технологический процесс производства включает в себя следующие операции: приемка, подготовка сырья и вспомогательных материалов; раскисление сыворотки до кислотности 20+22 °Т, пастеризация сыворотки (86±2 °С, 30 с), охлаждение до температуры заквашивания (38±1 °С), сквашивание (5-6 ч, 37±1 °С); приготовление сывороточно-льняной основы (заваривание семян льна с сывороткой при 90-100 °С, 10-15 мин до загустения; фильтрование, охлаждение до (37±1)°С); составление смеси ферментированной сыворотки и СЛО; внесение наполнителей; фасовка и упаковка продукта, охлаждение и хранение готового продукта.

Готовые кисели имели приятный, сладковатый вкус, с легким кисломолочным опенком, соответствующий внесенным наполнителям; консистенция была однородной, вязкой, характерной для киселей.

Рекомендуемый установленный срок годности составил 7 дней при I = (4±2) °С; количество жизнеспособных клеток лактобацилл на момент окончания срока годности составляло не менее 2* 108 КОЕ/г.

Таблица 8 - Качественные показатели киселей из ферментированной молочной сыворотки

Показатель Значение показателя для образца:

№1 №2 №3

РН 5,5±0,25 5,2±0,2 5,2±0,2

Содержание СВ, % 15,2±0,5 12,2±0,5 12,7±0,5

Содержание белка, % 0,54±0,2 0,5б±0,2 0,5б±0,2

Содержание углеводов, % 14,5±0,3 11,5±0,3 12,1±0,3

Энергетическая ценность, ккал/100 г 62 50 53

Выводы

1. Изучен биотехнологический потенциал штаммов Lactobacillus acidophilus Зе, 5е, 7тjз, Н, Нз, 22п2, 20 Т, 422 при ферментации молочной сыворотки. На основании полученных результатов, перспективными для использования в технологии пробиоти-ческих продуктов из молочной сыворотки были признаны вязкие штаммы L. acidophilus 5с и 7тп\ они свертывали молоко в течение 4-5 ч с образованием ровного, плотного, вязкого сгустка; обладали высокой скоростью роста в сыворотке цтах= 0,5+0,6; в ходе ферментации расходовали 0,66+0,75 г лактозы, синтезировали до 0,55 г молочной кислоты на 100 дм3 сыворотки, расщепляли до 28 % белка.

2. Установлено, что в целом все штаммы проявляли высокую антагонистическую активность к изученным Гр(-) бактериям; были устойчивы к контрантагонизму Е. coli и К. pneumonia (зона подавления роста лактобацилл не превышала 10 мм), но не к Р. aeruginosa; проявляли выраженную АА к изученным изолятам S. aureus, однако были чувствительными к контрантагонизму данных изолятов. Максимальным спект-ром и уровнем АА как по отношению к Гр(-), так и к Гр(+) бактериям, обладал штамм L. acidophilus 20Т.

3. Показано, что вязкость сыворотки при ферментации вязкими штаммами возрастает в 1,3-1,5 раз в зависимости от штамма продуцента ЭПС. Выбрана методика выделения и очистки ЭПС (Gancel, Novel, 1994), продуцируемых лактобациллами в молочной сыворотке, предусматривающая осаждение ЭПС спиртом с последующей очисткой от низкомолекулярных примесей с помощью диализа. Установлено, что штаммы L. acidophilus 5е и 7тц характеризуются повышенной способностью к синтезу ЭПС - они продуцируют 305,8±26,2 и 312,6±24,7 мг ЭПС/дм3 сыворотки соответственно. ЭПС исследуемых штаммов состоят из остатков глюкозы и галактозы.

4. Разработаны рецептуры и технология приготовления десертов и киселей функционального назначения из сыворотки, ферментированной штаммами L. acidophilus 5е и 7ти Установлено, что благодаря накоплению в сыворотке ЭПС, расход желатина при изготовлении десертов снижается в 2 раза. В технологии киселей для создания вязкой консистенции необходимо использование семян льна в количестве от 1:13,3 до 1:11,8 к массе сыворотки.

