Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния и перспектив применения механоактивированных растительных биоресурсов в производстве синбиотических продуктов 12
1.1 Состояние рынка и современные технологии синбиотических продуктов 12
1.2 Микробные метаболиты в здоровьесбережении человека и обеспечении качества пищевых продуктов 20
1.3 Перспективы применения продуктов глубокой переработки биоактивного растительного сырья в технологиях синбиотических продуктов повышенной функциональности 30
1.4 Опыт и перспективы применения механоактивации в биотехнологиях 43
Глава 2. Организация эксперимента, объекты и методы исследований 50
2.1 Характеристика объектов исследований 50
2.2 Схема и условия проведения исследований 52
2.3 Методы исследований 54
Глава 3. Обоснование режимов ферментации синбиотических продуктов 59
3.1 Исследование процесса культивирования консорциумов пробиотических микроорганизмов на водных субстратах с композицией «Витазар-фларабин» 59
3.2 Ферментация молочно-растительных систем с композицией «Фларабин-инулин» консорциумами пробиотических микроорганизмов 65
3.3 Ферментация молочно-растительных и сывороточно растительных систем с композицией «Витазар-флавоцен» консорциумами пробиотических микроорганизмов 73
3.4 Влияние дезинтеграционно-волнового диспергирования на микроструктуру, фазовый состав и пребиотические свойства композиции «Витазар»-«Фларабин»-«Селексен» 80
Глава 4. Исследование свойств ферментированных синбиотических систем 90
4.1 Исследование аминокислотного состава 90
4.2 Исследование аминокислотного состава фракций термокислотной коагуляции пробиотических продуктов 97
4.3 Исследование форм связи влаги 103
Глава 5. Синбиотические продукты питания функционального назначения: рецептуры, технологии, свойства 115
5.1. Обоснование выбора сырьевых ресурсов и разработка рецептурно-компонентных решений композиций биоактивных растительных компонентов (КБРК) 115
5.2. Технология производства КБРК и синбиотических кисломолочных продуктов с их применением 117
5.3 Оценка качества, потребительских и антиоксидантных свойств синбиотических продуктов с КБРК 121
5.4. Разработка частных биотехнологий продуктов с использованием КБРК 127
5.4.1 Технология кислородсодержащих синбиотических продуктов с КБРК 127
5.4.2 Технология соусов на синбиотической основе с КБРК и оценка их потребительских свойств 134
5.4.3 Технология булочных изделий на основе синбиотических продуктов с КБРК и оценка их потребительских свойств 137
5.5 Особенности биосинтеза экзополисахаридов и его влияние на функциональные свойства пищевых систем при хранении 142
Основные выводы и результаты 152
Список литературы 154
Приложения
Приложение А. Акты производственных испытаний, протоколы дегустаций 183
Приложение Б. Стандарты организации 195
Приложение В. Технологическая инструкция по производству кисломолочных продуктов с добавлением КБРК 213
Приложение Г. Протоколы о проведении лабораторных исследований 218
Приложение Д. Декларация о соответствии требованиям технических регламентов таможенного союза № ТС N RU Д-RU.АИ72.В.08859 246
Приложение Е. Декларация о соответствии требованиям технических регламентов таможенного союза № ТС N RU Д-RU.АИ72.В.04897 247
Приложение Ж. Расчет экономической эффективности производства синбиотических продуктов с КБРК 249
Приложение З. Патенты на изобретения 262
Приложение К. Дипломы выставок, грамоты, благодарности 265
- Микробные метаболиты в здоровьесбережении человека и обеспечении качества пищевых продуктов
- Ферментация молочно-растительных и сывороточно растительных систем с композицией «Витазар-флавоцен» консорциумами пробиотических микроорганизмов
- Исследование форм связи влаги
- Особенности биосинтеза экзополисахаридов и его влияние на функциональные свойства пищевых систем при хранении
Введение к работе
Актуальность работы. Вопросы, связанные c ростом заболеваемости россиян вследствие нарушений биоценоза и дефицитом биологически активных нутриентов – значимы и отражены в программных документах правительства РФ, предписывающих активизировать научные изыскания в направлении развития технологий продуктов здорового питания с расширенными функциональными свойствами.
