Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 12
1.1 Биотехнологические и микробиологические аспекты брожения в производстве ржаных видов хлеба 12
1.2 Теоретические основы выживаемости микроорганизмов при действии низких температур 21
1.3 Способы стабилизации криозащитных свойств бродильной микрофлоры заквасок 31
1.4 Генопротекторные свойства микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности 43
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 58
2.1 Объекты и материалы исследований 58
2.2 Схема экспериментальных исследований 62
2.3 Методы исследований 64
2.4 Математическое планирование и статистическая
обработка результатов эксперимента 77
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ И ДРОЖЖЕЙ В ПЮЦЕССАХ БРОЖЕНИЯ И СОЗРЕВАНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ НА ОСНОВЕ КРИОТЕХНОЛОГИИ 78
3.1 Исследование качественного и количественного состава микробоценоза молочнокислых бактерий и дрожжей исходных полуфабрикатов
3.2 Влияние процесса замораживания на жизнеспособность клеток дрожжей 84
3.3 Влияние отрицательных температур на активность клеток молочнокислых бактерий 92
3.4 Подбор криостабильных штаммов молочнокислых бактерий 96
ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ГЕНОПРОТЕКТОРНЫХ СВОЙСТВ МЕТАБОЛИТОВ КРИОРЕЗИСТЕНТНОГО ШТАММА МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ Lactobacillus casei TMB-D 107
4.1 Оценка генопротекторных свойств продуктов жизнедеятельности молочнокислых бактерий в ДНК-повреждающем тесте I ] 0
4.2 Изучение антибиотикоустойчивости клеток Е. coli после обработки культуральной жидкостью Lactobacillus casei TMB-D 117
4.3 Оценка антимутагенной активности культуральной жидкости Lactobacillus casei TMB-D в тесте Эймса 120
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА КРИОТЕХНОЛОГИИ РЖАНО-ПШЕНИЧНОГО ХЛЕБА
5.1 Разработка параметров процесса приготовления хлеба на основе замороженных полуфабрикатов 123
5.2 Влияние рецептурных компонентов полуфабрикатов на качество ржано-пшеничного хлеба 131
5.3 Совместного использование сухой закваски молочнокислых бактерий и сухого молока в криотехнологии ржано-пшеничного хлеба 142
5.4 Технология приготовления ржано-пшеничного хлеба на основе криорезистентных молочнокислых бактерий
ВЫВОДЫ 160
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 162
ПРИЛОЖЕНИЯ 186
- Биотехнологические и микробиологические аспекты брожения в производстве ржаных видов хлеба
- Объекты и материалы исследований
- Исследование качественного и количественного состава микробоценоза молочнокислых бактерий и дрожжей исходных полуфабрикатов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время во многих странах мира, в -том числе и России, особой популярностью пользуются технологии по производству широкого ассортимента хлебобулочных изделий на основе замороженных полуфабрикатов, так как они гарантируют сохранность качества изделий в необходимые для производства сроки, позволяют гибко реагировать на запросы рынка /1-4/.
Рост производства и потребления хлебопродуктов на основе замороженных полуфабрикатов, широкие научные исследования по разработке рецептур и оптимальных режимов замораживания, хранения и дефростации тестовых заготовок свидетельствуют о перспективности криотехнологии хлебобулочных изделий.
В теорию и практику различных аспектов производства хлебобулочных изделий на основе замороженных полуфабрикатов внесли вклад многие отечественные и зарубежные ученые: О.В. Тешитель, И.П. Петраш, И.В. Матвеева, Р.Д. Поландова, Л.В. Ким, Ф.Н. Андреев, О. Neureneuf, M.J. Wolt, К. Hsu, R. Hoseney, P. Mazur, K. Lorenz, Kline L. и др.
Ассортимент изделий, вырабатываемых из замороженного теста, достаточно обширен. В настоящее время в нашей стране все более широкое применение находят замороженные полуфабрикаты, приготовленные из слоеного и сдобного теста. Однако не отработана технология по выработке хлеба из замороженных ржаных и ржано-пшеничных полуфабрикатов. Использование замороженных полуфабрикатов при производстве ржаного и ржано-пшеничного хлеба особенно целесообразно, поскольку данный технологический прием позволяет исключить схему разводочного цикла, тем самым существенно упростить и сократить процесс приготовления хлеба.
