Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность работы. Одной из важнейших задач государства является обеспечение населения страны качественным питанием, адекватным потребностям всех возрастных и социальных групп. Приоритетная значимость питания отражена в постановлении Правительства РФ № 917 от 10.08.98 "О концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации".

В основных положениях реализации государственной политики в области здорового питания особое внимание уделено разработке и производству полноценных, безопасных продуктов, обогащенных физиологически активными компонентами, с направленным изменением химического состава.

Концепция создания технологии пищевых продуктов с функциональными ингредиентами, специального назначения и других, предназначенных для здорового питания населения, получила развитие в фундаментальных и прикладных научных трудах отечественных ученых И.А. Рогова, А.А. Покровского, Н.Н. Липатова, Б.А. Шендерова, В.А. Тутельяна, В.Д. Харитонова, А.Г. Храмцова, Л.А. Остроумова, В.М. Позняковского, Н.И. Дунченко, И.А. Евдокимова, Ю.Я. Свириденко, Э.С. Токаева, А.М. Шалыгиной, Н.А. Тихомировой, Л.А. Забодаловой, И.С. Хамагаевой, Г.Б. Гаврилова, В.И. Ганиной, М.С. Уманского, А.А. Майорова, М.П. Щетинина, Н.Б. Гавриловой, А.Ю. Просекова, И.А. Смирновой, В.А. Помозовой, Л.М. Захаровой, Л.В. Терещук и многих других.

В последнее время при возросшем интересе как производителей, так и потребителей к продуктам питания, производимым на основе принципов биотехнологии, перспективным направлением является поиск новых подходов, которые обеспечили бы наряду с совершенствованием традиционных создание новых технологий, гарантирующих сохранение нативных свойств сырья, активность и жизнеспособность пробиотических культур микроорганизмов, качество и функциональные свойства продуктов.

В связи с вышеизложенным разработка теоретических основ и практических аспектов технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов является актуальной проблемой, представляющей научный, практический интерес и социальное значение.

Диссертационная работа направлена на решение указанной проблемы, выполнялась в рамках реализации "Приоритетных направлений развития науки и техники" (Пр-577 от 30.03.2002), программы по НТП Минобразования России 004 "Научные исследования высшей школы по технологии живых систем", Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков продукции, сырья и продовольствия на 2008?2018 гг. (Постановление правительства № 446 от 14.07.2007), целевой программы Омской области "Развитие агропромышленного комплекса Омской области на 2008?2010 годы (постановление ЗС Омской области № 287 от 27.09.2007), а также в соответствии с зарегистрированными НИР "Разработка теоретических основ, создание новой технологии и техники для производства безопасных продуктов питания с функциональными свойствами" (№ 01.2.00609463), "Разработка технологии молочных и молокосодержащих продуктов с функциональными свойствами и пролонгированными сроками хранения" (№ 01.2.006095542), "Разработка технологии молочных и молокосодержащих продуктов с использованием соевых ингредиентов"(№ 01.200701893).

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование, экспериментальное исследование основных закономерностей формирования биотехнологических молочных и молокосодержащих систем (БТМС), разработка методологических принципов создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и последовательно реализованы следующие научные задачи:

? обосновать информационную структуру биотехнологических молочных систем, провести аналитический и экспериментальный скрининг элементов (подсистем) БТМС;

? сконструировать модельные питательные среды (МПС) с использованием молочного, белково-углеводного и растительного сырья по оптимальному балансу незаменимых факторов питания и эффекту взаимного обогащения; определить наиболее эффективные корректоры химического состава модельных сред;

? исследовать процесс ферментации модельных сред ассоциациями культур с пробиотическими свойствами; разработать математические модели, характеризующие взаимосвязь химического состава модельных сред и активности ассоциированных пробиотических культур;

? определить наиболее эффективные ассоциации культур с пробиотическими свойствами для ферментации различных модельных питательных сред;

? изучить ростостимулирующее влияние растительных ингредиентов на ассоциативный рост бифидобактерий в выбранных модельных средах;

? установить эффективные способы активизации, стимулирования ассоциативного роста культур с пробиотическими свойствами и обеспечения их устойчивости к термоинактивации в процессе производства и хранения БТМС;

? разработать рецептуры и технологии ферментированных добавок, регулирующих функционально-технологические свойства (ФТС) молочных и молокосодержащих продуктов;

? изучить влияние специальных ингредиентов на структурообразование и адаптивность БТМС, определить сроки годности ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов;

? теоретически обосновать методологические принципы создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов, провести апробацию и внедрение в производство, представить техническую новизну результатов теоретических и экспериментальных исследований;

? предложить комплексный метод оценки социальной и экономической значимости инновационных технологий ферментированных молочных и молоко- содержащих продуктов.

Научная концепция работы. В основу научной концепции, развиваемой в диссертационной работе, положена гипотеза о том, что аргументированное конструирование БТМС, повышение активности и жизнеспособности пробиотических культур микроорганизмов путем создания защитных факторов, биомодификации и приемов иммобилизации, позволяют направленно регулировать качественные показатели, ФТС ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов. Концептуальным направлением является развитие методологических принципов создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов на основе БТМС в качестве инструмента направленного регулирования и повышения их качества.

Научная новизна работы. Разработана четырехуровневая информационная структура БТМС, выделены основные подсистемы и индикаторы, характеризующие их качественные показатели.

Создана концепция конструирования МПС с использованием белково-углеводного и растительного сырья по оптимальному балансу незаменимых факторов питания и эффекту взаимного обогащения.

Методом нормирования по максимальному значению целевой функции и таким индикаторам качества, как массовая доля белка (Б, %), биологическая ценность (БЦ, %), определены оптимальные молочные, молочно-растительные, сливочные, сливочно-растительные МПС.

