Розробка технології низьколактозних молочних продуктів з використанням ферментних препаратів В-уалактозидази

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГIЙ

УДК [637.142.2:577.15]:637.044

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ НИЗЬКОЛАКТОЗНИХ МОЛОЧНИХ ПРОДУКТІВ З ВИКОРИСТАННЯМ ФЕРМЕНТНИХ ПРЕПАРАТІВ в-ГАЛАКТОЗИДАЗИ

Спецiальнiсть 05.18.04 - технологiя м'ясних, молочних та рибних продуктiв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПОГОСЯН АНАIТ СЄМIВНА

Одеса - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеськiй нацiональнiй академiї харчових технологій Мiнiстерства освiти і науки України.

Науковий керівник: доктор технiчних наук, професор, заслужений дiяч науки і техніки України Чагаровський Олександр Петрович, Одеська нацiональна академiя харчових технологій, професор кафедри технології молока і сушіння харчових продуктів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Безусов Анатолій Тимофійович, Одеська нацiональна академiя харчових технологій, кафедра технології консервування, завідувач кафедри;

кандидат технічних наук, професор Ромоданова Валентина Олександрівна, Відкритий міжнародний університет розвитку людини „Україна”, професор кафедри технології харчування.

Провідна установа: Харківський державний університет харчування та торгівлі, кафедра технології харчування Мiнiстерства освiти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 24 ” травня 2007 року о 10 : 30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.02 Одеської нацiональної академiї харчових технологій (65039, м. Одеса, вул. Канатна, 112).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської нацiональної академiї харчових технологій за адресою: 65039, м. Одеса, вул. Канатна, 112.

Автореферат розісланий “ 23 ” квітня 2007 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор Г.М. Станкевич

ферментативний гідроліз молоко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні, згідно зі статистичними даними, проблема галактоземії (інтолерантності до лактози) досить гостро стоїть для 12...17 % населення Європи, зокрема, для 11...23 % населення України, і для більш ніж 70 % населення світу. В країнах Азії, Африки, Латинської Америки (для жовтої та негроїдної раси) головною причиною галактоземії є генетична складова. В нашій країні це ще, напевно, пов'язано з несприятливими екологічними обставинами, які призводять до зниження імунітету, дефіциту в організмі ферменту лактази, внаслідок чого має місце інтолерантність до лактози. Неможливість вживати молочні продукти призводить до нераціонального харчування, що в результаті впливає на зростання рівня захворювання населення, зниження працездатності та скорочує тривалість життя.

Цілком зрозуміло, що повне виключення молочних продуктів з раціону харчування людей з даним захворюванням неможливе, оскільки знайти для молока належну заміну надзвичайно важко. У зв'язку з цим, для забезпечення групи населення, інтолерантної до лактози, повноцінним харчуванням необхідні низьколактозні або безлактозні продукти. В країнах з розвиненою молочною промисловістю вже розпочалося створення підгалузі виробництва з частково або повністю гідролізованою лактозою. Це стало можливим завдяки освоєнню промислового виробництва ферментних препаратів в-галактозидази, які виробляють такі провідні західні компанії, як Chr.Hansen (Данія), DSM Food Specialties (Нідерланди) та інші.

Слід відзначити, що більшість закордонних наукових розробок присвячена тільки опрацюванню технологій питного молока з низьким вмістом лактози шляхом використання ферментних препаратів в-галактозидази. В той же час, пошук нових технологічних рішень у виробництві низьколактозних кисломолочних продуктів знаходиться на рівні лабораторних досліджень та ще не має широкого впровадження в промисловості.

Враховуючи те, що вітчизняна молочна промисловість не виробляє продуктів для людей, інтолерантних до лактози, наукові дослідження, які дозволили б розробити технології нових видів молочних виробів з низьким вмістом лактози - питного молока та кисломолочних продуктів, слід віднести до категорії першочергових, які потребують негайного вирішення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за тематикою держбюджетних досліджень проблемної науково-дослідної лабораторії 1/06 - П „Розробка бiотехнологiчних процесiв цiльового спрямованого регулювання функцiональних фiзiологiчних та технологiчних властивостей харчових продуктiв та БАДiв” (№ держреєстрації 0106U001445) та за тематикою кафедри технології молока і сушіння харчових продуктів Одеської національної академії харчових технологій „Технологія молочних продуктів нового покоління”.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - розробка технології низьколактозного питного молока та кисломолочних продуктів з низьким вмістом лактози за допомогою ферментативного гідролізу лактози препаратами в-галактозидази.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені такі задачі:

