Теоретическое обоснование и экспериментальные исследования технологических аспектов бактериальной санации молочного сырья в условиях реального биоценоза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет» (ГОУ ВПО «СевКавГТУ»)

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Теоретическое обоснование и экспериментальные исследования технологических аспектов бактериальной санации молочного сырья в условиях реального биоценоза

Специальность 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов

Емельянов Сергей Александрович

Ставрополь - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет» (ГОУ ВПО «СевКавГТУ»)

Научный консультант: академик Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор Храмцов Андрей Георгиевич

Официальные оппоненты: член-корреспондент Россельхозакадемии, доктор биологических наук, профессор Молочников Валерий Викторович

доктор технических наук, профессор Полянский Константин Константинович

доктор технических наук, профессор Касьянов Геннадий Иванович

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности (ВНИМИ)

Защита состоится 23 октября 2008 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.245.05 при ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» по адресу: 355028 г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. 308 К.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СевКавГТУ.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент В. И. Шипулин.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В соответствии с приоритетным национальным проектом «Развитие АПК» задачей молочной отрасли является полное и рациональное использование ценнейшего сельскохозяйственного сырья - молока. В результате неразумного воздействия на окружающую среду в молочном сырье появляются и накапливаются посторонние вещества и бактерии, которые переходят в молочные продукты. Проблематичной является бактериальная обсемененность молока-сырья: регламентируемое в нашей стране количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) составляет от 3,0^.10⁵ до 4,0^.10⁶ КОЕ/см³. Для Европейского союза КМАФАнМ сырого молока не должно превышать 1,0^.10⁵, а рекомендуемым Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) является уровень 1,0^.10³ КОЕ/см³. Следовательно, при интеграции России с Европейским экономическим сообществом (ЕЭС) отечественные товаропроизводители оказываются в весьма трудной ситуации, т. к. реальное КМАФАнМ молока-сырья на приемке достигает 2,0^.10⁷ - 1,0^.10⁹ КОЕ/см³. Особую актуальность эта биотехнологическая проблема приобретает в преддверии вступления страны во Всемирную торговую организацию (ВТО) и существующего дефицита сырья. Безусловно, разумный путь - предотвращение загрязнения молока посторонними веществами на фермах и промышленных комплексах. Однако в условиях реального биоценоза молочная промышленность вынуждена решать проблему удаления загрязнений из молочного сырья и получаемых из него продуктов питания, кормовых средств, полуфабрикатов и медицинских препаратов. К тому же, в последние годы в Южном федеральном округе (ЮФО) обострилась ситуация с пищевыми инфекционными заболеваниями.

Вопросы улучшения микробиологических и технологических показателей молока-сырья в плане обеспечения безопасности молочного производства широкомасштабно прорабатывались С. А. Королевым, Н. С. Королевой, Н. Н. Липатовым, Л. А. Остроумовым, В. А Вагнером, А. Н. Пономаревым, Г. Д. Перфильевым, К. К. Полянским, В. Ф. Семенихиной, В. И. Ганиной, С. А. Шевелевой, Г. М. Свириденко, H. Reimerdes, G. J. Swart, E. Zakrnewski и др. исследователями.

Исторически сложилось так, что на молочных предприятиях все поступающее на переработку молоко-сырье подвергается механической очистке и охлаждению до 2 - 10 С, с целью его резервирования или хранения до переработки (от 1 до 3 суток). При этом весь бактериальный пул сохраняется и действует, особенно психрофильная микрофлора. Известны попытки решения данной проблемы, связанные с качеством сырья, на рубеже 60-х годов ХХ века: они одобрены Международной молочной федерацией (ММФ), реализованы в ряде зарубежных стран применительно к сыроделию. Однако в нашей стране, несмотря на проведенные исследования, практически не внедрены. Поэтому вполне логичным представляется поиск способов бактериальной санации молока до технологической обработки. В этом плане актуально рассмотрение споровой микрофлоры. Наиболее эффективным способом борьбы с бактериальной обсемененностью молока-сырья является тепловая обработка. Однако далеко не все режимы обеспечивают сохранение физико-химических свойств молока, особенно применительно к сыроделию. Необходим комплексный универсальный способ подготовки молока-сырья нагреванием до технологической обработки, позволяющий использовать его в дальнейшем для любых процессов молочного производства.

Проблема безопасности и рационального использования молочной сыворотки существует во всем мире и имеет заметную экологическую составляющую. Накапливающаяся в процессе производства сыра и творога молочная сыворотка, с применением бактериальной санации молочного сырья, может быть очищена, сохранена и использована для получения оригинальных кормовых антисальмонеллезных и бифидогенных продуктов.

Концептуальной направленностью исследований диссертационной работы является систематизация, оптимизация использования и разработка технологических, санитарно-гигиенических и эпидемиологических мер по улучшению микробиологических и физико-химических показателей молочного сырья с приведением его в соответствие с требованиями отечественных и зарубежных стандартов - кондиционированию. Составной частью кондиционирования выступают меры по «оздоровлению» - санации молочного сырья (уничтожение нежелательной микрофлоры с предотвращением накопления продуктов ее метаболизма) как способу подготовки молока-сырья к дальнейшей технологической переработке. Одним из первых шагов на пути бактериальной санации молока-сырья предлагается «мягкая» тепловая обработка нагреванием, которая не отражается существенно на составе и особенно биологических свойствах молока как системы, и в то же время обеспечивает заметное снижение общей бактериальной обсемененности.

