Розробка ефективних технологій біологічно активних ферментованих напоїв

доктора технічних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Домарецький Віталій Афанасійович, Національний університет харчових технологій, завідуючий кафедрою біотехнології продуктів бродіння, екстрактів і напоїв.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Олійнічук Сергій Тимофійович, Український науково-дослідний інститут спирту і біотехнології продовольчих продуктів, директор;

доктор технічних наук, професор Левандовський Леонід Вікторович, Національний університет харчових технологій, завідуючий кафедрою біохімії та екології харчових виробництв;

доктор технічних наук, професор Литовченко Олександр Михайлович, Інститут садівництва Української Академії аграрних наук, завідуючий лабораторією переробки плодів і ягід.

Провідна установа: Інститут харчової хімії і технології НАН, м. Київ

Захист відбудеться “_09__” _ червня___ 2004 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 Національного університету харчових технологій за адресою 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розіслано “_29__” квітня 2004 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Кобилінська О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

дріжджі оцтовокислий ферментований напій

Актуальність теми. Науково-технічний розвиток харчової промисловості зумовлений рівнем технологій усіх її галузей, зокрема пиво-безалкогольної. За масовістю виробництва та об'ємами споживання напої посідають провідне місце в раціоні харчування. Згідно з численними дослідженнями в галузі фізіології харчування, найбільш раціональною їх формою є безалкогольні напої, від біохімічного та мікробіологічного складу яких значною мірою залежить стан здоров'я населення. Тому проблема створення й виробництва безалкогольних напоїв загальнооздоровчого призначення має винятковий вплив на розвиток харчової і переробної промисловості.

З точки зору біохімічного і мікробіологічного складу найбільш повноцінними можна вважати ферментовані напої - продукти культивування моно- або асоційованих культур мікроорганізмів. Це зумовлено здатністю мікроорганізмів продукувати необхідні для нормального функціонування організму людини біологічно активні речовини. Основна відмінність і перевага таких напоїв над звичайними продуктами купажування полягає в тому, що біоактивні речовини не вносяться штучно, а утворюються природнім шляхом у процесі бродіння. Крім цього, широкий спектр їхнього якісного складу дозволяє поповнити організм людини дефіцитними складниками харчування.

На жаль, до цього часу належної уваги розвитку цієї галузі не приділялось, і, як наслідок, - технологічний і технічний рівні їх виробництва досить низькі. Недостатнім є й асортимент таких напоїв, представлений винятково хлібним квасом на основі житнього солоду. Разом з тим, шляхом розроблення і впровадження новітніх технологій, цілеспрямованого підбору та виділення чистих культур мікроорганізмів, підбору нетрадиційної рослинної сировини можна значно інтенсифікувати розвиток безалкогольної галузі, одержати повноцінні, збалансовані за біохімічним і мікробіологічним складом відповідно до потреб організму людини напої.

Питання підбору, виділення й дослідження штамів мікроорганізмів для виробництва ферментованих напоїв посідає ключове місце в створенні нових біотехнологій. Так, на тлі вкрай недостатнього асортименту таких напоїв, на більшості підприємств використовують як закваску або пресовані хлібопекарські дріжджі, які не адаптовані до технології квасу, або комбіновану закваску з дріжджів Saccharomyces cerevisiae рас М, С-2 і молочнокислих бактерій роду Betabacterium 11 і 13. Ці штами виділив і вивчав Л.Чекан ще в 20-х роках минулого сторіччя, і природно, що за такий тривалий термін культивування вони втратили свої технологічні якості: бродильну активність, здатність синтезувати незамінні амінокислоти й інші біологічно активні речовини, швидкість розмноження тощо. Крім того, можливість використання у виробництві ферментованих напоїв мікроорганізмів, що належать до інших таксономічних груп, взагалі не вивчалась.