Для создания криотехнологии ржаных видов хлеба необходимы комплексные исследования, основанные на изучении микробиологических, биотехнологических, физико-химических и биохимических процессов,
7 происходящих при низкотемпературном воздействии на тестовые полуфабрикаты.
Регулирование технологического процесса производства ржано-лшеничного хлеба на основе замороженных полуфабрикатов можно обеспечить путем подбора и применения дрожжей и молочнокислых бактерий с криорезистентными свойствами, что позволит: - создать возможность направленного управления процессом созревания полуфабрикатов и предотвратить развитие посторонней микрофлоры; #i - обеспечить приготовление полуфабрикатов высокого качества в наиболее короткий период времени; создать оптимальные условия жизнедеятельности дрожжей и молочнокислых бактерий в тестовой среде с целью достижения наилучшего качества готовых изделий; получать продукты разнообразного вкуса, используя специфические свойства отдельных штаммов молочнокислых бактерий, в частности, их способность к кислотообразованию; увеличить продолжительность хранения полуфабрикатов в замороженном виде.
В научно-технической литературе практически отсутствуют сведения о генопротекторных свойствах препаратов молочнокислых бактерий или их метаболитов. Исследования, направленные на изучение антимутагенных свойств метаболитов молочнокислых бактерий особенно актуальны при « создании продуктов питания, в частности, хлебобулочных изделий, способствующих поддержанию иммунного и физиологического статуса организма,
В настоящее время актуальными являются исследования, определяющие выбор оптимальных технологических параметров тестоприготовления, замораживания, хранения и дефростации ржано-пшеничных полуфабрикатов, использование которых позволит сохранить т высокую бродильную активность дрожжей и молочнокислых бактерий и повысить качественные характеристики ржано-пшеничного хлеба, Щ приготовленного с применением криотехнологии.
Несмотря на известные достижения ученых и специалистов в решении исследуемой проблемы, ощущается недостаток сведений о криопротекторньгх свойствах сырья, используемого для приготовления замороженных ржано-пшеничных полуфабрикатов.
На основании изложенных выше фактов очевидна актуальность проведения комплексных исследований, направленных на разработку Ф, эффективных способов стабилизации качества замороженных ржано- пшеничных полуфабрикатов, позволяющих наряду с сохранением высоких потребительских свойств, расширить ассортимент хлебобулочных изделий, приготовленных на основе криотехнологии.
Тема диссертационной работы соответствует плану НИР кафедры технологии пищевых производств на 2000-2003 гг. по разделу: «Разработка способов повышения криозащитных свойств полуфабрикатов ржаных видов хлеба»; государственной программе Комитета Республики Татарстан по защите прав потребителя «Генетическая безопасность населения республики Татарстан» (2000-2006 г.г.).
Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований явилась разработка способов интенсификации процессов брожения ржано-пшеничных полуфабрикатов при воздействии отрицательных температур.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие т экспериментальные задачи: исследовать качественный и количественный состав микрофлоры молочнокислых бактерий и дрожжей исходных полуфабрикатов; изучить влияние отрицательных температур на бродильную активность клеток дрожжей и молочнокислых бактерий, подобрать криорезистентные штаммы молочнокислых бактерий; изучить генопротекторные свойства криорезистентных штаммов молочнокислых бактерий; исследовать влияние сухого молока на процессы брожения полуфабрикатов и качество готовых изделий; разработать технологию приготовления ржано-пшеничного хлеба на основе использования криорезистентных молочнокислых бактерий и дрожжей.
Научная новизна. Установлено, что молочнокислые бактерии Lactobacillus plantarum и дрожжи Saccharomyces cerevisiae являются преобладающими культурами микрофлоры закваски и теста, участвующими в процессах брожения ржано-пшеничных полуфабрикатов и формирования качественных характеристик готового хлеба.
Выявлено, что из молочнокислых бактерий ржано-пшеничного теста наиболее устойчивыми к низкотемпературному воздействию являются представители рLactobacillus: клетки L.plantarum и L.fermenti обладают криорезистентными свойствами в отличие от клеток L.delbruckii, L, brevis, и L. buchneri.
Установлена взаимосвязь между температурными режимами замораживания, хранения, размораживания и количеством жизнеспособных клеток молочнокислых бактерий и дрожжей ржано-пшеничного теста.