- провести аналіз літературних джерел інформації, технічних бюлетнів іно- земних компаній, ринку ферментів в Україні та Європі і здійснити вибір промислових зразків препаратів в-галактозидази для гідролізу лактози в молоці;

- дослідити процес ферментативного гідролізу лактози і встановити технологічні параметри (температуру, активну кислотність, дозу препарату, тривалість процесу), які забезпечують необхідний ступінь гідролітичного розщеплення препаратами в-галактозидази;

- встановити вплив процесу ферментативного гідролізу лактози на фізико-хімічні, органолептичні та технологічні властивості молока;

- визначити вплив редукуючих моноцукрів (глюкози) та ферментативного гідролізу лактози на інтенсивність перебігу реакції меланоїдиноутворення при тривалій високотемпературній обробці;

- дослідити процес ферментації гідролізованого молока та вибрати молочнокислі культури прямого внесення, які забезпечують інтенсифікацію та його проведення в цілому;

- опрацювати нові технології низьколактозних молочних продуктів та здійснити їх промислову апробацію;

- розробити нормативну документацію на виробництво низьколактозних молочних продуктів - питного молока та кисломолочних виробів.

Об'єкт дослідження - молоко коров'яче; ферментні препарати в-галактозида-зи: Ha-Lactase та Maxilact з дріжджів Kluyveromyces fragilis та lactis, відповідно; закваски прямого внесення (DVS) компанії Chr. Hansen для виробництва кисломолочних продуктів; питне молоко та кисломолочні продукти з гідролізованою лактозою.

Предмет досліджень - технологічні процеси: ферментативний гідроліз лактози, ферментація молока з гідролізованою лактозою, високотемпературна обробка гідролізованого молока.

Методи досліджень - комплекс традиційних і сучасних хімічних, біохімічних, фізико-хімічних, мікробіологічних та математичних методів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів. Доведено, що ферментативний гідроліз лактози в молоці є базоутворюючим процесом для нових рішень зі створення молочних виробів функціонального призначення та інтенсифікації існуючих технологій кисломолочної продукції та продукції з незбираного молока. Виявлено, що „індекс солодкості” молока підвищується зі збільшенням ступеню гідролізу лактози. Запропоновано номограму, яка дозволяє визначити зміни солодкості молока у перерахунку на сахарозу в залежності від глибини гідролізу та масової частки лактози в ньому. Встановлено, що гідролітичне розщеплення лактози призводить до інтенсифікації реакції меланоїдиноутворення за рахунок збільшення концентрації в молоці редукуючих моноцукрів - глюкози та галактози. Визначено, що попереднє проведення ферментативного гідролізу лактози, а також поєднання його з процесом ферментації молока у виробництві кисломолочної продукції сприяє інтенсифікації технологічного процесу в цілому. Науково обґрунтовано, що поєднання процесу ферментативного гідролізу з відповідним підбором штамів молочнокислих мікроорга-нізмів дозволяє регулювати вуглеводний склад кисломолочних продуктів. Доведено, що використання ферментних препаратів в-галактозидази дозволяє створювати нові технології низьколактозних молочних продуктів для людей, інтолерантних до лактози, та хворих на цукровий діабет.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено технології низьколактозних молочних продуктів з використанням ферментних препаратів в-га-лактозидази, які пройшли промислову апробацію в умовах Радехівського молочного заводу ЗАТ „Галичина” та можуть бути рекомендовані до впровадження на будь-якому підприємстві молочної промисловості. Опрацьовано та затверджено норма-тивну документацію на виробництво молока коров'ячого питного низьколактозного (ТУ У 15.5 - 31984307 - 004 : 2006). На стадії затвердження знаходяться технічні умови на низьколактозні кисломолочні продукти. Результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри технології молока і сушіння харчових продуктів Одеської національної академії харчових технологій (лекціях з технології молока, курсовому та дипломному проектуванні).