Виходячи з цього, актуальною проблемою є проведення комплексу теоретичних та експериментальних досліджень щодо створення нових високоефективних технологій біологічно активних ферментованих напоїв лікувально-профілактичного і оздоровчого призначення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до напрямів наукової діяльності Національного університету харчових технологій за завданням ДКНТП № 03.10.00/045-93 “Розробити технологію напоїв бродіння лікувально-профілактичної дії” (№ державної реєстрації 0197U001033) згідно з напрямом “Технологія виробництва дитячого, лікувального та профілактичного харчування” програми “Переробка і зберігання сільськогосподарської продукції”, а також за темами № 402/95 “Розробка технології біологічно активних безалкогольних напоїв”(№ державної реєстрації 0195U003117) та № 625/97 “Розробка технології нових алкогольних напоїв лікувально-профілактичного напрямку” (№ державної реєстрації 0198U003922).

Автором особисто розроблено програми та методики лабораторних і промислових досліджень, проведено ряд промислових випробувань розроблених технологій, оброблено та узагальнені отримані результати, здійснювалось керівництво темами.

Мета і завдання досліджень. Мета досліджень полягала у науковому обґрунтуванні та розробленні високоефективних технологій біологічно активних ферментованих напоїв на основі використання асоціацій нових чистих культур мікроорганізмів та різних видів рослинної сировини.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- на основі розроблення відповідних критеріїв виділити, підібрати та дослідити перспективні штами мікроорганізмів для їх використання як асоціативних у технологіях ферментованих напоїв;

- визначити доцільність використання в технологіях ферментованих напоїв асоціацій мікроорганізмів з різним типом взаємовідносин;

- встановити склад летких метаболітів комбінованих заквасок за допомогою хроматографічного аналізу;

- визначити доцільність використання різної вуглеводовмісної сировини в технологіях ферментованих напоїв;

- встановити і науково обґрунтувати оптимальне співвідношення біологічно активних речовин у ферментованих напоях;

- розробити ефективні фізичні та фізико-хімічні способи інтенсифікації технології ферментованих напоїв;

- розробити концепцію перспективного розвитку технологій ферментованих напоїв;

- розробити ефективні способи збільшення біологічної стійкості ферментованих напоїв;

- провести медико-біологічні дослідження розроблених напоїв;

- розробити ефективні технології біологічно активних ферментованих напоїв та необхідну нормативно-технічну документацію;

- впровадити нові технології ферментованих напоїв у виробництво;

- визначити соціально-економічну ефективність розроблених технологій.

Об'єктом дослідження є ферментовані напої, одержані шляхом зброджування сусла з різних видів вуглеводовмісної сировини асоціаціями чистих культур мікроорганізмів.

Предметом дослідження є розроблення ефективних технологій біологічно активних ферментованих напоїв.

Методи дослідження. Поставлені у дисертації завдання вирішували з використанням методів, загальноприйнятих у пивобезалкогольній промисловості, у мікробіологічних дослідженнях, а також модифікованих щодо специфіки об'єкту досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. Запропоновано і науково обґрунтовано перспективність використання в технології ферментованих напоїв асоціацій мікроорганізмів, що належать до різних таксономічних груп як із симбіотичним, так і з метабіотичним типом взаємовідносин.

Теоретично обґрунтовано перспективність напряму розроблення нових технологій ферментованих напоїв на основі цілеспрямованого виділення і підбору чистих культур мікроорганізмів та використання різних видів рослинної сировини. Це дозволяє одержати напої з оптимальним співвідношенням основних біологічно активних речовин відповідно потребам організму людини.

Розроблено головні критерії щодо виділення і підбору штамів мікроорганізмів для використання їх як асоціативних культур у технології біологічно активних ферментованих напоїв, зокрема прискорення технологічного процесу, забезпечення відмінних органолептичних показників напоїв, здатність продукувати адекватні організму людини біологічно активні речовини з різної рослинної сировини, високий рівень симбіозу або метабіозу, надання напоям оздоровчих властивостей.

Ідентифіковано специфічний склад летких метаболітів, що визначають характерні органолептичні показники ферментованих напоїв.

Розроблено концепцію створення технологій нових ферментованих напоїв на основі використання асоціацій культур мікроорганізмів та різних видів рослинної сировини, яка дозволяє одержати напої з заздалегідь прогнозованими оздоровчими властивостями. Вона забезпечує виробництво ферментованих напоїв загальнооздоровчого призначення, в тому числі з подовженим терміном зберігання, а також напоїв лікувально-профілактичного призначення, зокрема з вмістом живих культур мікроорганізмів та збагачених біологічно активними речовинами.