Цель и задачи исследований

Целью работы является разработка альтернативных вариантов инновационных технологий тепловой обработки молочного сырья нагреванием по мягкому режиму, обеспечивающему управляемое снижение его бактериальной обсемененности с направленным воздействием на особо опасные и термостойкие спорообразующие виды микроорганизмов.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:

1. Теоретически обосновать целесообразность и возможность направленного и управляемого снижения бактериальной обсемененности молочного сырья до технологической обработки, применительно к условиям реального биоценоза.

2. Исследовать альтернативные варианты бактериальной санации молока-сырья нагреванием, с выдержкой по мягкому режиму, варьируя температурой, временем и кратностью обработки, с изучением его микробиологических, физико-химических и технологических свойств.

3. Выявить оптимальные технологические режимы бактериальной санации молока-сырья нагреванием, с проведением экспериментальных и опытных исследований, а так же промышленных испытаний и производственных выработок.

4. Провести оценку и изучить явление инактивации в молоке споровых форм организмов путем пролонгированной температурной обработки.

5. Провести экспериментальные и опытно-промышленные выработки сыра «Российский» из термически обработанного молока-сырья с исследованием выхода сыра, его технологических и органолептических свойств.

6. Обосновать технологию низкотемпературной тепловой обработки сыворотки, позволяющую добиться микробиологической очистки, стабилизации и сохранения качества сырья, с возможностью его резервирования и дальнейшего использования при получении оригинальных кормовых продуктов.

Научная новизна работы:

- Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена технология бактериальной санации молочного сырья. Проведены комплексные исследования по бактериальной санации молока-сырья нагреванием по мягкому режиму, включающие: исследование качества сырья, экспериментальные и опытные исследования, а также производственные испытания и промышленные выработки.

- Проведены экспериментальные исследования по определению сыропригодности термически обработанного молока.

- Разработан способ термической обработки низкосортного коровьего молока-сырья, включающий термизацию (или пастеризацию) молока, выдержку без охлаждения и повторную пастеризацию с целью улучшения его микробиологических и технологических свойств (повышения сортности), с увеличенным сроком хранения, для дальнейшего резервирования или использования в технологических процессах. При этом КМАФАнМ молока-сырья снижается до требований ЕЭС и ВТО.

- Проведены исследования по возможности инактивации в молоке споровых форм организмов (модельный вид - Bacillus cereus) путем пролонгированной температурной обработки в реакции иммунофлуоресценции, позволяющие при воздействии предварительной тепловой обработки вдвое сократить принятое в литературе (10 - 12 часов) время перехода споровых форм Bacillus cereus в вегетативные.

- Проведены экспериментальные исследования и промышленные выработки сыра «Российский» из молока-сырья, предварительно обработанного по ТУ 9811-038-02067965-2005 «Молоко коровье сырье - термически обработанное», позволившая, при сохранении всех физико-химических и органолептических свойств сыра, увеличить его выход на 11 %.

- Разработан способ резервирования молочной сыворотки (до 48 часов) с понижением бактериального загрязнения, исключающий потерю первоначальных свойств и заключающийся в её низкотемпературной тепловой обработке (термизации), с последующей выдержкой и охлаждением до температуры 4±2 °С.

- Разработана технология нового кормового антисальмонеллезного концентрата из молочной сыворотки с внесением измельченной яичной скорлупы, бишофита и лактулозы.

- Дана оценка санитарно-эпидемиологических, ветеринарно-санитарных и технико-экономических показателей тепловой бактериальной санации молочного сырья.

Практическая значимость работы

Полученные в работе научные результаты явились базой для разработки новых технологий, авторских свидетельств и патентов, подготовки и утверждения технической документации на способ термической обработки коровьего молока-сырья, которые прошли промышленную апробацию и внедрены в производство.

На основании проведенных исследований и их апробации разработаны и утверждены ТУ 9811-038-02067965-2005 «Молоко коровье-сырье термически обработанное», получены приоритеты на патенты: «Способ термической обработки коровьего молока-сырья», «Способ производства концентрата молочной сыворотки» с яичной скорлупой» и «Способ кормления поросят», включающий введение в рацион бифидогенной добавки - лактулозы с природным бишофитом.

Предложенные технологии апробировались и внедрены на следующих молочных предприятиях Ставропольского и Краснодарского краев: ОАО «Трест «Южный Сахар»; ЗАО «Сахаро-сыродельный комбинат “Ленинградский”»; ОАО Молочный комбинат «Ставропольский»; ОАО «Маслосыродельный завод “Александровский” и других предприятиях Российской Федерации.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в лекционном и лабораторном курсах, дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров и аспирантов СевКавГТУ.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены, обсуждены, опубликованы и получили одобрение на 16 симпозиумах, конгрессах, конференциях, семинарах и совещаниях Российского и международного уровней.

Публикации. Результаты исследований изложены в более чем 50 научных работах. Основное содержание диссертации отражено в 42 публикациях, в том числе 13 статей опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, а также в двух монографиях и учебном пособии, общим объемом 40 печатных листов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из восьми глав, в том числе введения, аналитического обзора, методической части, результатов собственных исследований, выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Основной текст работы изложен на 313 страницах, содержит 54 таблицы и 47 рисунков. Список литературы насчитывает 327 наименований, в том числе 40 иностранных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование технологии бактериальной санации молочного сырья.

2. Результаты физико-химических, микробиологических, биохимических, реологических, электронно-микроскопических, биологических исследований бактериальной санации молока-сырья нагреванием, включающие: исследование качества сырья, экспериментальные и опытные исследования, а так же производственные испытания и промышленные выработки.

3. Изучение возможности инактивации в молоке споровых форм микроорганизмов путем пролонгированной температурной обработки.