Экспериментально установлены закономерности процесса ферментации оптимальных по составу МПС ассоциациями культур с пробиотическим свойствами. Получены математические зависимости и разработана модель формирования БТМС, характеризующая взаимосвязь активности пробиотических культур и состава МПС.

Разработана иерархическая структура эффективности использования ассоциаций культур с пробиотическими свойствами для ферментации различных молочных и молокосодержащих сред, обеспечивающая нормативный уровень клеточной концентрации пробиотических культур (не менее 106-107 КОЕ/см3 ферментируемой среды).

Предложены способы активизации ассоциативного роста культур с пробиотическими свойствами и обеспечения их устойчивости к термоинактивации в процессе производства и хранения продуктов путем иммобилизации в гели биополимеров, создания питательных и защитных сред с ростостимулирующими веществами в виде ферментированных добавок. Разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать уровень клеточной концентрации ассоциированных пробиотических культур в процессе хранения биотехнологических молочных систем.

Обобщены экспериментальные данные и разработаны практические рекомендации по использованию стабилизационных систем (солей-плавителей) для ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов, обеспечивающих адаптивность и усиление адсорбционных взаимодействий в сложных поликомпонентых системах, оптимальный уровень жизнеспособности пробиотических культур, реологические характеристики, качество и безопасность продуктов в процессе хранения.

Теоретически обоснованы методологические принципы создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов.

Предложен комплексный метод оценки социальной и экономической значимости инновационных технологий ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов на основе модельного эксперимента и расчета новых экономических показателей.

Техническая новизна разработанных технологических решений подтверждена и защищена 14 патентами и 3 положительными решениями о выдаче патента Российской Федерации, а также отражена в 2 заявках на изобретение и 12 свидетельствах на интеллектуальный продукт.

Практическая значимость и реализация результатов. Созданы технологии новых продуктов, на реализацию которых разработана и утверждена техническая (ТУ) и нормативная (СТО) документация: ТУ 9222-010-49527272-2003 "Йогуртный продукт", ТУ 9222-001-49527279-2003 "Молоко обогащенное пастеризованное", ТУ 9224-013-49527279-2004 "Обогатитель белковый ферментированный", ТУ 9224-014-49527279-2004 "Продукт кисломолочный комбинированный "Бионеженка", ТУ 9225-001-14923145-2005 "Сыр мягкий из восстановленного молока", СТО 49527279-001-2008 "Продукт кисломолочный десертный", СТО 49527279-002-2008 "Продукт кисломолочный", СТО 49527279-003-2008 "Продукт десертный молочно-растительный", СТО 49527279-004-2008 "Продукт сырный плавленый".

Разработанные технологические решения внедрены в производство на молочных предприятиях Омской области ("Манрос М", филиал ОАО "ВБД", ООО "Любинский молочноконсервный комбинат" и др.).

Результаты прикладных научных исследований используются в образовательном процессе подготовки специалистов по направлению 260300 "Технология сырья и продуктов животного происхождения" специальности 260303 "Технология молока и молочных продуктов", направлению 260500 "Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания" специальности 260501 "Технология продуктов общественного питания", направлению подготовки бакалавров 260100 "Технология продуктов питания", а именно: в учебно-методическом обеспечении, при чтении лекционных курсов, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении выпускных квалификационных работ, в том числе научно-исследовательского характера.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований обсуждались на конгрессах, форумах, научных конференциях и семинарах различного уровня, в том числе "Перспективы производства продуктов питания нового поколения" (Омск, 2003 г.); "Современные технологии переработки животноводческого сырья в обеспечении здорового питания: наука, образование и производство" (Воронеж, 2003 г.); "От фундаментальной науки - к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии" (Тверь, 2003 г.); "Живые системы и биологическая безопасность населения" (Москва, 2003 г.); "Пища. Экология. Человек" (Москва, 2003 г.); "Социальные и экономические аспекты развития региона: потенциал, проблемы и перспективы" (Павлодар, 2003 г.); "Молочная промышленность Сибири" (Барнаул, 2004 г., 2006 г., 2008 г.); "Современные проблемы производства продуктов питания" (Барнаул, 2004 г.); "Теория и практика новых технологий в производстве продуктов питания" (Омск, 2005 г.); "Совершенствование технологий производства и переработки продукции животноводства" (Волгоград, 2005 г.); "Перспективы производства продуктов питания нового поколения" (Омск, 2005 г.); "Перспективы производства и переработки сельскохозяйственного сырья в условиях рыночной экономики" (Семипалатинск, 2005 г.); "Биотехнология. Вода и пищевые продукты" (Москва, 2008 г.); "Здоровое питание - основа жизнедеятельности человека" (Красноярск, 2008 г.); "Современные наукоемкие технологии переработки сырья и производства продуктов питания" (Омск, 2008 г.); "Реализация государственной программы развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы" (Омск, 2009 г.), "Региональный рынок потребительских товаров: особенности и перспективы развития, качество и безопасность товаров и услуг" (Тюмень, 2009 г.).

Научно-исследовательская работа на тему "Биотехнология молокосодержащих продуктов функционального питания" отмечена дипломом и медалью на конкурсе молодых ученых, проводимом в рамках международной научно-практической конференции "Биотехнология. Вода и пищевые продукты" (Москва, 2008 г.).

Инновационный проект на тему "Повышение пищевого и иммунного статуса населения Сибири и Дальнего Востока путем внедрения в производство биотехнологий функциональных молокосодержащих продуктов" отмечен сертификатом на открытом конкурсе инновационных проектов Сибири и Дальнего Востока в направлении инновационно-инвестиционных проектов (г. Новосибирск, 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 127 печатных работ, в том числе 3 монографии, 2 аналитических обзора, 12 научных статьей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных материалов диссертаций, и 84 статьи в материалах конференций, конгрессов, форумов, семинаров, научных трудах институтов; получено 14 патентов на изобретение и 3 положительных решения о выдаче патента Российской Федерации, 12 свидетельств на интеллектуальный продукт.