5. Изучены орган олептичсские, физико-химические и микробиологические показатели качества разработанных киселей и десертов. Установлены сроки их год-

ности, составившие 7 суток для киселей, 21 сутки для десертов (14 суток - с добавлением мюсли) при t = (4±2) °С.

6. Разработаны проекты технической документации на производство пробиоти-ческих киселей и десертов из молочной сыворотки.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Маркелова В. В., Красникова JI. В. Использование штаммов Lactobacillus acidophilus, продуцирующих экзополисахариды, для приготовления функциональных десертов из молочной сыворотки // Сборник материалов IV Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке».

- СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. - С. 420-422

2. Маркелова В. В., Красникова Л. В., Красникова Е. В. Реологические характеристики функциональных десертов из молочной сыворотки с добавлением меда // Сборник материалов V Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». — СПб.: СПбГУНиПТ, 2011.-С. 265-267

3. Маркелова В. В., Красникова Л. В., Вербицкая Н. Б., Добролеж О.В. Функциональные продукты из молочной сыворотки с использованием антагонистически активных штаммов ацидофильных лактобактерий // Известия вузов. Пищевая технология. - 2012. - № 1. - С. 41-43

4. Маркелова В. В. Десерты функционального назначения из ферментированной молочной сыворотки // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / отв. ред. А.Ю. Просеков; ред. кол.: М.А. Осинцева, А.И. Лосева, А.П. Сырцева. - Кемерово, 2012. -С. 33-35

5. Маркелова В. В., Красникова Л. В. Биоконверсия составных частей молочной сыворотки // Молочная промышленность. - 2012. - № 12. - С. 18-21

6. Маркелова В. В., Красникова Л. В. Десерты из молочной сыворотки - продукты функционального назначения // Сборник материалов XIV Всероссийского конгресса диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье». - Москва, 2012. - С. 45

7. Маркелова В. В., Красникова Л. В. Функциональные десерты из ферментированной молочной сыворотки // Материалы Международной научно-практической конференции «VII Дулатовские чтения». - Тараз: Тараз университет!, 2012. - Т. 3. -Технические науки. Сельскохозяйственные науки. - С. 121-123

8. Маркелова В. В., Красникова Л. В., Красникова Е. В. Продукты «здорового питания» из молочной сыворотки, ферментированной пробиотиками // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Пищевые ингредиешы и инновационные технологии в производстве продукции здорового питания». - СПб.: ГНУ ВПИИПАКК Россельхозакадемии, 2013. - С. 101-103

9. Маркелова В. В., Красникова Л. В. Синтез экзополисахаридов штаммами L. acidophilus в молочной сыворотке // Известия вузов. Пищевая технология. - 2013 - № 4

- С. 26-29

Подписано в печать 04 /0 &0ІЗ Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. Печ. л. 1.0 . Тираж НО экз. Заказ № !$£> . НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

На правах рукописи

04201364762 Маркелова Вероника Витальевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПРОБИОТИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ ИЗ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ, ФЕРМЕНТИРОВАННОЙ ЭКЗОПОЛИСАХАРИДПРОДУЦИРУЮЩИМИ ШТАММАМИ

Ь.АСГООРШЬШ

05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф., Красникова Л.В.

г. Санкт-Петербург, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................10

1.1 Функциональные продукты питания.....................................................................10

1.1.1 Пробиотики - физиологически функциональные пищевые.........................12

ингредиенты. Механизмы полезного действия пробиотиков...............................12

1.1.2 Характеристика ацидофильных лактобактерий

и их пробиотической активности.............................................................................18

1.2 Экзополисахариды молочнокислых бактерий......................................................21

1.2.1 Виды ЭПС и их функции.................................................................................22

1.2.2 Структурно-функциональная характеристика ЭПС МКБ............................24

1.2.3 Особенности биосинтеза ЭПС МКБ...............................................................27

1.2.4 Перспективы применения ЭПС-продуцирующих

штаммов МКБ при производстве пищевых продуктов..........................................31

1.3 Характеристика молочной сыворотки как сырья для производства напитков и десертов функционального назначения......................................................................33

1.3.1 Пищевая и биологическая ценность молочной сыворотки..........................34