4. Разработка сыропригодной технологии продуктов на основе бактериальной санации молока-сырья нагреванием (на примере сыра «Российский»).

5. Разработка технологии низкотемпературной тепловой обработки сыворотки, позволяющей добиться микробиологической очистки, стабилизации и сохранения качества сырья, с возможностью его резервирования и дальнейшего использования при получении инновационных кормовых продуктов: антисальмонеллезного концентрата из молочной сыворотки с яичной скорлупой и бифидогенной добавки в сочетании лактулозы с природным бишофитом.

6. Оценка санитарно-эпидемиологических, ветеринарно-санитарных и технико-экономических показателей бактериальной санации молочного сырья нагреванием.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определена научная новизна, сформулированы цель исследований и основные положения, выносимые на защиту.

1. Системный анализ состояния проблемы и задачи исследования

Проведен системный анализ, включающий в себя подробное и последовательное рассмотрение вопроса, начиная с мониторинга общей эпидемической обстановки в ЮФО, включая зоонозные заболевания (бруцеллез, лептоспироз, ККГЛ и др.), формирование научно-методических предпосылок, проведение противоэпидемических мероприятий, с последующим вычленением объекта исследования: молока-сырья и продуктов его переработки с выходом на молочное сырье. Рассмотрены общие критерии качества и безопасности молока-сырья: действующие нормативные документы и стандарты ЕЭС, пороки заготовляемого молока и меры их предупреждения, а также специфические требования к молоку-сырью в сыроделии. Уделено внимание анализу рисков по системе HASSP; рассмотрено строение и размножение бактериальной клетки, фазы развития микрофлоры, спорообразование, а также болезни, передающиеся через молоко, молочные продукты, пути заражения инфекционными заболеваниями и меры их предупреждения. Из представленного в обзоре материала следует, что общие требования к молоку-сырью для всех видов молочных продуктов, которые определены Российскими стандартами, предъявляют более жесткие требования к заготовляемому молоку, но и они далеки от требований ЕЭС и ВТО, особенно по микробиологическим показателям. На качество и безопасность сырья большое влияние оказывает сапрофитная микрофлора, которая при определенных условиях может вызвать различные пороки молока, причем количество спор лактатсбраживающих маслянокислых микроорганизмов является одним из определяющих факторов сыропригодности. Для подавления споровой микрофлоры используют биологические и химические средства ингибирования, однако они не универсальны или заметно изменяют первоначальные ценные свойства сырья. Большое значение при передаче через молоко патогенных микроорганизмов, а также пищевых отравлений, связанных с выработкой возбудителями токсичных продуктов метаболизма, играют температурные режимы обработки и хранения сырья. Требования к молоку-сырью, в том числе по режимам тепловой обработки, изложенные в ГОСТ Р 52054-2003, СанПиН 2.3.2. 1078-01 и других документах не могут обеспечить одинаково гарантированную микробиологическую безопасность и качество всех молочных продуктов и должны быть дифференцированы. На основании анализа состояния проблемы определены научно-технические предпосылки и направления ее решения, сформулированы задачи собственных исследований.

2. Методология выполнения работы

Организация работы и схема проведения исследований

Научно-методические предпосылки работы формировались в Ставропольском государственном университете (СГУ) в 1994 - 1999 гг. Теоретические и экспериментальные исследования по проблеме выполнены в соответствии с поставленными задачами в ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» (СевКавГТУ) в 2002 - 2008 гг. Часть исследований проводили в ФГУЗ Ставропольском научно-исследовательском противочумном институте (ФГУЗ СтавНИПЧИ Роспотребнадзора, г. Ставрополь), входящем в структуру центра ВОЗ; в сотрудничестве с ГНУ Всероссийским научно-исследовательским институтом молочной промышленности (ГНУ ВНИМИ, г. Москва) и ФГУП НИИ комплексного использования молочного сырья (ФГУП НИИКИМ, г. Ставрополь). инактивация микробиологический сыворотка очистка

Схема проведения исследований приведена на рисунке 1.

Отработка технологических параметров, производственные испытания, организация производства термически обработанного молока, сыра Российский и других продуктов проводились на ОАО «Трест “Южный Сахар”»: ЗАО «Сахаро-сыродельный комбинат “Ленинградский”» (ЗАО «Ленинградский ССК») ст. Ленинградская Краснодарского края; ОАО Молочный комбинат «Ставропольский» (МКС); ОАО «Маслосыродельный завод “Александровский”» (с. Александровское Ставропольского края) и других предприятиях Российской Федерации. Таким образом, исследования проводились на территории Южного федерального округа на примере Ставропольского и Краснодарского краев.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Схема проведения исследований

Объектами исследований являлись: молоко коровье цельное и обезжиренное, подсырная и творожная сыворотки, полученные при производстве сыра и творога, сырная масса, сыр «Российский». В ходе выполнения работы были исследованы исходное молоко-сырье, некондиционное молоко, термически обработанное молоко, сыр Российский, молочная сыворотка, получаемые по традиционным и разработанными нами технологиям.

Основные методы и методики исследований. В работе в процессе реализации задач эксперимента и определения характеристик объектов исследования использовали общепринятые ГОСТы, стандартные, стандартизированные, а также модифицированные, усовершенствованные и оригинальные методики физико-химического и микробиологического анализов (37 наименований), удовлетворяющие целям исследований. При возможности выбора предпочтение отдавалось инструментальным и автоматизированным методам исследований. Для определения физико-химических, микробиологических и органолептических показателей сырья и готовых продуктов применяли общепринятые и стандартные методы анализа, методы математического моделирования и обработки экспериментальных данных.