Основные положения, выносимые на защиту:

? обоснование информационной структуры биотехнологических молочных и молокосодержащих систем и индикаторов, характеризующих качественные показатели БТМС;

? концепция конструирования МПС с использованием белково-углеводного и растительного сырья по оптимальному балансу незаменимых факторов питания и эффекту взаимного обогащения;

? результаты теоретических и экспериментальных исследований по изучению и разработке способов активизации, обеспечения ассоциативного роста культур с пробиотическими свойствами, их защиты в процессе производства и на протяжении всего срока годности ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов;

? инновационные технологии ферментированных добавок для регулирования ФТС молочных и молокосодержащих продуктов;

? принципы создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов на основе БТМС;

? комплексный метод оценки социальной и экономической значимости инновационных технологий ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов.

1. Научные и практические аспекты создания инновационных технологий ферментированных продуктов нового поколения: молочных, молокосодержащих и др.

Представлены аналитические сведения, научная информация и экспериментальные материалы отечественных и зарубежных авторов, подтверждающие актуальность выбранной тематики, а именно: современное представление об инновациях в области производства ферментированных молочных продуктов ? биотехнология и нанотехнология; рассмотрен процесс ферментации и факторы, влияющие на его эффективность; представлены существующая теория, а также принципы создания молочных и молокосодержащих продуктов; изучены адаптивность биотехнологических молочных систем, способы повышения сроков годности ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов.

Многоступенчатый анализ современного состояния рассматриваемой проблемы позволил установить основные направления собственных исследований, их цель и задачи.

2. Организация экспериментов, объекты и основные методы исследований

пробиотический ферментация молочный

Изложен методический подход к организации теоретических и экспериментальных исследований, представлена обобщенная структурная схема, отражающая последовательную соподчиненность и логическую взаимосвязь различных этапов выполнения диссертационной работы.

Теоретические и экспериментальные исследования выполнялись лично автором работы и при его непосредственном участии в период с 2002-го по 2009 год включительно. На соответствующих этапах работы исследования проводились в лабораториях ГОУ ВПО "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности", ФГОУ ВПО "Омский государственный аграрный университет", АНО ВПО "Омский экономический институт", а также отдельные исследования - в лицензированных лабораториях молочного предприятия "Манрос М", филиал ОАО "ВБД" (г. Омск), аккредитованной испытательной лаборатории пищевой продукции и продовольственного сырья АНО "Сертификат" (г. Омск), научно-исследовательском и проектно-технологическом институте животноводства (ГНУ СибНИПТИЖ, п. Краснообск, Новосибирская обл.), лаборатории диагностики бактериальных и вирусных инфекций ФГОУ ВПО "Омский государственный аграрный университет".

Общая схема организации и проведения исследований представлена на рис. 1.

I этап посвящен теоретическим исследованиям состояния научной проблемы по трудам отечественных и зарубежных ученых, на основании которых сформулированы научная концепция работы, цель и задачи исследований.

II этап - экспериментально-аналитический - связан с решением научных задач: определением информационной структуры БТМС как основы производства ферментированных добавок, молочных и молокосодержащих продуктов, характеристикой основных подсистем (элементов) БТМС, конструированием МПС по оптимальному балансу незаменимых факторов питания и эффекту взаимного обогащения (истинного или простого). Проведено экспериментальное исследование процесса ферментации выбранных методом нормирования молочных, сливочных, молочно-растительных и сливочно-растительных модельных (питательных) сред ассоциациями культур с пробиотическими свойствами. Изучены закономерности процесса ферментации МПС пробиотическими культурами, способы обеспечения их ассоциативного роста и защиты на протяжении всего срока годности ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов. Исследован процесс структурообразования и адаптивности сложных поликомпонентных систем и степень влияния структурообразователей на жизнеспособность биообъектов.

III этап направлен на практическую реализацию результатов исследований: разработку пакетов технической (ТУ) и нормативной (СТО) документации на новые продукты, промышленную апробацию и внедрение технологий на молочных предприятиях Омской области, разработку учебных пособий, лекционных курсов, лабораторных практикумов для обеспечения образовательного процесса подготовки специалистов и бакалавров по соответствующему направлению.

В соответствии с поставленными задачами был осуществлен выбор объектов исследований: молоко и продукты его переработки, различные растительные ингредиенты, биообъекты в виде чистых культур, заквасок ООО "Барнаульская биофабрика", ОНО "Экспериментальная биофабрика" ВНИИМС (г. Углич), DVS-культуры ООО "Хр. Хансен", музейные штаммы патогенных и условно-патогенных микроорганизмов из коллекции Государственного НИИ стандартизации и контроля медицинских и биологических препаратов им. Л.А. Тарасевича, стабилизационные системы, отвечающие требованиям действующей документации.

При выполнении экспериментальной части диссертационной работы применялся комплекс общепринятых, стандартных и модифицированных методов исследований, в том числе физико-химических, микробиологических, биохимических, реологических, а также методы математического моделирования.



Рис. 1 - Схема организации и проведения исследований

Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке путем корреляционного и регрессионного анализа, реализованного с помощью стандартных пакетов программ "MathCAD-14 Professional", "Ms. Excel". Повторность опытов установлена методами статистического анализа и являлась пятикратной. Математическое моделирование, определение трехфакторных зависимостей результатов исследований осуществляли с использованием прикладной программы "Eureka: The Solver", Version 1.0" и математических матриц в процессоре электронных таблиц "Ms. Excel".

Показатели безопасности и качества готовых продуктов определяли согласно гигиеническим требованиям безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов (СанПиН 2.3.2.1078-01) и требованиям Федерального закона РФ от 12 июня 2008 г. № 88-ФЗ "Технический регламент на молоко и молочную продукцию".