Особистий внесок здобувача полягає у плануванні та проведенні експери-ментів, виборі об'єктів та методів експериментальних досліджень, обробці та узагальненні отриманих науково обґрунтованих результатів у вигляді формування висновків та пропозицій, підготовці матеріалів досліджень до публікування, виконаних у співавторстві та самостійно, розробці технологій і нормативної документації, промислової апробації розроблених технологій. Особистий внесок здобувача підтверджується представленими документами та публікаціями.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та отримали схвалення фахівців на наступних наукових конференціях: 65-й науковій конференції ОНАХТ (2005 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Харчові технології - 2005” (Одеса, ОНАХТ, 2005 р.); 72-й науковій конференції молодих учених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді ? вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті” (Київ, НУХТ, 2006 р.); 66-й науковій конференції ОНАХТ (2006 р.); 9-у Міжнародному науково-практичному семінарі “Нове в молочній промисловості” (2006 р.); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Харчові технології - 2006” (Одеса, ОНАХТ, 2006 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи представлені у 9-ти публікаціях, з яких 5 статей у фахових наукових виданнях, 1 стаття в науково-виробничому виданні та тези матеріалів 3 наукових і науково-практичних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел та додатків. Зміст роботи викладено на 147 сторінках, які включають 32 рисунка (28 сторінок), 17 таблиць (12 сторінок). Робота містить 195 найменувань використаних літературних джерел (17 сторінок) та 8 додатків (56 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, наведено відомості стосовно особистого внеску автора, апробації результатів роботи та публікацій за темою дисертації.

У першому розділі наведено аналіз вітчизняної та закордонної науково-технічної літератури, у якому були розставлені акценти на основні моменти, пов'язані з

обраною темою дисертації. Показано вплив лактози на організм людини та шляхи її використання в харчовій промисловості. Висвітлено проблему інтолерантності до лактози і фактори, які спричиняють це захворювання, його основні синдроми та усі можливі шляхи лікування. Розглянуто ферментативний гідроліз лактози, як найкращий спосіб розщеплення лактози для отримання низьколактозних молочних продуктів. Надано характеристику ферментного препарату в-галактозидази - єдиного препарату, який каталізує реакцію розщеплення лактози. Також описані властивості

в-галактозидази, їх вплив на технологічні процеси при виробництві молочних продуктів. Проаналізовано існуючі технології виробництва молочних продуктів з використанням ферментних препаратів в-галактозидази. Розглянуто механізм протікання реакції меланоїдиноутворення та її можливий зв'язок з ферментативним гідролізом. На основі огляду літератури зроблено висновки, в яких підкреслено актуальність обраного шляху для досягнення мети дисертаційної роботи - розробка технології низьколактозного питного молока та кисломолочних продуктів з низьким вмістом лактози за допомогою ферментативного гідролізу лактози препаратами в-галактозидази, та її доцільність.

У другому розділі викладені відомості про об'єкти та методи досліджень, використані при виконанні дисертаційної роботи. Наведено структурну схему проведення досліджень, яка відображає основні напрямки досліджень, послідовність їх виконання та вирішення поставлених задач (рис. 1).

Здійснено вибір ферментних препаратів в-галактозидази: Ha-Lactase компанії Chr.Hansen (Данія) і Maxilact фірми DSM Food Specialties (Нідерланди) з дріжджів Kluyveromyces fragilis та lactis, відповідно, та розглянуто їх технічні характеристики.

В дослідженнях використовували як стандартні, так і сучасні - фотоколори-метричні, хроматографічні та спектрофотометричні методи досліджень.

Наукові дослідження виконувалися на кафедрі технології молока і сушіння харчових продуктів, кафедрі органічної хімії та в проблемній науково-дослідній лабораторії ОНАХТ, а також в лабораторії біохімії Одеського селекційно-генетичного інституту національного центру насіннєзнавства та сортовивчення УААН. Промислову апробацію розроблених технологій низьколактозних продуктів (пастеризованого та пряженого молока, кислого молока та ряжанки) проведено на Радехівському молочному заводі ЗАТ „Галичина”.

У третьому розділі наведено результати власних експериментальних досліджень з визначення технологічних параметрів процесу ферментативного гідролізу лактози. Встановлено, що найвищу активність в молоці ферментні препа-рати в-галактозидази проявляють при активній кислотності 6,6 і температурі 40 єС для Ha-Lactase та 6,5 і 35 єС для Maxilact (рис. 2 і 3).