3. Теоретическое обоснование технологии бактериальной санации молочного сырья

Участие в широкомасштабных исследованиях глобального характера по влиянию реального биоценоза окружающей среды на природно-очаговые инфекции позволило сформулировать научно-методические предпосылки по бактериальной санации молочного сырья до технологической обработки.

Сравнительный анализ эффективности различных методов обработки молока-сырья (мембранные методы - микрофильтрация, сорбция-десорбция; бактофугирование, дезактивация молока ионообменными смолами, денитрификации биосинтезом, охлаждение молока в проточном теплообменнике; применнение растворов пероксида водорода и ионов серебра; различные виды волновых излучений) с целью улучшения его физико-химических, микробиологических и биотехнологических свойств показывает, что они оказывают не общее, а селективное положительное влияние на те или иные загрязнения, а также влекут за собой повышение затрат на переработку молока. При бактофугировании снижается количество белка, и, как следствие, выход сыра, а также важное значение играет температура процесса очистки. Кроме того, эти методы не решают главной цели, которая заключается в повышении качества свежевыдоенного молока-сырья и должна обеспечиваться товаропроизводителями.

Наиболее эффективным способом борьбы с бактериальной обсемененностью молока-сырья является управляемая тепловая обработка, однако далеко не все режимы обеспечивают сохранение физико-химических свойств молока, особенно применительно к сыроделию. Тепловая обработка, с одной стороны, резко уменьшает в молоке количество посторонней микрофлоры, создавая тем самым условия для направленного регулирования микробиологических процессов; с другой стороны, с повышением температуры сильно изменяется первоначальный состав и свойства сырья: снижается содержание растворимых кальциевых солей, происходит денатурация сывороточных белков, увеличивается средний диаметр казеиновых частиц и стабильность белков к воздействию этанола, повышается содержание белковых компонентов с наибольшей молекулярной массой, уменьшается содержание нуклеиновых кислот, постепенно снижается концентрация ионизированного кальция и величина рН. Имеющиеся аналоги производства молока с продленными сроками хранения, использующие двойную тепловую обработку сырья, энергоемки, требуют дополнительного оборудования, сильно изменяют первоначальные свойства молока-сырья и достаточно дороги.

Одним из известных способов бактериальной санации молока-сырья является мягкая тепловая обработка нагреванием (термизация), которая не отражается существенно на составе и особенно биологических свойствах молока как системы, и в то же время обеспечивает заметное снижение общей бактериальной обсемененности. Термизация улучшает физико-химические свойства молока, происшедшие при его хранении в охлажденном состоянии. Изменения, вызванные в белковой системе молока и солевом равновесии, являются обратимым процессом и восстанавливаются при термизации. H. Reimerdes рекомендовал для компенсации потерь казеина выдерживать молоко 20 - 30 мин. при 60 - 65 С. Тепловая обработка молока при 65 С в течение 10 с и последующее его хранение при 7 С позволяет сохранить первоначальные технологические свойства молока до трех суток. Д. Когилл, И. Мутцельберг, С. Берчь установили, что термизация в значительной степени снижает общее количество бактерий и количество психротрофных бактерий, увеличивает срок хранения молока до четырех дней при 4 С без последующего роста бактерий. Термизация не вызывает денатурацию сывороточных белков, не изменяет состав казеинового комплекса и стабилизирует рН в процессе хранения молока. За рубежом при продолжительном хранении молока на фермах применяют термизацию при 65 С с выдержкой 15 - 25 с и последующим охлаждением до температуры не выше 10 С. Перед переработкой молоко повторно подвергают кратковременной пастеризации. Термизация в значительной степени (на 85 %) подавляет развитие психротрофных бактерий и позволяет хранить молоко при температуре 5 С до 3 суток. Липазы молока разрушаются частично. Основную микрофлору термизованного молока после хранения при 6 - 11 С в течение 18 - 42 час. составляют психротрофные бактерии и БГКП. Закваска, добавленная в количестве 0,2 %, тормозит их развитие.

В последние годы на сыродельных заводах применяется двукратная тепловая обработка молока: вначале молоко подвергается термизации, хранится от одного до трех суток при низких температурах, затем пастеризуется при обычных режимах, принятых в сыроделии. Такая обработка не оказывает отрицательного влияния на физико-химические и технологические свойства и микрофлору молока, улучшает его санитарно-гигиенические показатели и позволяет сохранить сыропригодность молока до трех суток. Н. Р. Карликановой сделан вывод о том, что процесс пастеризации при общепринятых температурных режимах (в том числе и 63 С с выдержкой 30 мин., и 72 С с выдержкой 15 с) позволяет обычно полностью уничтожить микроорганизмы рода Listeria в молоке, если их численность не превышает 1^.10⁵ КОЕ/см³. Причем применение режимов двойной тепловой обработки молока значительно повышает эффективность термического воздействия даже при значительных дозах контаминантов. E. Zakrnewski отмечает, что термизация способствует переходу отдельных видов спор Bacillus cereus в вегетативную форму, которые затем погибают в процессе пастеризации.