Реализация экспериментальной программы исследований осуществлялась с участием к.т.н. Н.П. Жданеевой, к.т.н. М.А. Шадрина, к.т.н. Е.С. Гришиной, аспиранта Н.Л. Кащеевой и др.

3. Научное обоснование информационной структуры биотехнологических молочных и молокосодержащих систем и характеризующих их индикаторов

Качество отдельного пищевого продукта или группы продуктов, объединенных по их равноценным характеристикам или назначению, определяется совокупностью комплексных показателей. На данном этапе исследований установлены основные показатели качества и индикаторы, которые его характеризуют, для ферментированных добавок, молочных и молокосодержащих продуктов, а также на основе системного анализа проведены исследования для определения методологии управления данными показателями.

При разработке и последующем производстве ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов составляющие их компоненты, изменения их состояния и свойств следует рассматривать во взаимосвязи, т.е. как действующую биотехнологическую молочную систему, основные характеристики которой приведены в табл. 1.

В процессе экспериментальных исследований определены базовые и допустимые значения индикаторов, при которых новые продукты будут соответствовать требованиям технической и нормативной документации.

Основным элементом подсистемы А является молочное сырье (молоко цельное и обезжиренное, сливки с разной м.д.ж., молочная сыворотка, сывороточный белковый концентрат, сыворотка сухая, молоко сухое обезжиренное), которое обеспечивает пищевую, биологическую ценность ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов, а также выполняет функцию поддержания жизнедеятельности микроорганизмов, служит объектом их целенаправленной деятельности, в результате которой осуществляются биомодификация компонентов молочного сырья и изменение его структуры на заданную.

При подборе биообъектов (подсистема Б) основывались на их биотехнологическом потенциале, при этом помимо производственно-ценных, биохимических свойств отдавалось предпочтение культурам и их ассоциациям, способным образовывать колонии и выживать в кишечнике, с высокой адгезивной способностью, антагонистическим воздействием, биосовместимостью и другими факторами, определяющими пробиотические свойства продуктов.

Таблица 1 - Характеристика информационной структуры БТМС

Подсистема	Элементы системы и подсистем	Индикатор
		наименование	базовое значение
А	Компоненты, регулирующие пищевую, биологическую и энергетическую ценность ферментированных добавок, молочных и молокосодержащих продуктов (животные и растительные), выступающие в качестве среды жизнедеятельности биообъектов	Массовая доля сухих веществ, белка, жира, углеводов, количество витаминов, минеральных веществ, органолептические показатели, пищевая, биологическая, энергетическая ценность	В соответствии с технической и нормативной документацией производителя
Б	Биообъекты, регулирующие процесс ферментации и функциональные свойства продукта: монокультуры, ассоциации культур с пробиотическими свойствами, ферменты	Для заквасок - нормируемая клеточная концентрация микроорганизмов. Для ферментов - высокий уровень активности	В соответствии с сопроводительной, технической и нормативной документацией производителя (клеточная концентрация не менее 109 КОЕ/г)
В	Компоненты, регулирующие активность и жизнеспособность биообъектов (ростостимулирующие вещества, пребиотики)	Эффективность повышения клеточной концентрации микроорганизмов. Отсутствие отрицательного влияния на органолептические показатели БТМС	Не менее 107 КОЕ/см3 (г). В соответствии с органолептическими показателями, заявленными в технической и нормативной документации
Г	Компоненты, регулирующие процесс структурообразования продукта и гарантирующие устойчивость его в хранении на протяжении всего срока годности	Реологические, органолептические, физико-химические показатели, химический состав и безопасность Клеточная концентрация пробиотических культур	В соответствии с нормативным значением, заявленным в технической и нормативной документации на конец срока годности продукта, рН>4,0 и выше. Не менее 106-107 КОЕ/см3 (г)

На стадии аналитических исследований выбраны следующие биообъекты с пробиотическими и иммуностимулирующими свойствами: Lactobacillus acidophilus, штамм La-5 (далее L. аcidophilus), Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (далее L. bulgaricus), Lactobacillus casei (далее L. casei), Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii (далее P. shermanii), Bifidobacterium lactis, штамм ВВ-12 (далее B. lactis), Bifidobacterium longum (далее B. longum), Bifidobacterium bifidum (далее B. bifidum), Bifidobacterium adolescentis (далее B. adolescentis), Lactococcus lactis subsp. diacetilactis (далее L. diacetilactis), Streptococcus salivarius subsp. thermophilus (далее S. thermophilus).

Биообъекты, выбранные на основе безопасности, функциональности, обладают технологическими свойствами, высоким уровнем жизнеспособности при производстве продуктов в промышленных условиях и в период их хранения. Кроме того, при выборе биообъектов особое внимание уделено изучению их антагонистической активности и антибиотикорезистентности.

Установлены выраженные антагонистические свойства, проявленные L. acidophilus по отношению к S. sonnei 2д, S. flexneri 2a, S. enteritidis, S. typhimurium, E. coli 086, что обусловлено способностью продуцировать органические кислоты, антибиотикосхожие субстанции различного химического состава (лактацин B, F, J). Антибиотикорезистентность B. lactis проявлена по отношению к левомицетину, ванкомицину, эритромицину и тетрациклину (диаметр зоны подавления роста менее 20 мм). L. аcidophilus обладают антибиотикоустойчивостью к ванкомицину, канамицину, эритромицину и тетрациклину.

При этом отмечается высокая чувствительность L. аcidophilus к пенициллину и левомицетину, а B. lactis - к канамицину и пенициллину (рис. 2). Также изучена устойчивость к антибиотикам ассоциаций биообъектов. Установлено, что ассоциация [L. diacetilactis, B. bifidum] обладает устойчивостью к 6 антибиотикам, из них наибольшей - к пенициллину, эритромицину, ампициллину и стрептомицину, ассоциации [S. thermophilus, B. bifidum] и [P. shermanii, B. bifidum] устойчивы к пенициллину, эритромицину, ампициллину,

Рис. 2 - Характеристика антибиотикорезистентности L. аcidophilus и B. lactis гентамицину, оксациллину, бисептолу

Результаты исследований подтвердили выраженные антагонистические свойства биообъектов, следовательно, их совместный ассоциативный рост будет способствовать формированию пробиотических свойств БТМС.