Наукову новизну підтверджено одинадцятьма патентами.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки, рекомендації, що сформульовані в дисертації, в достатній мірі вірогідні, науково обґрунтовані завдяки використанню сучасних методів досліджень, приладів та статистичних методів обробки експериментальних даних і підтверджуються адекватністю результатів досліджень у лабораторних та виробничих умовах.

Вірогідність результатів математичного моделювання підтверджується високим ступенем адекватності математичних моделей, побудованих за експериментальними даними, реальним процесам.

Наукове значення роботи. Проведені комплексні теоретичні та експериментальні дослідження вирішують актуальну проблему перспективного розвитку пивобезалкогольної галузі харчової промисловості. Розроблена концепція створення ефективних технологій біологічно активних ферментованих напоїв дозволяє одержати напої із заздалегідь визначеними лікувально-профілактичними і оздоровчими властивостями. Отримані наукові положення й результати поглибили теоретичну базу технології напоїв і є основою для подальшого розширення асортименту ферментованих напоїв, підвищення їх конкурентноздатності на внутрішньому та зовнішньому ринках.

Практичне значення одержаних результатів. На основі розроблених критеріїв виділено й підібрано нові штами дріжджів видів Saccharomyces cerevisiae та Zygosaccharomyces fermentatі, молочнокислих бактерій видів Enterococcus faecium, Lactobacillus plantarum, Streptococcus diacetilactis та оцтовокислих бактерій виду Acetobacter xylinum. Запропоновано їх використання як асоціативних в технологіях біологічно активних ферментованих напоїв. Розроблено технології ферментованих напоїв на основі використання асоціацій мікроорганізмів як із симбіотичним, так і з метабіотичним типом взаємовідносин та різної рослинної сировини. Доведено доцільність використання в технологіях ферментованих напоїв молочнокислих бактерій як гетероферментативного, так і гомоферментативного типу розкладу вуглеводів. Промисловості запропоновано розвиток виробництва ферментованих напоїв за розробленою концепцію. Одержані результати дозволяють інтенсифікувати виробництво ферментованих напоїв, значно розширити асортимент безалкогольних напоїв із натуральної рослинної сировини, адаптованих за якісним біохімічним складом до потреб організму людини.

До ДСТУ 4069-2002 “Напої безалкогольні. Загальні технічні умови” введено термін “ферментовані напої”, що дозволило упорядкувати класифікацію напоїв з розширенням їх асортименту.

Проведено клінічні дослідження нових ферментованих напоїв, встановлена їхня ефективна оздоровча дія.

На нові напої складено і затверджено необхідну нормативно-технічну документацію, розроблені технології впроваджено на підприємствах харчової промисловості різного підпорядкування в Україні та країнах СНД.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок полягає в науковому обґрунтуванні та формулюванні мети, завдань, наукової концепції та програми досліджень; за безпосередньою участю здобувача проведено теоретичні та експериментальні дослідження в лабораторних та виробничих умовах, розроблено нормативно-технічну документацію, здійснено промислову апробацію та впровадження у виробництво розроблених технологій. Безпосередньо автором проведено теоретико-аналітичну інтерпретацію результатів досліджень та сформульовано висновки.