Обоснована целесообразность использования криорезистентного штамма молочнокислых бактерий Lactobacillus casei TMB-D в составе сухой закваски в криотехнологии ржано-пшеничного хлеба для интенсификации процессов брожения полуфабрикатов и улучшения качества готовых изделий.
Показана возможность применения сухого молока в качестве криопротектора при производстве ржано-пшеничных видов хлеба.
Впервые выявлено, что культуралъная жидкость молочнокислых бактерий Lactobacillus casei TMB-D обладает биоантимутагенными свойствами, что позволяет рекомендовать ржано-пшеничный хлеб, полученный на основе их жизнедеятельности, для профилактики генетических заболеваний.
10 Практическая значимость. Разработана криотехнология производства ржано-пшеничного хлеба на основе использования закваски молочнокислых бактерий Lactobacillus casei TMB-D и сухого молока.
Установлены оптимальные концентрации вносимых добавок, позволяющих интенсифицировать процесс брожения теста, стабилизировать криорезистентные свойства ржано-пшеничных полуфабрикатов, сократить продолжительность технологического процесса на стадии дефростации.
Выявлены оптимальные режимы тестоприготовления, замораживания, fc хранения и дефростации ржано-пшеничных полуфабрикатов, позволяющие сохранить высокую бродильную активность микроорганизмов и улучшить качественные характеристики готового продукта.
Разработана нормативная документация для приготовления ржано-пшеничного хлеба «Морозко» на основе замороженных полуфабрикатов (РЦ-001-13981212-2004 и ТИ-001-13981212-2004).
Способ производства ржано-пшеничного хлеба на основе т замороженных полуфабрикатов апробирован на предприятиях ОАО «Татхлеб» г. Казани.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научных сессиях Казанского государственного технологического университета (2000-2003 г. г.); Ш-й и IV-й межрегиональной научной конференции молодых ученых "Пищевые технологии» (Казань, 2002, 2003); Ш-й межрегиональной научной * конференции молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (Казань,
2003); XVII-м Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 (восемнадцать) работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает:
Биотехнологические и микробиологические аспекты брожения в производстве ржаных видов хлеба
Ржаное тесто и закваски являются сложным объектом для изучения, поскольку в зависимости от концентрации субстрата, его свойств, температуры, рН, бактериальная микрофлора очень различна /5,7,8/.
В ржаных полуфабрикатах соотношение дрожжей и молочнокислых бактерий для образцов с густой консистенцией составляет 1:60 или 1:80, с жидкой - 1 ;30 или 1:40 /8/.
В ржаных заквасках и тесте основную роль играют овальные крупноклеточные дрожжи S. serevisiae, адаптированные к повышенной кислотности теста и его кислотообразующей микрофлоре, хотя встречаются клетки S. minor 111.
Необходимая кислотность полуфабрикатов обеспечивается жизнедеятельностью специфической бродильной микрофлоры -молочнокислыми бактериями. В 1 грамме муки содержится от десятков до нескольких миллионов микроорганизмов, качественный состав которых разнообразен. В муке встречаются грибы, бактерии, актиномицеты и другие виды микроорганизмов, но они находятся в малоактивном состоянии. В конце брожения полуфабрикатов (закваски и тесто) остаются дрожжи и молочнокислые бактерии, растущие при высокой кислотности в анаэробных условиях /5/. Таким образом, накопление дрожжами и молочнокислыми бактериями спирта, молочной кислоты и отсутствие кислорода не допускает развитие посторонней микрофлоры в тестовой среде /9/.
На совместную жизнедеятельность молочнокислых бактерий и дрожжей в ржаных заквасках и тесте влияют многие факторы, наиболее важными из которых являются влажность, температура, и рН среды /5-8/.
Влажность жидких заквасок колеблется в пределах от 70 до 83 %. Однако при влажности заквасок более 80 % ухудшается их подъемная сила, снижается содержание кислот и ароматических веществ. Повышение влажности закваски в допустимых пределах вызывает увеличение числа дрожжевых клеток и некоторое подавление жизнедеятельности кислотообразующих бактерий /1, 7-9/.
Температура жидких заквасок должна составлять 30-32С. Повышение температуры до 34—35С способствует развитию молочнокислых бактерий и повышению кислотности, но угнетает дрожжи, так как для их размножения оптимальна температура 28-30С /8,9/.