4. Конструирование модельных сред по эффекту взаимного обогащения

Исследование процесса ферментации молочных и молокосодержащих модельных сред. Для создания аргументированных рекомендаций по структуре БТМС и их эффективному функционированию проведено экспериментальное конструирование модельных питательных сред по оптимальному балансу незаменимых факторов питания (аминокислот), эффекту взаимного обогащения, биологической ценности (аминокислотный скор - АС, индекс незаменимых аминокислот - ИНАК, коэффициент различий аминокислотного скора - КРАС, показатель биологической ценности - БЦ) и химическим свойствам, в том числе активности воды (аw). Основной критерий оценки коррекции белкового состава МПС с позиций эффекта взаимного обогащения в символической форме выглядел следующим образом:

[АС ? 100%; ИНАК> max, КРАС>min; БЦ >max, м. д. белка > 3,0%].

Введение в состав модельных молочных питательных сред (ММПС) и сливочных питательных сред (СлПС) корректоров белкового состава - сывороточного белкового концентрата (СБК), сухой молочной сыворотки (СМС) обеспечивает эффект истинного обогащения, когда скор каждой незаменимой аминокислоты создаваемой модельной среды не менее 100%, особенно для лимитирующих аминокислот молока и сливок (метионина и цистина). Коррекция белкового состава модельных сред сухим обезжиренным молоком (СОМ) не обеспечивает истинного обогащения, однако позволяет увеличить показатель биологической ценности конструируемых МПС. Наглядная интерпретация истинного обогащения (по метионину и цистину) молочных и сливочных модельных сред представлена на рис. 3.

Рис. 3

На основании результатов критерия оценки белкового состава при конструировании модельных сред по эффективности корректирующие компоненты можно расположить в следующей последовательности: СБК > СМС > СОМ.

Коррекция белкового состава модельных сред растительными компонентами обеспечивает эффект истинного обогащения по метионину и цистину только комбинированием с мукой рисовой. Конструирование модельных сред с мукой соевой и изолятом соевого белка позволяет увеличить показатель биологической ценности (БЦ) (рис. 4).



Рис. 4

Методом нормирования из 84 сконструированных модельных сред по критерию максимального значения целевой функции () для дальнейшей ферментации определены 19 наиболее оптимальных по составу молочных, молочно-растительных, сливочных, сливочно-растительных МПС.

На следующем этапе исследован процесс ферментации скорректированных по белковому и аминокислотному составу МПС ассоциациями культур с пробиотическими свойствами.

Отмечается, что скорость кислотообразования ассоциированных пробиотических культур выше, чем монокультур, что обусловлено взаимным ростостимулирующим воздействием в результате продуцирования стимулирующих факторов (протеолитических ферментов, углекислого газа, муравьиной кислоты, валина, гистидина, пирувата, пурина).

Установлена корреляционная зависимость активности и жизнеспособности ассоциированных пробиотических культур (B. lactis, B. bifidum, B. longum, B. adolescentis) от состава модельных сред, что позволило обосновать и предложить модель формирования БТМС.

Математическая зависимость между химическим составом модельных сред и активностью ассоциированных пробиотических культур описывается общим уравнением:

lg (Q) = f(x, y, z) = a+bx+cy+dz+exy+fxz+gyz+ox2+py2+rz2+vxyz, (1)

где:

lg (Q) - логарифм клеточной концентрации, lgКОЕ/см3;

х - массовая доля белка, %;

у - массовая доля жира (углеводов), %;

z - массовая доля углеводов (жира), %.

Фрагмент полученных результатов наглядно представлен в виде поверхностей отклика и уравнений многочленов 2-й степени на сравнительном рис. 5.



Рис. 5

Анализ полученных результатов позволил выявить общую тенденцию достижения оптимума клеточной концентрации ассоциированных пробиотических культур (B. lactis, B. bifidum, B. longum, B. adolescentis) на участках поверхностей отклика, начиная от массовой доли белка в модельной среде в среднем 3,8?4,0 % и массовой доли углеводов в среднем 5,0?5,5 %. При этом для молочных и молочно-растительных МПС отмечается максимальная корреляция, характерная взаимосвязь клеточной концентрации и массовой доли белка, углеводов в среде, для сливочных и сливочно-растительных сред - массовой доли белка и жира в среде.

Разработанные математические модели позволяют прогнозировать уровень клеточной концентрации пробиотических культур (B. lactis, B. bifidum, B. longum, B. adolescentis) при заданном химическом составе МПС: по белково-углеводному составу ? для молочных и молочно-растительных сред и по белково-жировому составу ? для сливочных и сливочно-растительных сред с различной массовой долей жира.

Критерием пробиотических свойств продуктов является уровень количества клеток бифидобактерий ? 106 КОЕ/см3, ацидофильной палочки - 107 КОЕ/см3. По результатам исследований биотехнологических свойств и сравнительного анализа площадей проекций поверхностей отклика, лежащих в области оптимального значения клеточной концентрации, - 106-108 КОЕ/см3, для каждой ассоциации культур с пробиотическими свойствами присвоен уровень иерархии, отражающий эффективность ферментативного процесса на исследуемых МПС (табл. 2, фрагмент).