З метою вибору раціональних режимів ферментативної обробки молока препаратами в-галактозидази було досліджено вплив температури і тривалості процесу на ступінь гідролізу лактози в інтервалі температур від 6 до 10 єС з тривалістю процесу 6…24 год та від 35 до 50 єС з тривалістю 1…4 год. Встановлено, що необхідний рівень гідролізу лактози (70…80 %) може бути досягнутий за температур 6...10 єС протягом 14…20 год, а за температур 35 єС та 40 єС через 2 год для Maxilact і Ha-Lactase, відповідно.

Отримані результати підтвердили, що двох годин та доз ферментних препаратів 1050 НЛО/г і 1000 НЛО/г для Ha-Lactase та Maxilact за температур 40 єС і 35 єС, відповідно, вистачає для досягнення ступеня гідролізу лактози 70...80 %, а також довели, що за температур 6 єС і 10 єС теж можна отримати рівень гідролізу 70...80 % через 14...20 год.

Рис. 1. Структурна схема проведення досліджень

За результатами проведених досліджень впливу кількості ферментного препарату, який вноситься, на ступінь гідролізу лактози встановили, що підвищення дозування незалежно від температури процесу призводить до швидшого та глибшого перебігу гідролізу лактози. Разом з тим, враховуючи вищеописані результати досліджень з тривалості процесу до досягнення необхідного рівня гідролізу (70...80 %) та вартість фер-ментних препаратів, слід відзначити, що перевищення концентрації препаратів 0,05 % не є доцільним з технологічної та економічної точок зору. Таким чином, концентрація ферментних препаратів повинна складати для Ha-Lactase не менше 1050 НЛО/г, а для Maxilact - 1000 НЛО/г.

У четвертому розділі наведені експериментальні дослідження впливу ферментативного гідролізу за допомогою в-галактозидази на фізико-хімічні, органолептичні та технологічні властивості молока. Як свідчать експериментальні дослідження, ферментативний гідроліз лактози не призводить до відчутних змін фізико-хімічних показників, але має значний вплив на органолептичні показники молока, зокрема, на його смакові властивості. Встановлено, що ферментативний гідроліз викликає появу солодкого смаку в молоці. Це обумовлено розщепленням молочного цукру до моноцукрів - глюкози та галактози, які мають значення „індексу солодкості” більші, ніж лактоза (галактоза - 35 одиниць, глюкоза - 75 одиниць, лактоза - 20 одиниць). Користуючись поняттям „індексу солодкості”, запропоновано методику розрахунку відносного індексу солодкості, яка відображає взаємозв'язок між вмістом цукрів і солодкістю молока та виражається наступною формулою

,(1)

де i - цукор (лактоза, глюкоза, галактоза);

n ? кількість цукрів, n = 3;

? відносний індекс солодкості цукру, одиниць;

? масова частка i-го цукру в молоці, мг/г;

? індекс солодкості i-го цукру, одиниць.

За допомогою формули (1) можна розрахувати відносний „індекс солодкості”

питного молока та молока, гідролізованого в-галактозидазою. Нижче, як приклад, наведено розрахунки величини відносного „індексу солодкості” в негідролізованому молоці та молоці зі ступенем гідролізу 70 % та 80 %:

= од.

= од.

= од.

Тобто, чим вищий ступінь гідролізу лактози, тим солодшим стає молоко.

Проведені дослідження дозволили запропонувати формулу для розрахунку кількості цукру, необхідного для досягнення бажаної солодкості молока

, (2)

де ? масова частка цукру, необхідна для досягнення бажаної солодкості молока, г/1000 г,

? індекс солодкості молока з відповідним ступенем гідролізу лактози, одиниць,

? індекс солодкості молока, одиниць,

? абсолютний індекс солодкості цукру (сахарози) ?100 одиниць.

Користуючись формулою (2), була побудована номограма для визначення кількості цукру, яку можна заощадити у випадку проведення ферментативного гідролізу молока з різним вмістом лактози в залежності від її ступеня гідролізу (рис. 4)

Також досліджено вплив ферментативного гідролізу на процес тривалої високотемпературної теплової обробки молока - пряження. Метою дослідження стало визначення впливу в-галактозидази на протікання реакції меланоїдиноутворення, за рахунок, якої скорочується час теплової обробки. Серія експериментів проводилася на питному молоці, в яке додавали фермент в кількості 0,03, 0,04, 0,05, 0,1 та 0,2 %, витримували протягом 2 год і далі гідролізовані зразки пряжили при температурі 95...98 єС впродовж 4 год (рис. 5)

Процес пряження традиційного молока проходить за 4 години, а молока з 0,05 % ферменту - за 1 годину. Тобто, ферментативний гідроліз інтенсифікує реакцію меланоїдиноутворення, що в свою чергу дає можливість скоротити тривалість теплової обробки у виробництві пряженого молока, ряжанки та варенця.