Развитие молочнокислых бактерий происходит наиболее интенсивно в слабокислой среде и для большинства видов оптимальная активная кислотность среды составляет рН 5-6, в полуфабрикатах хлебопекарного производства бактерии активны при рН 3-3,5 /5,8/.
Кислотность жидких заквасок в конце брожения должна быть 10-13 град. Приготавливать жидкие закваски с большей кислотностью не рекомендуется, так как это связано со значительным расходом сахара на молочнокислое брожение. Высокая кислотность является следствием того, что молочнокислыми бактериями сбраживается большая часть сахара, на питание дрожжей в этом случае сахара не хватает, поэтому закваски с высокой кислотностью имеют недостаточную подъемную силу /10/.
Дрожжи и молочнокислые бактерии ржаных заквасок нуждаются в разнообразных субстратах, необходимых для осуществления анаболических и катаболических процессов /7,8/.
Среди различных групп микроорганизмов молочнокислые бактерии, с точки зрения их потребности Б разнообразных питательных веществах, относятся к наиболее сложным организмам /8/.
При приготовлении ржаных заквасок и теста основным источником питательных веществ для дрожжей и молочнокислых бактерий является ржаная мука. В зерне ржи содержится до 0,3 % глюкозы, до 0,92 % арабинозы, до 0,36 % фруктозы, следы мальтозы, до 0,1 % рафинозы и до 0,57 % сахарозы. Среднее содержание сбраживаемых Сахаров составляет 0,7-1,8 % к сухому веществу зерна /7,11/.
Объекты и материалы исследований
В соответствии с целями и задачами работы объектами исследования служили: дрожжи и молочнокислые бактерии, участвующие в процессе брожения ржаной закваски (головки) и ржано-пшеничного теста; сухие молочнокислые закваски, прессованные хлебопекарные дрожжи, а также готовые изделия, полученные на основе замороженных полуфабрикатов.
Исследуемые закваски предоставлены Московским Государственным университетом пищевых производств, разрешены к применению в пищевой промышленности. Сухие закваски состоят из лиофилизированных культур молочнокислых бактерий и муки в качестве наполнителя.
В работе применяли следующие сухие закваски: Закваска №1 - культура Lactobacillus сачеі ТМБ-Д,
Клетки имеют вид укороченных палочек с заостренными концами размером 1,5-2,0 мкм, располагающихся длинными цепочками, спор не образуют.
Факультативный анаэроб, грамположительный, каталазоотрицательный, не содержит цитохромы дыхательной цепи, не образует псевдо катал азу, индол, не восстанавливает нитраты в нитриты, не разжижает желатин и не пептонизирует молоко. Сбраживает сахарозу, глюкозу, лактозу, мелибиозу; слабо сбраживает рибозу, амагдолин; не сбраживает маннозу, галактозу, арабинозу, трегалозу, мальтозу, рафинозу. Гидролизует крахмал и декстрины. Штамм осуществляет гомоферментативное молочнокислое брожение.
Закваска №2 - культуры: Lactobacillus casei ТМБ-Д и Streptococcus faecium.
Streptococcus faecium M - факультативный анаэроб, неподвижный, не содержит цитохромы дыхательной цепи, не образует катал азу.
Штамм осуществляет гомоферментативное молочнокислое брожение.
Закваска №3 - культуры: Lactobacillus acidophilus var. Coccoileus M и Lactobacillus brevis.
Lactobacillus acidophilus var. Coccoileus M. Грамположительные кокки размером 0,9 мкм, клетки располагаются парами, группами и коротким цепочками. Факультативный анаэроб, неподвижный, каталазоотрицательный, не содержит цитохромы дыхательной цепи. Сбраживает маннозу, галактозу, арабинозу, трегалозу; не сбраживает рафинозу, сорбозу, ксилозу. Штамм осуществляет гомоферментативное молочнокислое брожение.
Lactobacillus brevis относится к группе бетабактерий. Клетки преимущественно короткие - (2-4) (0,7-1) мкм - без включений зерен волютина, расположены одиночно или цепочками разной длины. Колонии мелкие, выпуклые, беловатые, блестящие. Сбраживает глюкозу с образованием диоксида углерода; мальтозу, сахарозу, галактозу, арабинозу. Осуществляет гетероферментативное молочнокислое брожение.