Необходимо учитывать, что КМАФАнМ сырого молока для сыроделия по стандартам ММФ не должно превышать 1,0^.10⁵ КОЕ/см³, а по отечественным - 1,0^.10⁶ КОЕ/см³. В. А. Вагнер разрабатывал способы подготовки молока для производства сыров с высокой температурой второго нагревания. Наиболее высокий эффект пастеризации получен при температурах 75 - 78 С. Установлено, что, термизация молока при 65 С, уничтожая около 90 % микрофлоры сырого молока, не приводит к значительным изменениям сычужной свертываемости молока. При созревании термизованного молока, несмотря на применяемую при данном способе пастеризацию молока при 72 С, удалось практически сохранить большинство его первоначальных свойств (сычужная свертываемость, синеретическая способность сгустка, массовая доля сухого вещества в сыворотке). Одновременно это молоко содержало меньшее количество бактерий по сравнению с другими вариантами. При производстве сыров Г. Д. Перфильев также использовал двойную тепловую обработку молока (термизацию при 65 - 67 С в течение 5 - 10 с и пастеризацию при 72 С в течение 15 - 25 с) и тепловую обработку молока при 78 - 80 С с выдержкой в течение 20 - 25 с, с созреванием молока со специальной закваской. Специальными исследованиями А. Н. Пономарева с соавторами предлагается способ производства пастеризованного молока, включающий нормализацию молока, бактофугирование, гомогенизацию, пастеризацию, охлаждение, дополнительную пастеризацию с повторным охлаждением и разлив молока, отличающийся тем, что дополнительную пастеризацию проводят при температуре 90 - 95 °С с выдержкой 5 - 10 с. Предложенная им двойная тепловая обработка (двойная пастеризация с промежуточным охлаждением) требуется в особых условиях и не противоречит термизации.

Логичным представляется рассмотрение явления направленного и управляемого запуска метаболизма жизнедеятельности споровых форм микроорганизмов с последующей бактериальной санацией вегетативных клеток любым известным способом, в том числе нагреванием (термизацией), которое рассмотрено в главе 5.

В результате анализа имеющейся информации, нами предложено проводить предварительную тепловую обработку молока-сырья при производстве всех молочных продуктов до переработки, в том числе охлаждения и хранения в зависимости от начальной бактериальной обсемененности. Дальнейшая пастеризация молока позволит получить более чистое в микробиологическом плане сырье и т. о. стабилизировать и обеспечить качество вырабатываемой молочной продукции.

4. Исследование бактериальной санации молока-сырья нагреванием по мягкому режиму

Результаты исследований качества молока-сырья показывают, что качественные показатели молока изменяются сезонно. Максимальная массовая доля сухих веществ, жира наблюдается в осенне-зимний период, а белка - в летний и осенний. Сравнительный анализ изменения массовой доли жирности молока цельного, закупаемого молочными заводами Ставропольского и Краснодарского краев, выявил устойчивую тенденцию к ежегодному снижению массовой доли жира в молоке. Имеются также данные, показывающие непостоянство соотношения между общим количеством бактерий в сыром молоке и количеством термостойких. Так, сырое молоко, полученное весной, содержит КМАФАнМ 8,9·10⁵ и термостойких 2,7·10² КОЕ/см³ (0,03 %), в то же время, полученное осенью - соответственно 1,36·10⁵ и 1,44·10⁴ КОЕ/см³ (10,6 %). Таким образом, состав и свойства основных компонентов молока подвержены значительным изменениям, что может существенно влиять на качество вырабатываемых на его основе молочных продуктов. Также установлен тот факт, что 75 % сырья поступает на завод от фермеров-частников и лишь 25 % - от коллективных хозяйств. Реальное КМАФАнМ молока-сырья на приемке достигает 2,0^.10⁷ - 1,0^.10⁹ КОЕ/см³, а учитывая сложившуюся эпидемическую обстановку в ЮФО, в том числе по заболеваниям, передающимся алиментарным путем, проблема качества закупаемого молока является острой и нуждается в серьезной дальнейшей проработке.

Экспериментальные исследования бактериальной санации молока-сырья. Бактериологические эксперименты, проведенные на базе СтавНИПЧИ (табл. 1), с применением методик титрования и высева молока на плотные питательные среды из различных разведений (10^-1 - 10^-4) дали следующие результаты: в сыром необработанном молоке микрофлора представлена спорообразующими грам⁺ палочками, грам- палочками, энтерококками, микрококками.

Таблица 1 - Концентрация микробов (КМАФАнМ, КОЕ/см³) в молоке при различных режимах тепловой обработки

Грам- палочки росли на среде Эндо как красные колонии, т.е. расщепляющие лактозу. На среде Клиглера расщепляли глюкозу и лактозу до кислоты и газа, т. е. были типичными E.сoli. Другие грам- палочки на среде Эндо были слабо розовые, т. е. вели себя как лактозонегативные E.coli (на среде Клиглера они разлагают только глюкозу). Отдельные колонии, выросшие на среде Эндо, вели себя на среде Клиглера как сальмонеллы, т. е. разлагали глюкозу и давали сероводород (H₂S). Однако эти культуры не давали агглютинацию с сальмонеллезными сыворотками (по поливалентным сывороткам АВСДЕ и редких групп). Молоко, прогретое при 62, 65, 75 и 85 °С, содержит только грам⁺ спорообразующие палочки, растущие на кровяном агаре и среде Сабуро.

В прогретом молоке независимо от температуры проведения обнаруживаются только спорообразующие грам⁺ палочки во всех опытах, кроме тех, где была проведена краткая низкотемпературная обработка (62 °С, 20 с) - там наблюдался стабильный рост микроорганизмов, из которых преобладали E.coli.

Проведенными в СевКавГТУ исследованиями установлено влияние выдержки термизированного молока на его кислотность (рис. 2).

Рисунок 2 - Влияние бакобсемененности (КМАФАнМ) сырого молока на его кислотность после термизации (65 ⁰С, 30 мин.) и хранения (при 4±2 °С): 1 - молоко с содержанием 1,2^.10⁶ КОЕ/см³; 2 - молоко с содержанием 5,0^.10⁵ КОЕ/см³

С увеличением бактериальной обсемененности сырого молока его кислотность после термизации растет быстрее. Допустимый предел кислотности (19 ⁰Т) достигается при термизации несортового молока на вторые сутки, а сортового - на третьи. Проведенные исследования (рис. 2) показали, что при работе с несортовым молоком обычный режим термизации (65 °С, 30 мин.) не дает желательного эффекта. Поэтому целью дальнейших исследований был поиск альтернативных способов тепловой обработки несортового молока с сохранением его технологических и улучшением микробиологических свойств.