1.3.2 Классификация и краткая характеристика напитков

из молочной сыворотки.............................................................................................38

1.3.3 Использование молочной сыворотки как основ

для приготовления десертов......................................................................................42

1.4 Заключение по обзору литературы........................................................................44

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................46

2.1 Объекты исследования............................................................................................46

2.2 Методы исследования.............................................................................................47

2.2.1 Микробиологические методы анализа............................................................47

2.2.2 Определение протеолитической активности методом

казеиновой преципитации.........................................................................................47

2.2.3 Физико-химические методы анализа..............................................................48

2.2.4 Метод выделения и очистки экзополисахаридов лактобацилл

(осаждение спиртом, очистка диализом).................................................................49

2.2.5 Метод выделения и очистки экзополисахаридов лактобацилл (осаждение ацетоном)................................................................................................50

2.2.6 Фенол-серный метод определения общего содержания Сахаров.................51

2.2.7 Определение вязкости образцов нативной и ферментированной сыворотки, киселей........................................................................................................53

2.3 Статистическая обработка результатов.................................................................55

2.4 Схема проведения исследования...........................................................................56

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ШТАММОВ LACTOBACILLUS ACIDOPHILUS.............................................................................58

3.1 Исследование роста и метаболизма штаммов L. acidophilus

в молоке и молочной сыворотке..................................................................................59

3.2 Протеолитическая активность штаммов L. acidophilus

при развитии в молоке и сыворотке............................................................................62

3.3 Исследование антагонистической активности штаммов лактобацилл

по отношению к грамположительным и грамотрицательным тест-культурам......65

3.4 Обобщение результатов исследования метаболической активности штаммов L. acidophilus и заключение о возможности их использования при производстве

пробиотических продуктов из молочной сыворотки................................................71

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ

ЭКЗОПОЛИСАХАРИДОВ ЛАКТОБАЦИЛЛ............................................................72

4.1 Количественное определение ЭПС лактобацилл.................................................73

4.2 Исследование химического состава ЭПС лактобацилл.......................................74

4.3 Изучение реологических свойств ЭПС лактобацилл...........................................76

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И РЕЦЕПТУРФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДЕСЕРТОВ ИЗ ФЕРМЕНТИРОВАННОЙ

СЫВОРОТКИ.................................................................................................................78

S

I 5.1 Обоснование выбора наполнителей для приготовления десертов.....................78

■ 5.2 Краткая характеристика выбранных наполнителей.............................................80

I 5.3 Исследование состава десертов из ферментированной молочной

3

4

2»

f

сыворотки, установление сроков годности.................................................................89

5.4 Описание технологического процесса производства десертов..........................91

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И РЕЦЕПТУР КИСЕЛЕЙ ИЗ ФЕРМЕНТИРОВАННОЙ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ.....................................95

6.1 Строение и функциональные свойства семян льна.............................................95

6.2 Обоснование использования семян льна для производства киселей.................99

6.3 Разработка рецептур киселей из молочной сыворотки.....................................101

6.4 Описание технологического процесса производства киселей из

ферментированной сыворотки...................................................................................106

ВЫВОДЫ.....................................................................................................................111

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ:........................................113

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................114

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 4........................................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ 5........................................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 6........................................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 7........................................................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Проблема рационального и полного использования молочной сыворотки существует во всех странах с развитыми молокоперерабатывающими предприятиями. В России ежегодно в качестве побочного продукта образуется более 2,2 млн. т. творожной сыворотки; однако промышленной переработке подвергается всего около 30 %. Практикуемый на сегодня повсеместный слив ее в канализацию эквивалентен ежегодной потере 1,3 млн. т. молока. Один из способов экологизации молочной отрасли заключается в комплексном использовании всех компонентов молочной сыворотки [16].

Практически идея комплексного подхода к переработке молочной сыворотки реализуется посредством ферментации ее специально подобранными пробиотиче-скими штаммами молочнокислых бактерий (МКБ) Lactobacillus acidophilus.