Для выработки замороженных ржано-пшеничных полуфабрикатов хлеба в лабораторных условиях применяли 5 проб товарной пшеничной муки первого сорта ГОСТ 26574-85 (табл.2.1) и 5 проб товарной ржаной обдирной муки ГОСТ 7045-90 (табл.2.2).
Исследование качественного и количественного состава микробоценоза молочнокислых бактерий и дрожжей исходных полуфабрикатов
Для исследований использовали 10 образцов густой ржаной закваски и столько же образцов ржано-пшеничного теста.
Качественный и количественный состав микрофлоры хлебопекарного производства при прочих одинаковых условиях культивирования (температуры брожения, количества вносимых культур микроорганизмов, влажности, качества и количества используемого сырья и др,) зависит от рН полуфабрикатов. Учитывая этот факт, кислотность всех исследуемых образцов ржаной закваски доводили до 11,0 град., ржано-пшеничного теста 8,0 град, что соответствует конечным значениям кислотности созревших полуфабрикатов.
Результаты исследований, представленные в табл. 3.1, показывают, что доминирующими микроорганизмами заквасок и теста являются молочнокислые бактерии. Установлено, что соотношение молочнокислых бактерий и дрожжей в закваске составило 1:78 и в тесте 1:60, что согласуется с данными, полученными Е.И. Квасниковым /8/.
Таблица 3.1 Качественный и количественный состав микрофлоры исходных полуфабрикатов ржано-пшеничного хлеба
В исследуемых образцах также были обнаружены представители пропионовокислых бактерий (p. Prorionibacterium). Причем в ржаной закваске их количество в 3 раза больше, чем в тестовых заготовках ржано-пшеничного хлеба. Уксуснокислые бактерии были обнаружены только в закваске.
Микроорганизмы, вызывающие бутиленгликолевое, масляное, ацетон обутиловое брожение выявлены не были. Это связано, по-видимому, с тем, что обнаруженные микроорганизмы (табл. 3.1) лучше других приспособлены к данным условиям и растут при высоких значениях кислотности полуфабрикатов в анаэробных условиях.
Далее нами был изучен качественный и количественный состав молочнокислых бактерий, участвующих в процессах созревания полуфабрикатов ржано-пшеничного хлеба (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Молочнокислые бактерии полуфабрикатов ржано-пшеничного хлеба
Родмолочнокислыхбактерий Количество клеток в 1 г полуфабрикатов
Данные, представленные в табл. 3.2, свидетельствуют о том, что преобладающим родом молочнокислых бактерий в тестовых заготовках является p. Lactobacillus.
Из ржаных полуфабрикатов также были выделены штаммы молочнокислых бактерий, принадлежащие к родам Pediococcus и Leuconostoc. Согласно современным представлениям пищевой биотехнологии, микроорганизмы родов Pediococcus и Leuconostoc являются загрязнителями хлебопекарного производства, поскольку отрицательно влияют на процессы созревания полуфабрикатов /5,7,8,21,22/.
Молочнокислые бактерии, относящиеся к роду Streptococcus, в исследуемых образцах обнаружены не были.
Следует отметить, что соотношение между различными родами молочнокислых бактерий в исследуемых образцах полуфабрикатов было различным. Так, в тесте представители p. Lactobacillus встречались чаще, чем в закваске, а микроорганизмы p. Pediococcus в тесте обнаружены лишь в единичных случаях.
Поскольку доминирующими микроорганизмами выброженных полуфабрикатов ржано-пшеничного хлеба являются молочнокислые бактерии p. Lactobacillus, необходимо было изучить видовой состав данной группы микроорганизмов, который определяли по способности сбраживать различные углеводы (табл. 3.3).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в полуфабрикатах ржано-пшеничного хлеба преобладающими являются виды L. plantarum и L. delbruckii, которые осуществляют гомоферментативное молочнокислое брожение. В ржаной закваске и тесте встречаются также молочнокислые бактерии, относящиеся к видам L. brevis, L. ferment і, L. buchneri и осуществляющие гетероферментативное молочнокислое брожение. Выявлено, что соотношение гомо- и гетероферментативных видов лактобактерий составляет (соответственно) 3:1 в закваске и 2,5:1 в тесте (табл. 3.4).