Опытно-производственные исследования термической санации молока-сырья на базе ОАО МК «Ставропольский»

Опытно-производственные исследования термической санации молока-сырья проводились на базе МК «Ставропольский». Молоко подвергалось термической обработке при 62 °С, 20 с (на установке «Колдинг»), затем часть его охлаждалась до 6±2 °С и выдерживалась в производственной емкости; другая часть молока хранилась без охлаждения (рис. 3). Динамика микробиологических процессов отслеживалась в течение 6 часов. Затем молоко из обеих емкостей подверглось пастеризации при 75 °С, 15 с (на установке «ОКЛ-25»). Производственный эксперимент проводился 3 раза. Кислотность молока-сырья составляла 18 °Т, КМАФАнМ 2,5^.10⁷ КОЕ/см³, плотность 1027 кг/м³.

При первичной низкотемпературной обработке сырого молока (в режиме 62 °С, 20 с) количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) снижается на два порядка (с 2,5^.10⁷ до 3,5^.10⁵ КОЕ/см³). В дальнейшем, при охлаждении (до 6±2 °С) и хранении этого молока в резервуаре в течение 6 часов, достоверного роста бактерий не отмечается (рис. 3). Одновременно наблюдается тенденция к снижению бактериальной обсемененности к 3 - 4 часу хранения. При повторной пастеризации молока (в режиме 75 °С, 15 с) КМАФАнМ снижается еще на один порядок (до 3,3^.10⁴ КОЕ/см³). Количество бактерий группы кишечной палочки (БГКП) при первой температурной обработке снижается на четыре порядка (с 10⁶ до 10² клеток в 1 см³ соответственно). При хранении в охлажденном молоке (6±2 °С) их количество в течение 6 часов относительно постоянно (10²). При повторной пастеризации (75 °С, 15 с) БГКП не обнаруживаются (в 10 см³).

Рисунок 3 - Динамика изменения КМАФАнМ молока при различных режимах тепловой обработки

В случае хранения молока после первой низкотемпературной обработки (62 °С, 20 с) без охлаждения (рис. 3), в резервуаре с термоизоляцией температура понижается незначительно. Снижение температуры зависит от ряда факторов: объема резервуара, полноты его заполнения, толщины теплоизолирующего слоя, температуры окружающей среды (соответственно - от сезона года) и т. д. Однако экспериментальные данные показали, что даже в зимний сезон, при полном заполнении 20-тонного танка, теплопотери составляют не более 2 °С в час. А это в полне допустимые пределы (с 62 до 50 °С) для хранения в течение 6 часов. При больших теплопотерях возможно применение резервуаров не с термоизоляцией, а с терморубашкой для нагревания молока паром, однако это ведет к дополнительным затратам энергии. Применение же в этом процессе резервуара с термоизоляцией и без охлаждения молока позволяет значительно снизить энергозатраты, при явном экономическом эффекте и снижении бактериальной обсемененности. Выявлено, что при хранении молока в резервуаре с термоизоляцией уже через 1 - 2 часа (в зависимости от начальной бактериальной обсемененности) гибнут бактерии группы кишечной палочки (БГКП). Их количество снижается на 1 порядок за час. К третьему часу во всех опытах БГКП не обнаруживаются (в 10 см³). Кроме того, в течение первых четырех часов наблюдается достоверное снижение КМАФАнМ (с 3,5^.10⁵ до 2,5^.10⁴ КОЕ/см³), причем их дальнейшего роста на 5 - 6 час не наблюдается. Повторная пастеризация (75 °С, 15 с), проведенная после 6 часов выдержки молока в резервуаре с термоизоляцией (при 62 - 50 °С) снижает КМАФАнМ еще на порядок (до 2,2^.10³ КОЕ/см³). Изменяя в последующих производственных экспериментах температуру первичной и вторичной обработки молока, время выдержки и хранения нами было выявлено, что минимальная величина КМАФАнМ молока в 2,2^.10³ КОЕ/см³ является предельной.

Необходимо учитывать, что при осуществлении данных процессов на производстве, нужно тщательно промывать систему и дезинфицировать емкости. Иначе, при прохождении по трубам и попадании в резервуары молоко вторично загрязняется, что ведет к повышению бактериальной обсемененности как минимум на один порядок, а споры снижают хранимоспособность продукта.

Таким образом, в результате проведенных исследований было выявлено, что оптимальным режимом бактериальной санации молока-сырья с получением продукта повышенной хранимоспособности является: тепловая обработка молока 62±2 °С, 20 с; затем - хранение в течение 4 - 6 часов (при температуре 62 - 50 °С) и вторичная пастеризация при 72 - 76 °С, 15 с.

При этом достигаются следующие эффекты:

1. КМАФАнМ молока снижается до 2,0^.10³ КОЕ/см³.

2. Споровые микроорганизмы (в т. ч. возможно - патогенные) после первой температурной обработки и выдержки через 4 - 6 часов могут провоцироваться к раскрытию и вегетативному росту, а затем - уничтожаться второй пастеризацией.

3. Вследствие уничтожения большинства микроорганизмов, достигается максимальный срок хранения молока - до трех суток (при температуре 6±2 °С).

4. БГКП гибнут при выдержке 62 - 58 °С через 1,5 часа.