В последние годы особое внимание уделяется скринингу заквасочных культур L. acidophilus, способных выделять в окружающую среду экзополисахариды (ЭПС). Данная особенность некоторых видов и штаммов лактобацилл приобрела статус промышленно ценного свойства, поскольку такие ЭПС могут быть использованы как в качестве натуральных биозагустителей, улучшающих реологические характеристики кисломолочных продуктов, так и выступать в роли факторов адгезии полезных микроорганизмов на стенках кишечника [6].

Преимущества использования штаммов МКБ, способных продуцировать экзополисахариды in situ (например, при производстве скандинавского вязкого йогурта «Viili» [112], низкожирных сортов сыра «Моцарелла», сметаны, йогурта [134] и других продуктов), состоят в увеличении продолжительности холодильного хранения, уменьшении синерезиса, улучшении текстуры и консистенции продуктов. Для обоснования безопасности применения ЭПС МКБ при изготовлении различных пищевых продуктов необходимы знания об их строении и свойствах. В связи с этим исследования, посвященные изучению структуры, физико-химических свойств ЭПС бактерий рода Lactobacillus являются актуальными и имеют значительный научный интерес и прикладное значение. Большой вклад в исследование

строения и свойств, методов выделения и очистки таких биополимеров внесли зарубежные и отечественные ученые: L. De Vuyst, В. Degeest, Sutherland, J. Cerning, I. С. Boels, F. Vaningelgem, R. Van Kranenburg, J. Hugenholtz, M. Kleerebezem, Willem M. de Vos; Ботина С.Г., Ганина В.И., Рожкова T.B., Семенихина В.Ф., Артю-хова С. И., Полукаров Е.В., Правдивцева М.И.

В результате ферментации молочной сыворотки ЭПС-продуцирующими штаммами L. acidophilus повышается ее пищевая ценность (вследствие накопления органических кислот, ферментов, иммунных тел, водорастворимых витаминов, лактатов), улучшаются органолепти-ческие и реологические характеристики. Изменение свойств сыворотки в результате ферментации позволяет использовать ее для разработки инновационных функциональных десертов и напитков с целью расширения ассортимента продуктов из молочной сыворотки.

Целью диссертационной работы явилась разработка технологии функциональных десертов и напитков из молочной сыворотки с использованием пробио-тических вязких и невязких штаммов ацидофильной палочки.

Для реализации цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. изучить биотехнологический потенциал штаммов L. acidophilus (скорость роста, степень сбраживания лактозы, протеолитическая активность, продукция молочной кислоты) при ферментации молочной сыворотки;

2. исследовать широту и спектр антагонистической активности штаммов L. acidophilus по отношению к оппортунистическим микроорганизмам;

3. изучить реологические характеристики ферментированной сыворотки, подобрать методику выделения ЭПС вязких штаммов L. acidophilus из ферментированной сыворотки, установить их моносахаридный состав;

4. разработать технологию и рецептуры функциональных пробиотических десертов и напитков из ферментированной молочной сыворотки;

5. изучить органолептические, физико-химические и микробиологические показатели качества и безопасности разработанных продуктов, обосновать рекомендуемые сроки их годности;

6. разработать проекты технической документации на десерты и кисели функционального назначения.

Научная новизна работы

1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность и перспективность производства функциональных пробиотических напитков и десертов из молочной сыворотки, ферментированной штаммами L. acidophilus 5е, Н, 7тJ3, синтезирующими экзополисахариды.

2. Впервые выделены экзополисахариды, синтезируемые в молочной сыворотке штаммами-продуцентами L. acidophilus 5е, 7т ¡з, Н. Показано, что количества синтезируемых ЭПС и их моносахаридный состав зависят от штамма-продуцента.

3. Разработаны новые технологии и рецептуры функциональных желирован-ных десертов и киселей из ферментированной молочной сыворотки. Установлено, что благодаря накоплению в сыворотке экзополисахаридов, расход желирующего агента для приготовления десертов снижается в 2 раза. В технологии киселей для создания вязкой консистенции впервые использованы полисахариды семян льна.