Таблица 2 - Иерархическая структура и биотехнологические свойства ассоциированных пробиотических культур на сливочных модельных средах (м.д.ж. 10%)

Наименование свойств	Показатели и уровни иерархии ассоциированных культур
	B. bifidum, B. longum, L. diacetilactis, S. thermophilus	L. acidophilus B. bifidum, B. longum, B. adolescentis, L. diacetilactis, S. thermophilus	B. bifidum, B. longum, B. adolescentis, L. diacetilactis, S. thermophilus, L. paracasei
Продолжительность ферментации, ч	6,50±0,50	6,00±0,50	6,50±0,50
Титруемая кислотность, єТ	73,00±1,00	84,50±1,00	75,00±1,00
Активная кислотность, рН	4,54±0,10	4,12±0,10	4,33±0,10
Клеточная концентрация, lg КОЕ/см3 ? общее количество микроорганизмов ? бифидобактерий	8,78±0,10 7,80±0,12	8,85±0,10 7,82±0,12	8,70±0,10 7,50±0,12
Уровень иерархии	ЙI	Й	ЙII

По эффективности использования ассоциации культур с пробиотическими свойствами для ферментации модельных сред можно расположить в следующей последовательности: I уровень - [L. acidophilus, L. bulgaricus, B. lactis, S. thermophilus];II уровень - [L. bulgaricus, B. lactis, S. thermophilus] и [B. lactis, L. bulgaricus, L. paracasei, S. thermophilus]; III уровень - [L. bulgaricus, S. thermophilus]; IV уровень - [L. diacetilactis, P. shermanii, B. bifidum, B. longum, B. adolescentis, S. thermophilus]; для молочно-растительных: I уровень - [L. acidophilus, L. cremoris, L.diactilactis, S. thermophilus, B. bifidum, B. longum]; II уровень - [L. lactis, L. cremoris, L. diactilactis, B. bifidum, B. longum, B. adolescentis]; для сливочно-растительных: I уровень - [L. diacetilactis, L. acidophilus, S. thermophilus, B. bifidum, B. longum, B. adolescentis]; II уровень - [L. lactic, L. cremoris, L. diacetilactis, S. thermophilus, L. аcidophilus, B. bifidum, B. longum, B. adolescentis].

Таким образом, установленная иерархическая структура и биотехнологические свойства ассоциированных пробиотических культур позволяют их целенаправленно ранжировать в зависимости от состава подсистемы А с целью прогнозируемого обеспечения в процессе ферментации БТМС нормативной клеточной концентрации пробиотических культур не менее 106-107 КОЕ/см3.

5. Экспериментальный выбор эффективных способов стимулирования ассоциативного роста культур с пробиотическими свойствами, обеспечения их устойчивости к термоинактивации в процессе производства и хранения БТМС

Одним из способов активации ассоциативного роста бифидобактерий является выбор наиболее перспективных бифидогенных факторов или ростостимулирующих веществ.

В качестве ростостимулирующих веществ были изучены растительные экстракты (экстракт корня солодки, экстракт плодов шиповника, экстракт плодов облепихи, экстракт кукурузный сгущенный, тыквеол) и ингредиенты (мука овсяная, кукурузная, рисовая, сок морковный), представляющие собой дополнительные питательные субстраты для роста ассоциированных пробиотических культур. Исследован их химический состав, проведена экспериментальная оценка влияния на процесс ферментации путем изучения динамики кислотообразования, микробиологических и органолептических показателей.

Для оценки степени влияния ростостимулирующих веществ на ассоциативный рост бифидобактерий рассчитан коэффициент стимуляции роста (Кр), представляющий собой отношение логарифма клеточной концентрации в среде с ростостимулирующими веществами к аналогичному показателю в контрольной среде (табл. 3).

Результаты проведенных исследований подтвердили гипотетическое предположение о том, что сложные по составу растительные экстракты и ингредиенты обладают стимулирующим, бифидогенным эффектом (Кр > 1).

Актуальным для обеспечения пробиотических свойств продуктов в течение их срока годности является изучение и оценка влияния дополнительных питательных веществ (ростостимулирующих) на процессы пассивации и отмирания пассивной популяции пробиотических культур в процессе хранения (t = 4±2єС), поскольку при данных температурных режимах микроорганизмы либо полностью, либо практически полностью находятся в пассивной форме.

Таблица 3 - Оценка степени влияния ростостимулирующих веществ на ассоциативный рост бифидобактерий

Растительные экстракты и ингредиенты	Пребиотический фактор	Коэффициент стимуляции роста, Кр
Экстракт корня солодки	Полифруктозаны, инулин, глицирризин	1,21
Экстракт плодов шиповника	Биофлавоноиды, аскорбиновая, пантотеновая кислоты, никотинамид, каротиноиды	1,30
Экстракт плодов облепихи	Биофлавоноиды, аскорбиновая кислота, рибо-флавин, каротиноиды	1,24
Тыквеол	Биофлавоноиды, каротиноиды, рибофлавин, никотинамид, ПНЖК	1,18
Экстракт кукурузный	Биотин, рибофлавин, каротиноиды, микроэлементы	1,28
Мука овсяная	Пищевые волокна, биотин, рибофлавин	1,13
Мука рисовая	Рибофлавин, парааминобензойная кислота, пищевые волокна	1,11
Мука кукурузная	Пантотеновая кислота, парааминобензойная кислота, пищевые волокна, рибофлавин	1,13
Сок морковный	Пантотенатсодержащие соединения, каротиноиды	1,18

Для оценки жизнеспособности ассоциированных пробиотических культур в процессе хранения БТМС с ростостимулирующими веществами предложен расчет коэффициента среднесуточного снижения клеточной концентрации микроорганизмов (Kcн) и показателя жизнеспособности в процессе хранения (Пж):

(2)

где lgКОЕn - логарифм клеточной концентрации микроорганизмов на конечном этапе хранения; lgКОЕо - логарифм клеточной концентрации микроорганизмов на начальном этапе хранения; ф - продолжительность хранения, сут.

(3)

Сравнительная характеристика изменения показателя жизнеспособности бифидобактерий для различных БТМС с ростостимулирующими веществами представлена на рис. 6.