Пищевые пробиотики, пребиотики, метабиотики, а также биокорректоры - важная часть лечебных и профилактических рационов, особенно для лиц, подверженных антибиотико-, химии-, лучевой терапии, стрессам, при ослаблении иммунитета для всех возрастных групп населения, что делает актуальным разработку рецептурно-технологических решений ассортимента продукции с прогнозируемо формируемыми синбиотическими и дополнительными функциональными свойствами. Повысить эффективность и биодоступность вводимых в субстрат пребиотиков возможно применением механоактивации, позволяющей изменять структурно-фазовые свойства, повышать мембранотропность, растворимость и реагентоспособность широкого спектра биологических активных веществ.
Значительный вклад в развитие теории и практики
функциональных продуктов-эубиотиков внесли российские и
зарубежные ученые: Артюхова С.И., Гаврилова
Н.Б., Ганина В.И., Забодалова Л.А., Крючкова В.В., Тутельян
В.А., Уголев А.М., Шендеров Б.А., Agarwal K. N., Holzapfel W.H.,
Reid G., Lenoir-Wiujnkoop I. и др. Несмотря на сравнительно
глубокую проработку научно-технологических аспектов
производства эубиотиков, остаются проблемы повышения их
функциональности за счет привлечения натуральных
ингредиентов, обладающих широким спектром дополнительных функциональных свойств.
Цель работы. Научное обоснование технологий новых синбиотических пищевых продуктов, обогащенных иммуномо-дуляторами, антиоксидантами, витаминами, минеральными элементами, микробными экзополисахаридами с применением ме-
ханоактивированных композиций из отечественного растительного сырья.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
обобщить результаты информационно-патентного поиска и обосновать целесообразность выбора пребиотиков и биокорректоров для культивирования консорциумов пробиотических микроорганизмов, повышения функциональности синбиотиче-ских продуктов: обеспечение не менее 50% суточной нормы поступления иммуномодуляторов и антиоксидантов, селена, а также обогащение витаминами и минеральными элементами;
оценить влияние пищевых добавок «Витазар», «Флаво-цен», «Фларабин», «Селексен», «Инулин» и их композиций на рост консорциумов пробиотических микроорганизмов в молочных, сывороточных и безмолочных системах;
-установить закономерности влияния дезинтеграционно-волнового диспергирования на структуру, фазовый состав и пре-биотические свойства композиций функциональных пищевых добавок, установить параметры процесса;
-исследовать специфику накопления аминокислот при ферментации молока консорциумами пробиотических микроорганизмов и их фазовое распределение при термокислотной коагуляции;
-исследовать изменения форм связи влаги в процессе ферментации и последующем хранении для оценки активности синтеза экзополисахаридов пробиотическими микроорганизмами;
-обосновать рецептурно-компонентные решения пребиоти-ческих композиций на основе БАД «Витазар», «Фларабин», «Се-лексен», «Флавоцен», «Инулин», модифицировать технологию синбиотических молочно-растительных систем, разработать ассортимент функциональных продуктов на их основе, оценить потребительские свойства и безопасность, разработать техническую документацию, провести промышленную апробацию, рассчитать экономическую эффективность предлагаемых технических решений.
Научная новизна работы. Обобщены результаты информационно-патентного поиска, экспериментально доказана целесообразность создания пребиотических композиций путем комбинирования БАД «Витазар», «Фларабин», «Флавоцен», «Се-
лексен», «Инулин» для обогащения синбиотических продуктов природными иммуномодуляторами, антиоксидантами, витаминами, минеральными элементами, в том числе селеном, дигидро-кверцитином, арабиногалактаном в количестве не менее 50% суточной нормы.
На основе исследованных закономерностей культивирования консорциумов пробиотических микроорганизмов установлена возможность достижения концентрации активных клеток не менее 109 КОЕ/мл на водных, сывороточных, молочных субстратах при концентрации 15-20, 5-10, 3-5 % КБРК соответственно.