Практическая значимость работы

Полученные научные результаты легли в основу технологий производства функциональных желированных десертов и киселей из ферментированной молочной сыворотки. Разработаны проекты технической документации на десерты и кисели функционального назначения (ТИ, ТУ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. биотехнологический потенциал штаммов ацидофильной палочки и их скрининг для создания продуктов функционального назначения из ферментированной молочной сыворотки;

2. перспективность использования отобранных штаммов в технологии функциональных продуктов;

3. особенности синтеза экзополисахаридов штаммами ацидофильной палочки, способы их выделения и свойства;

4. технология функциональных десертов и напитков из ферментированной молочной сыворотки.

Апробация результатов исследования

Основные положения работы и результаты исследований докладывались на конференциях и конгрессах, в том числе на межрегиональных и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях: 62-64-й студенческих научно-технических конференциях, секция «Химико-технологическая» (Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 2009, 2010, 2011); 65-й научно-технической конференции студентов и аспирантов ИХиБТ НИУ ИТМО, секция «Биохимия и микробиология» (Санкт-Петербург, 2012); IV Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 25-27 ноября 2009 г.); V Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 22-24 ноября 2011 г.); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 24 апреля 2012 г.); XIV Всероссийском Конгрессе диетологов и нутрициологов с международным участием «Питание и здоровье» (Москва, 3-5 декабря 2012 г.); II Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 9-12 апреля 2013 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Пищевые ингредиенты и инновационные технологии в производстве продукции здорового питания» (Санкт-Петербург 15-16 мая 2013 г.)

Работа отмечена стипендией Правительства РФ (Приказ № 935 от 19.11.2012 г. «О назначении стипендий Президента РФ и специальных государственных стипендий Правительства РФ аспирантам высших учебных заведений, подведомственных Министерству образования и науки РФ, и негосударственных высших учебных заведений, имеющих государственную аккредитацию на 2012/2013 год).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, 6 глав, заключения, выводов, списка использованной литературы, который содержит 138 источников, в том числе 55 источников зарубежных авторов, 7 приложений. Основная часть работы изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 18 рисунков.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Функциональные продукты питания

Питание людей в разных странах отличается по своему характеру и направленности, исходя из уровня и конкретных условий проживания, традиций и национальных привычек. Вместе с тем имеются общие тенденции, которые являются неизбежным результатом цивилизации: увеличение доли потребления рафинированных, подвергнутых кулинарной обработке пищевых продуктов; расширение области применения пищевых добавок; производство комбинированных продуктов питания; использование нетрадиционного сырья. Наряду с этим происходит загрязнение продуктов питания потенциально опасными контаминантами химического и биологического происхождения.

Серьезные изменения в структуре питания, связанные с изменениями в образе жизни, уменьшением энергозатрат, приводят к тому, что ни одна из групп населения не получает с потребляемой пищей необходимого для здоровья количества витаминов, микро- и макроэлементов [42,51].

Существенным моментом, характеризующим изменение диеты современного человека, является резкое уменьшение поступления в его организм молочнокислых бактерий. Наши предки для сохранения продуктов питания, в первую очередь, использовали природную ферментацию молочнокислыми и другими микроорганизмами, случайным образом попавшими в растительную и животную пищу из окружающей среды.

В результате ферментации продукты обогащались миллиардами молочнокислых бактерий, грибов и продуктами их метаболизма (летучие жирные кислоты, пептиды, витамины, и другие соединения), которые, попав в пищеварительный тракт, вносили существенный вклад в под держание здоровья наших предков.

Внедрение термической обработки, повышенных гигиенических требований, привело к изменению состава и уменьшению абсолютного содержания попадающих в организм человека молочнокислых и иных микроорганизмов. Этому также

способствовало широкое использование в XX веке антимикробных препаратов как в медицине, так и в быту (например, хлорирование воды).

Одним из достижений конца XX века явилась разработка концепции «Пробио-тики и функциональное питание», затрагивающей фундаментальные и прикладные аспекты здоровья человека, медицины и пищевой биотехнологии [76,77].

Концепция здорового (позитивного, функционального) питания была сформулирована в начале 80-х гг. в Японии, где приобрели большую популярность так называемые функциональные продукты, т.е. продукты питания, содержащие ингредиенты, которые приносят пользу здоровью чел