Оценивая полученные результаты, можно заключить, что изучаемые ростостимулирующие вещества обеспечивают увеличение жизнеспособности ассоциированных культур бифидобактерий в процессе хранения БТМС (Пж БТМС › Пж контрольной среды).

Рис. 6

Математическое описание экспоненциального снижения клеточной концентрации ассоциированных пробиотических культур в присутствии ростостимулирующих веществ в процессе хранения представлено графически и в виде уравнений на рис. 7. На рис. 8 представлена модель, позволяющая прогнозировать уровень клеточной концентрации ассоциированных пробиотических культур в процессе хранения биотехнологических молочных систем с ростостимулирующими веществами при t=(4 ± 2)єС.



Рис. 7 - Динамика снижения клеточной концентрации ассоциированных пробиотических культур (B. bifidum, B. longum, B. adolescentis) в БТМС с ростостимулирующими веществами в процессе хранения

Рис. 8 - Модель изменения клеточной концентрации ассоциированных пробиотических культур (B. bifidum, B. longum, B. adolescentis) в БТМС с ростостимулирующими веществами в процессе хранения

Результаты исследований свидетельствуют о том, что введение дополнительных ростостимулирующих веществ в состав БТМС позволяет повысить степень выживаемости ассоциированных пробиотических культур в процессе хранения.

Таким образом, совокупность экспериментальных данных, а также результаты их аналитической, математической и графической обработки подтвердили теоретические предположения и позволили установить пребиотический эффект, синергическое и защитное действие по отношению к ассоциированным пробиотическим культурам изучаемых ростостимулирующих веществ в биотехнологических молочных и молокосодержащих системах.

Важной проблемой является обеспечение жизнеспособности пробиотических культур и устойчивости к термоинактивации в процессе производства и хранения ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов. Температурное воздействие (60?80єС) приводит к термоинактивации ассоциированных культур, поэтому решение данной проблемы видится в разработке и совершенствовании способов поддержания жизнеспособности клеток микроорганизмов, используя методы их включения в гели биополимеров. В работе исследован процесс иммобилизации предварительно активизированной ассоциации пробиотических культур (B. bifidum, B. longum, L. acidophilus) в гель природных биополимеров (желатина и пектина), являющихся химически инертными и обладающих хорошими диффузными качествами, способностью образовывать структуры с оптимальным размером пор.

На основании теоретических и экспериментальных исследований была сформулирована рабочая гипотеза, которая заключается в следующем. Лакто- и бифидобактерии проявляют чувствительность к нагреванию уже при 57?63єС. Желатин, являясь источником глутаминовой кислоты, аргинина (бифидогенный фактор), и пектин, обладающий выраженным пребиотическим эффектом, обеспечат дополнительную ростостимуляцию, а сорбция пробиотических культур на волокнах-полисахаридах пектина, обладающего комплексообразующей способностью, и агрегация клеток обеспечат их термоустойчивость. Кроме того, желатин и пектин являются активными влагосвязывающими агентами, следовательно, при термовоздействии потери воды будут незначительными. Можно предположить, что пробиотические культуры, защищенные подобным образом, будут проявлять устойчивость к термоинактивации в технологических процессах и способность приживаться в желудочно-кишечном тракте, минуя кислотный барьер.

Исследована термоустойчивость иммобилизованных пробиотических культур (B. bifidum, B. longum , L. acidophilus) в условиях теплового воздействия (t = 50 ± 2С и 60 ± 2С) и их жизнеспособность при дальнейшем хранении в течение 30 сут. Сравнительная оценка жизнеспособности пробиотических культур, иммобилизованных в гель желатина и пектина (экспериментально установленное соотношение 2:1), при различных температурных режимах последующего термовоздействия представлена на рис. 9.

Установлено, что иммобилизованные культуры B. bifidum, B. longum проявили устойчивость при изучаемых температурных режимах, снижение клеточной концентрации при (60 ± 2)С произошло всего на 1 порядок (с 2,0•109 до

Рис. 9

Результаты проведенных исследований подтверждают рабочую гипотезу, следовательно, иммобилизация в гели природных биополимеров является эффективным способом сохранения и защиты пробиотических культур в технологических процессах, позволяя тем самым конструировать ферментированные молочные и молокосодержащие продукты с направленными физиолого-биохимическими свойствами.

Таким образом, эффективные методы стимулирования ассоциативного роста пробиотических культур и сохранности в процессе производства БТМС основываются на синергическом взаимодействии ростостимулирующих веществ и ассоциаций культур с пробиотическими свойствами как в процессе ферментации, так и при хранении БТМС; биомодификации компонентов БТМС и создании ферментированных добавок с активизированными культурами; иммобилизации культур в гели природных биополимеров.

Иллюстрацией вышеизложенному являются следующие подходы к способам активизации ассоциативного роста и защиты пробитических культур для производства ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов на основе информационной структуры БТМС (рис. 10).

Разработанные способы стимулирования ассоциативного роста культур с пробиотическими свойствами и их защиты стали основополагающей концепцией технологии ферментированных добавок - ферментированного белкового обогатителя (ФБО), ферментированной сливочно-соевой добавки (ФССД), синбиотической сывороточной добавки (ССД), сливочного биообогатителя (СБО), регулирующих функционально-технологические свойства ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов.



Рис. 10 - Структурная схема способов активизации ассоциативного роста и защиты культур с пробиотическими свойствами для производства ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов

Синергизм бифидогенных и иммуномодулирующих свойств ферментированных добавок объясняется направленным физиологическим воздействием каждого из ингредиентов, включенных в БТМС, дополняющих и обеспечивающих ожидаемый положительный эффект.