Перед дослідженням впливу ферментативного гідролізу лактози на технологічні процеси при виробництві кисломолочних продуктів було проведено аналіз та вибір заквасок прямого внесення за їх в-галактозидазною активністю, lag-фазою та тривалістю ферментації, за даними компанії Chr. Hansen. Так, показано, що у випадку застосування ферментативного гідролізу для виробництва ряжанки та варенця слід використовувати культури F-DVS ST-BODY-2 та FD-DVS ST-BODY-2, йогурта - FD-DVS YC-X11 і F-DVS YC-X11, біо-йогурта - FD-DVS ABY-2 і F-DVS ABY-2 та кисломочного сиру - FD-DVS CHN-19, CHN-22, CHN-11 та F-DVS CHN-19, CHN-22, CHN-11, як ті, в яких тривалість lag-фази при внесенні їх у молоко є найдовшою. Далі проводились дослідження зміни тривалості ферментації прогідролізованого молока в-галактозидазою та одночасного внесення в-галактозидази з обраними заквасками при виробництві ряжанки та варенця, йогурту та біо-йогурту, кисломолочного сиру та виробів з нього (рис. 6, 7, 8, 9).

Представлені результати свідчать, що тривалість ферментації (до ізоелектричної точки казеїну) є найшвидшою у випадку попередньо гідролізованого молока, потім при проведенні гідролізу разом з додаванням закваски, і в останню чергу при ферментації контрольного зразка. Це дає можливість стверджувати, що застосування ферментатив- ного гідролізу лактози препаратами в-галактозидази перед ферментацією, а також в процесі ферментації призводить до скорочення її тривалості у виробництві ряжанки та варенця приблизно на 4 год, йогурту - приблизно на 1 год 30 хв, біо-йогурту -приблизно на 2 год та кисломолочного сиру - приблизно на 4 год.

Досліджено вуглеводний склад кисломолочних продуктів, отриманих з використанням ферментних препаратів в-галактозидази (рис. 10, 11, 12, 13).

Аналіз результатів досліджень показує різний вуглеводний склад, що пояснюється, в першу чергу, видом і складом заквасок, а в другу - глибиною ферментативного гідролізу. Встановлено, що з використанням в-галактозидази та правильним підбором молочнокислих бактерій можна отримати кисломолочні продукти з регульованим вуглеводним складом для людей, інтолерантних до лактози, а також для діабетиків.

У п'ятому розділі наведені технології низьколактозних молочних продуктів, в основу яких покладено ферментативний гідроліз лактози за двома можливими режима-

Представлено технологічні схеми на низьколактозні продукти: питне молоко, пряжене молоко, ряжанку, варенець, йогурт, біо-йогурт та інші кисломолочні продукти, які призначені для людей, інтолерантних до лактози, а також вироби для діабетиків. Технологічні схеми відрізняються від традиційних додаванням пастеризації (t = 85 °С, ф = 15 с) перед охолоджуванням до температури ферментативного гідролізу, а також скороченням процесу пряження у виробництві пряженого молока, ряжанки та варенця з 3...4 год до 1 год та процесу ферментації у виробництві кисломолочних продуктів від 1,5 до 4 год в залежності від виду продукту. Також розраховано рецептури на виробництво молока з какао та кавою, на прохолоджувальні молочні напої, варенець та йогурт, за якими отримуємо значну економію цукру завдяки підвищенню індексу солод-кості гідролізованого молока за допомогою в-галактозидази. Перевагою запропонованих технологій низьколактозних продуктів є ще й той факт, що використання в-га-лактозидази не потребує додаткового апаратурного оформлення.

Розрахунковий економічний ефект від використання ферментних препаратів в-галактозидази у виробництві кисломолочних продуктів складає 6,724 грн на 1 тонну.

Проведено промислову апробацію розроблених технологій на Радехівському молочному заводі ЗАТ „Галичина”. Показники якості продуктів з дослідних партій відповідали вимогам розробленої нами нормативної документації.

ВИСНОВКИ

1. Аналітично та експериментально обґрунтована доцільність і технологічна