5. В результате перевода несортового молока в сортовое, исключения из технологического процесса бактофугирования и отсутствия энергетических затрат на охлаждение молока после первой температурной обработки, достигается значительный экономический эффект и эпидемическая безопасность продукта.

6. Полученное молоко, повышенной хранимоспособности, полностью, согласно литературным данным, сохраняет ценную казеиновую фракцию (в связи с отсутствием бактофугирования), нативную структуру белков (с применением низких температур для обработки); при этом кислотность молока повышается весьма незначительно (рис. 2).

Данные производственные эксперименты получены в осенне-зимний сезон для сборного молока Ставропольского края. Однако дальнейшие производственные исследования в весенне-летний сезон в Краснодарском крае внесли свои коррективы в производственные режимы тепловой обработки молока. Основной причиной явилось общее развитие микрофлоры, в т. ч. термофильной. Причинами являлись: смена сезона года и местности, изменение питания коров (силосом и сахарной свеклой) и другие факторы.

Кроме этого выяснилось, что снижение КМАФАнМ молока на один порядок, через два часа, при выдержке в резервуаре с термоизоляцией без охлаждения, происходит только пристеночно. В целом же КМАФАнМ изменяется не так резко, при включении мешалки в резервуаре.

Производственные испытания по бактериальной санации молока-сырья на предприятиях ОАО «Трест “Южный сахар”» на базе ЗАО «Сахаро-сыродельный комбинат “Ленинградский”» Краснодарского края

На первом этапе производственного испытания нашей целью являлось выяснение динамики микробиологических и физико-химических показателей молока-сырья (пять серий экспериментов с трехкратной повторностью), подвергшегося разным режимам термической обработки. Второй этап испытаний включал в себя выработку производственных режимов термической обработки молока-сырья. Кислотность молока-сырья составляла 16 - 17 °Т, КМАФАнМ 2,5^.10⁷ - 3,1^.10⁸ КОЕ/см³, плотность 1027 кг/м³.

Для сравнения нами было выбрано несколько режимов: контрольный режим обработки молока, включающий двойную пастеризацию не выше 72 - 74 °С, с промежуточным охлаждением (до 6 часов), обычно применяемым в сыроделии для подготовки сырья к дальнейшей технологической обработке, с целью улучшения его микробиологических показателей, непосредственно влияющих на качество готовой продукции. Экспериментальные режимы включали в себя двойную тепловую обработку (термизацию или пастеризацию) без промежуточного охлаждения. Производственный эксперимент проводился 3 раза.

Данные контрольного режима показывают, что при начальном КМАФАнМ в молоке-сырье n^.10⁷ КОЕ/см³, снизить его уровень можно только до пределов n^.10⁴ КОЕ/см³.

Первый эксперимент включал в себя термизацию при 65 °С (20 с), затем - выдержку в емкости с термоизоляцией без охлаждения в течение 6 часов и пастеризацию при 72 °С (10 с). В ходе эксперимента отмечено снижение количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) с 4,8^.10⁷ до 3,0^.10³ КОЕ/см³; соматических клеток - с 6,8^.10⁵ до <9,0^.10⁴ в 1 см³; масляно-кислых бактерий - с 2,5 до 0 клеток в 1 см³. Содержание белка, массовая доля жира и плотность изменялась не значительно. Однако недостатком этого режима явилось резкое повышение кислотности и термоустойчивости микроорганизмов, начиная с 4-го часа выдержки, за счет термофильной стрептококковой микрофлоры (к 4-му часу кислотность составляла 15,5 °Т, а к 5-му - 17,5 °Т). Данные микроскопирования посевов показали, что к 3-му часу развитие микрофлоры в молоке минимально, к 4-му часу появляются отдельные цепочки термофильных стрептококковых микроорганизмов, а к 4,5 часам эти микроорганизмы начали развиваться быстрыми темпами, что и вызвало резкое повышение кислотности. Споровые микроорганизмы после 2-й термической обработки не обнаружены. По результатам данного эксперимента был сделан вывод о том, что при первичной обработке молока-сырья (65 °С) выдержка не должна превышать 3 - 3,5 часов, при этом исключается повышение кислотности и культивация термофильной микрофлоры. На основе данного эксперимента был разработан 1-й производственный режим, который мы приводим ниже.

Второй эксперимент (1-й производственный режим) термической обработки молока (рис. 4) включает в себя термизацию молока-сырья при 65 °С (20 с); выдержку в емкости с термоизоляцией без охлаждения в течение 3 часов и пастеризацию при 72 °С (10 с). Отмечено снижение КМАФАнМ с 2,5^.10⁷ до 4,2^.10³ КОЕ/см³; соматических клеток - с 5,7^.10⁵ до <9,0^.10⁴ в 1 см³; маслянокислых бактерий - с 2,5 до 0,6 клеток в 1 см³. При этом кислотность и количество термостойких микроорганизмов не изменяется. Бактерии группы кишечной палочки не обнаруживались (в 10 см³) после 1-й же термической обработки.

Рисунок 4 - Микробиологические показатели и кислотность молока 2-го эксперимента (1-й производственный режим)

По результатам экспериментов № 1 и 2 был сделан вывод о том, что первичная температурная обработка молока-сырья при 65 °С (при обсеменении термофильной микрофлорой) не позволяет выдерживать молоко без охлаждения более 3-х часов, т. к. к этому времени температура в емкости снизится до 56 °С, а это порог, после которого термофильная стрептококковая микрофлора даст резкий скачок роста. По данным Bruce Hill (2007) такие термофильные микроорганизмы, как Geobacillus spp. и Bacillus flavothermus начинают прорастать при 55 ⁰С через 48 часов. Оптимум развития термофильного молочнокислого стрептококка составляет 40 - 45 ⁰С, однако С. А. Королев (1974) указывает, что группа термофилов, встречающихся в молоке и представленная, главным образом, молочнокислыми бактериями, имеет предельные температуры развития от 25 до 60 ⁰С. В связи с этим было принято решение поднять температуру первичной обработки молока до 72 °С.