7. Изучение влияния специальных ингредиентов на структурообразование и срок годности ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов

При проектировании состава ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов помимо пищевой, биологической, энергетической ценности необходимо учитывать один из важнейших показателей качества и потребительскую характеристику - консистенцию. В структуре БТМС рассматривается четыре подсистемы. По физическим и химическим свойствам элементы подсистемы различны - жидкости, твердые вещества, концентраты, экстракты, биообъекты, которые при объединении в систему могут частично изменять агрегатное состояние, физические свойства, химический состав.

Для придания стабильности БТМС - основы ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов - исследовали специальные ингредиенты (подсистема Г), действие которых основано на использовании полисахаридов, преимущественно натурального происхождения (растительного и водорослевого). Исследован комплекс показателей: химических, физико-химических, микробиологических, органолептических и реологических (в качестве которых выбраны сдвиговые характеристики как наиболее полно характеризующие консистенцию молочных продуктов). На основании полученных результатов с использованием методов математического моделирования выбраны комплексные системы биополимеров, отличающиеся способностью при минимальных дозах применения обеспечивать достижение заданных функционально-технологических свойств продуктов, без снижения нормативных индикаторов, которыми являлись активность воды (аw) и жизнеспособность ассоциированных пробиотических культур.

Итогом исследований явилась разработка аргументированных рекомендаций по использованию стабилизационных систем в технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов.

8. Теоретическое обоснование принципов создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов, их практическая реализация

Разработаны практические рекомендации и методологические принципы создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов, которые представлены в виде блок-схемы на рис. 11.

Методологические принципы практически реализованы при разработке инновационных технологий ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов. Представлены рецептурно-компонентные решения и блок-схемы производства новых продуктов, проведена оценка их безопасности.

Рис. 11 - Методологические принципы создания технологии ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов на основе БТМС

9. Техническая новизна и практические аспекты результатов работы

Техническая новизна исследований отражена в 14 патентах РФ, 3 положительных решениях о выдаче патента по заявкам, 2 заявках на изобретение и 12 свидетельствах на интеллектуальные продукты.

Разработанные в процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований инновационные технологии, их элементы апробированы и внедрены на молочных предприятиях Омской области. Полученные результаты используются в образовательном процессе подготовки специалистов по соответствующим направлениям.

Таким образом, в результате аналитического обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований предложены новые технологии, позволяющие расширить ассортимент ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов (табл. 4).

Таблица 4 - Техническая новизна и практическая реализация результатов исследований

Наименование	Техническая новизна	Практическая реализация	Ф.И.О. соавторов
Продукт йогуртный	Пат. № 2280991	ТУ 9222-010-49527272-2003	Н.П. Жданеева, Н.Б. Гаврилова
Молоко обогащенное пастеризованное	Пат. № 2290818	ТУ 9222-001-49527279-2003	Е.Н. Вокорина, Н.Б. Гаврилова
Продукт кисломолочный комбинированный "Бионеженка"	Пат. № 2265341	ТУ 9224-014-49527279-2004	Н.Б. Гаврилова, Е.Ю. Гречук
Соус кислосливочный	Пат. № 2296486	ТУ 9226-002-71061821-2005	К.М. Симонова, Н.Б. Гаврилова
Сыр мягкий из восстановленного молока	Пат. № 2312507	ТУ 9225-001-14923145-2005	Л.Г. Германская, Н.Б. Гаврилова, Т.В. Рыбченко
Продукт кисломолочно-растительный пастообразный	Пат. № 2353095	СТО 9222-025-49527279-2007	Н.Б. Гаврилова, М.А. Шадрин
Продукт сырный "Десертный"	Пат. № 2308197	СТО 9229-028-49527279-2007	Н.Б. Гаврилова, С.С. Иванов
Продукт кисломолочный	Пат. № 2308195	СТО 49527279-002-2008	Н.Б. Гаврилова, Е.Ф. Красноперова
Продукт десертный молочно-растительный	Пат. № 2368144	СТО 49527279-003-2008	Т.А. Назаренко, Н.Б. Гаврилова, Н.Л. Кащеева
Продукт кисломолочный десертный	Пат. № 23088338	СТО 49527279-001-2008	Е.С. Гришина, Н.Б. Гаврилова
Продукт сырный плавленый	Полож. решение о выдаче пат. по заявке № 2008106392	СТО 49527279-04-2008	М.В. Опанасенко, Н.В. Кочеткова, Н.Б. Гаврилова
Ферментированные добавки
Обогатитель белковый ферментированный	Пат. № 2287944	ТУ 9224-013-49527279-2004	Н.Б. Гаврилова
Ферментированная сливочно-соевая добавка	Свид-во на интеллектуальный продукт № 73200500201	СТО 9222-024-49527279-2007	Н.Б. Гаврилова, М.А. Шадрин

10. Социальная и экономическая значимость результатов исследований

Социальная значимость результатов диссертационного исследования заключается в создании ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов с рациональным химическим составом и свойствами, высокой биологической ценностью (показатель биологической ценности более 60%). На основе модельного эксперимента доказан пробиотический эффект новых продуктов (увеличение пробиотических культур в отделе тонкого кишечника кролика на 3?4 порядка). Совокупность полученных характеристик позволяет отнести разработанные продукты к классу функциональных и рекомендовать их для питания широких слоев населения.

Экономическая эффективность производства новых продуктов доказана сравнительным расчетом плановых калькуляций себестоимости (производственной, полной) и рентабельности по отношению к продуктам-аналогам. Установлено, что новые рецептуры в сравнении с аналогами позволяют снизить полную себестоимость продуктов на 4?9%, а, следовательно, повысить рентабельность их производства на 2,4?5,5%.

Предложен расчет новой экономической категории - молокоемкости производства продукта (), характеризующей норму молока-сырья (с базовой м.д.ж. 3,4 %) для производства 1 тонны продукта и позволяющей произвести сравнительную оценку ферментированных молочных и молокосодержащих продуктов. Установлено, что молокоемкость разработанных продуктов ниже на 0,11?0,31 дол. ед., чем в продуктах-аналогах.

...