Выявлены изменения фазового состояния, формирование аморфных структур, повышение биодоступности КБРК при 3-х кратном дезинтеграционно-волновом диспергировании, обеспечивающие при концентрации механоактивированной КБРК 3-5% в ферментируемой системе сокращение продолжительности лаг-фазы до 1,5 ч, экспоненциальной фазы до 5-6 часов.
В процессе культивирования пробиотических микроорга
низмов при содержании 109 КОЕ/мл в течение 18-16 часов уста
новлено возрастание концентрации белка на 0,5-1,5%, выявлена
специфичность синтеза аминокислот для различных консорциу
мов пробиотических микроорганизмов, возрастание концентра
ции на 30-70% изолейцина, метионина, глутаминовой кислоты,
гистидина, серина, валина (консорциум Str thermophilus,
Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium
adolescentis, Bifidobacterium bifidum Y-4); на 30-120% метионина,
валина, глутамина, аргенина, треонина, гистидина (консорциум
Str thermophilus, L. casei rhamnosus), на 60-140% метионина, ци-
стеина, цистидина, тирозина, глицина (консорциум Str thermophi-
lus, L. Сasei subsp. Rhamnosus, L. acidophilus, L. plantarum, L. fer-
mentum, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium longum,
Bifidobacterium adolescentis).
Методом ДТА выявлена экзополисахаридная активность консорциумов пробиотических микроорганизмов и ее активация при охлаждении до 4-6оС, увеличение массы сухого остатка с 8,28 до 15,61% и возрастание доли связанной влаги в различных формах до 73-77%, что обеспечивает увеличение срока годности продуктов до 24 сут.
Установлено влияние синбиотических молочно-
растительных систем на упрочнение межфазных адсорбционных
слоев на границе газ-жидкость, обеспечивающее увеличение
кратности пены до 200-250 %, ее устойчивости до 40-50 мин при
введении в рецептуры кислородных коктейлей, возрастание
удельного объема теста на 10-12%, снижение крошливости на 15-17% при введении в рецептуры булочных изделий.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Обоснованы соотношения биологически активных растительных компонентов в рецептурах пребиотических композиций, активирующих рост пробиотических микроорганизмов, обеспечивающих не менее 50% суточной нормы арабиногалактана, дигидро-кверцитина, селена, а также обогащение витаминами А, Д, Е, группы В, кальцием, магнием, цинком.
Определены условия и режимы технологии новых синбио-тических кисломолочных продуктов: концентрация КБРК 3-5%, кратность дезинтеграционно-волнового диспергирования 2-3, температура ферментации 40-42оС, продолжительность 5-7 часов, обеспечивающие концентрацию пробиотических микроорганизмов не менее 109 КОЕ/мл устойчивость к синерезису, функциональные свойства, безопасность, хранимость.
Разработаны технологии и техническая документация производства синбиотических молочно-растительных систем с КБРК, а также функциональных продуктов на их основе: кислородных коктейлей и десертов, соусов, напитков, булочных изделий функциональной направленности, апробированные в производственных условиях.
Экономический эффект производства синбиотических молочно-растительных систем с КБРК составляет 90 тыс. руб на тонну продукта.
Научные положения, выносимые на защиту. Структурные, фазовые и пребиотические свойства механоактивирован-ной ДВД композиции БАД «Витазар-Фларабин-Селексен».
Условия культивирования консорциумов пробиотических
микроорганизмов, достижения концентрации не менее
109КОЕ/мл на молочных, сывороточных и безмолочных субстратах с КБРК, физико-химические свойства ферментированных систем.
Модифицированные технологии синбиотических молочно-растительных систем и функциональных продуктов с их применением, информационный банк потребительских свойств.
Результаты оценки влияния видового состава и условий ферментации на синтез аминокислот и экзополисахаридов консорциумами пробиотических микроорганизмов.
Соответствие темы диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует п. 3, 5, 6, 9, 10 паспорта специальности 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ.
Степень достоверности и апробация результатов.