У співавторстві проведено: ідентифікація та дослідження морфологічних та фізіолого-біохімічних властивостей нових штамів мікроорганізмів - з д.б.н. В.С.Підгорським та д.б.н. Н.К.Коваленко (Інститут мікробіології та вірусології НАН України); дослідження ароматоутворюючих культур молочнокислих бактерій - з д.т.н. Г.І.Космінським та к.т.н. О.О.Цед (Могилівський технологічний інститут); електронне мікроскопування клітин мікроорганізмів - з к.т.н. Ю.О.Дашковським; застосування фізичних способів з к.ф.-м.н. В.Є.Носенко; медико-біологічні дослідження - з д.м.н. Ю.Г.Григоровим (НДІ геронтології АМН України). В сумісних роботах авторові належить наукова аргументація вибору та підготовка об'єктів досліджень, участь у їх проведенні та аналітичне оброблення одержаних результатів. Ряд досліджень виконано в процесі керування науковою роботою аспіранта О.П.Вітряк. Обговорення, аналіз та узагальнення результатів досліджень проведено з науковим консультантом д.т.н. В.А.Домарецьким, д.т.н. В.А.Маринченко та д.т.н. А.Є.Мелетьєвим.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать проведення теоретичних досліджень, оброблення та аналіз експериментальних даних.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи викладено та обговорено на Міжнародній науково-технічній конференції “Розробка та впровадження нових технологій та обладнання у харчову та переробну промисловість” (м. Київ, 1993 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Розвиток масового харчування, готельного господарства і туризму в умовах ринкових відносин” (м. Київ, 1994 р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції “Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробну промисловість” (м. Київ, 1995 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Научно-технический прогресс в пищевой промышленности” (м. Могилів, Білорусь, 1995 р.); науково-практичному семінарі “Електротехнологія в харчовій промисловості” (м. Київ, 1995 р.); IIIrd Congress of the International Association of Gerontology, European Region (Thessaloniki, Greece, 1996); Міжнародній науково-технічній конференції “Совершенствование технологических процессов в пищевой промышленности и АПК” (м. Оренбург, Росія, 1996 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Энергосберегающие технологии переработки с/х сырья” (м. Мінськ, Білорусь, 1996 р.), Міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (м. Одеса, 1996 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (м. Київ, 1997 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Техника и технология пищевых производств” (м. Могилів, Білорусь, 1998 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості” (м. Київ, 1999 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Микробиология и биотехнология на рубеже ХХІ века” (м. Мінськ, Білорусь, 2000 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Техника и технология пищевых производств” (м. Могилів, Білорусь, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання, і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення” (м. Київ, 2001р.); 61, 62, 65, 66, 67-ій наукових конференціях студентів, аспірантів і молодих вчених УДУХТ (м. Київ, 1995, 1996, 1999, 2000, 2001 рр.), Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (м. Київ, 2002 р.) тощо.

На міжнародному конкурсі-дегустації у м. Суздаль (Росія) у 1999, 2000 та 2001 роках напої серії “Віталон” та “Квас Український” нагороджено золотою, срібною, бронзовою медалями і дипломами І та ІІ ступенів. Зразки розроблених напоїв демонструвалися на виставках “Российские напитки-98”, “Российские напитки-99”, “Российские напитки-2000”, “Российские напитки-2001” (м. Суздаль, Росія), Національній виставці “2002: рік України в Російській Федерації” (ВВЦ, Москва, Росія), Експоцентрі України (м. Київ), НДІ геронтології АМН України (м. Київ) тощо.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 60 наукових роботах, з них 18 статей у фахових виданнях, отримано 11 патентів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 315 найменувань, і додатків. Робота викладена на 319 сторінках, містить 32 рисунки і 87 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Примітка. Ріст мікроорганізмів: інтенсивний (+ + +); менш інтенсивний (++); слабкий (+).

Таблиця 3. Дослідження біохімічної активності штамів Str. diacetilactis

Примітка. Зміна середовища: інтенсивна (+ + +), що свідчило про розклад цукру; слабка (+ - -); відсутність зміни (- - -).

Таблиця 4

Вплив рН середовища на життєдіяльність штамів Str. diacetilactis

Примітка. Ріст мікроорганізмів: інтенсивний (+++); менш інтенсивний (- + +); слабкий (- - +); відсутність росту (- - -)

Використання обраних гомоферментативних молочнокислих бактерій зумовлено їхньою високою біологічною та антагоністичною активністю до сторонньої мікрофлори (табл. 5). Це дозволяє надати напоям принципово нової якості, що забезпечує їхні лікувально-профілактичні властивості.

Таблиця 5. Антагоністична активність молочнокислих бактерій Enterococcus faecium К-77Д і Lactobacillus plantarum АН 11/16