Третий эксперимент: его целью было выяснение временного и температурного порога, не позволяющего развиваться термофильной микрофлоре в производственных ёмкостях с выдержкой молока без охлаждения. Первичная обработка молока проходила при 72 °С (10 с), затем - выдержка без охлаждения в течение 6 часов и вторая пастеризация при 72 °С (10 с). Результаты эксперимента показали, что кислотность начинает незначительно нарастать после 5 часа, а количество термостойких микроорганизмов не изменяется. Однако общее количество бактерий к 5-му часу немного растет. Эту тенденцию прояснили данные микроскопирования, показавшие, что к 4-му часу развитие микрофлоры минимально, а к 5-му часу происходит нарастание термофильной стрептококковой микрофлоры. КМАФАнМ снижается с 4,7^.10⁷ до 5,0^.10² КОЕ/см³; соматические клетки - с 5,3^.10⁵ до <9,0^.10⁴ в 1 см³; маслянокислые бактерии - с 2,5 до 0,6 клеток в 1 см³.

Рисунок 5 - Микробиологические показатели и кислотность молока 4-го эксперимента (2-й производственный режим)

Четвертый эксперимент (2-й производственный режим) температурной обработки молока-сырья (рис. 5) был разработан по результатам 3-го эксперимента. Режим включал в себя первичную температурную обработку молока при 72 °С (10 с), выдержку в течение 4-х часов в емкости с термоизоляцией без охлаждения и вторичную пастеризацию при 72 °С (10 с). При этом рост кислотности и термоустойчивости не наблюдается, КМАФАнМ снижается с 3,1^.10⁸ до 1,0^.10³ уже к 3-му часу, а после 2-й термической обработки составляет 3,0^.10² КОЕ/см³. Соматические клети снижаются с 5,8^.10⁵ до <9,0^.10⁴ в 1 см³, а маслянокислые бактерии - с 25,0 до 2,5 клеток в 1 см³.

По результатам экспериментов (рис. 4, 5) было разработано 2 производственных сыропригодных режима термической обработки молока-сырья:

1-й режим: первичная температурная обработка при 65 °С (20 с), выдержка без охлаждения в ёмкости с термоизоляцией в течение 3-х часов и вторично - пастеризация при 72 °С (10 с).

2-й режим: первая пастеризация при 72 °С (10 с), выдержка без охлаждения в ёмкости с термоизоляцией в течение 4-х часов и вторичная пастеризация при 72 °С (10 с).

Пределом количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) для 1 режима является n^.10⁷ КОЕ/см³ (n - любое значение в пределах от 1 до 9), при этом достигается концентрация КМАФАнМ до допустимых норм СанПиН не более 5,0^.10⁵ КОЕ/см³; для 2-го режима - n^.10⁸ КОЕ/г, при этом КМАФАнМ снижается до n^.10² КОЕ/см³, что не превышает стандарт Европейского Союза (1,0^.10³ КОЕ/см³).

На основании проведённых нами экспериментов был установлен предел кислотности молока-сырья при использовании 2-х режимов двойной тепловой обработки (таб. 2).

Таблица 2 - Динамика изменения кислотности молока при разных режимах тепловой обработки

Пределом кислотности молока-сырья в использовании этих технологий можно считать 19 °Т для 1-го режима и 20 °Т - для 2-го режима, т. к. в среднем, повышение кислотности при 1-м режиме составляет 1 °Т, а во 2-м режиме оно незначительно.

Динамика снижения бактериальной обсеменённости при различных режимах температурной обработки и времени выдержки такова:

1-й режим: при первой температурной обработке 65 °С (20 с) КМАФАнМ снижается на два порядка, выдержка в течение трех часов снижает КМАФАнМ ещё на один порядок и вторичная пастеризация при 72 °С (10 с) - ещё на порядок; всего - четыре порядка (n^.10⁷ > n^.10⁵ > n^.10⁴ > n^.10³ КОЕ/см³).

2-й режим: первая пастеризация 72 °С (10 с) снижает КМАФАнМ на три порядка, выдержка в течение трех-четырех часов снижает КМАФАнМ ещё на два порядка и вторичная пастеризация при 72 °С (10 с) - ещё на порядок; всего - на шесть порядков (n^.10⁸ > n^.10⁵ > n^.10³ > n^.10² КОЕ/см³).

Первый технологический режим тепловой обработки является более мягким, минимально затрагивая физико-химическую структуру молока, и хорошо применим в холодный сезон года. Однако его недостатками являются снижение порога требований к кислотности и первичной бактериальной обсемененности молока-сырья. Также не желательно его использование в осенний и весенний сезон, с изменениями в составе микрофлоры молока (появление большого количества термофильной микрофлоры).

Второй технологический режим тепловой обработки наиболее универсален, применим в любой сезон и соответствует требованиям к качеству молока-сырья по стандартам ЕЭС, однако является более жестким. Комбинированное применение обоих режимов, в зависимости от вышеперечисленных факторов, может дать хорошие производственные результаты повышения качества молока-сырья для сыроделия. Оба режима позволяют полностью уничтожить бактерии группы кишечной палочки, значительно снизить концентрацию масляно-кислых бактерий и споровых форм микроорганизмов.