Основные положения и результаты диссертационной рабо
ты доложены и обсуждены на российских и международных, науч
но-технических конференциях: Воронеж, (2014, 2015, 2016); Омск,
(2015), Москва,( 2016), Курск, (2017), а также результаты работы
демонстрировались на региональных, межрегиональных, всерос
сийских выставках «Урожай. Пищевая индустрия» (Воронеж,
2014), «Chef a la Russe» (Воронеж, 2015), «Идеаль» (Воронеж,
2015-2017), «Здравоохранение» (Воронеж, 2014-2018), «Изобре
тения и инновации» (Воронеж, 2016, 17), получены декларации о
соответствии разработанных продуктов требованиям ТР/ТС
033/2013 и ТР/ТС 021/2011.
Результаты работы внедрены в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров по направлениям УГСН 19.00.00 «Промышленная экология и биотехнологии».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, в т. ч. 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК Мино-брнауки РФ, 3 статьи в изданиях РИНЦ и 9 тезисов докладов, сделанных на конференциях разного уровня, получено 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и информационных интернет-источников из 235 наименований, в том числе 78 – на иностранных языках, объемом 275 страниц машинописного текста, содержит 58 рисунков и 35 таблиц, 9 приложений на 88 страницах.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в анализе информации по проблеме диссертационного исследования, постановке, реализации и
обработке результатов экспериментов, по изучению процесса культивирования консорциумов пробиотических микроорганизмов, разработке рецептур пребиотических композиций, оценке свойств ферментированных синбиотических систем, разработке технологий новых продуктов с их применением. Автором разработана техническая документация на новые продукты, проведено патентование разработок, апробация и внедрение разработанных технологий в производство.
Микробные метаболиты в здоровьесбережении человека и обеспечении качества пищевых продуктов
Эффекты пробиотических продуктов доказаны множественными исследованиями в области медицины, физиологии, микробиологии, однако вследствие чрезвычайного многообразия видов микроорганизмов, населяющих организм человека и выполняемых ими функций, процесс получения новых знаний в этом направлении продолжается. Нормофлора человека сегодня рассматривается как интегральная часть организма, его уникальный экстракорпоральный орган, эксклюзивно обеспечивающий ряд важнейших функций, вследствие многообразия клеточного метаболизма бактерий нормальной микрофлоры, в морфогенезе и функциях различных систем организма хозяина участвуют ферменты, витамины, гормоны, и другие биологически активные соединения микробного происхождения [53, 54, 64, 219].
В настоящее время идентифицировано от 2,5 до 10 тыс. видов бактерии, до 70 тыс. штаммов. Доминантных видов, различающихся частотой обнаружения, насчитывается 160– 300, следует отметить, что по видовому составу каждый конкретный человек индивидуален и достаточно стабилен. У отдельных индивидов общее содержание бактерии (КОЕ/г) и количество их видов различается в 12—2200 раз [99]. Установлено, что более 60% микрофлоры локализуются в кишечнике хозяина, ее содержание достигает 10 КОЕ/мл содержимого. Практически весь метаболический потенциал индигенной микрофлоры сконцентрирован в толстой кишке - до 1012/мл содержимого, определяя ее функциональное назначение для всего организма человека. В норме, в тонкой кишке содержание бактерий составляет 10 /мл содержимого, в подвздошной - 10 /мл. Любой микробиоценоз, в т. ч. и кишечный, характеризуется постоянно обитающими видами бактерий (около 90% от всех микроорганизмов), к ним относятся виды главной, автохтонной и индигенной микрофлоры.К видам главной флоры относят бифидобактерии, лактобактерии, пропионибактерии, эшерихии, пептострептококки и энтерококки.
Функции микробиоты, реализуемые вследствие синтеза широкого спектра метаболитов, можно объединить в три основные группы: 1) антитоксические, иммунные, защитные 2) метаболические, 3) антиканцерогенные и антимутагенные [98, 99, 148].
Реализация данных функций основана на трофическом и энергетическом обеспечении макроорганизма; энергообеспечении эпителия; стимуляции иммунной системы; образовании иммуноглобулинов; регулировании перистальтики кишечника; участии в регуляции, дифференциации и регенерации тканей, прежде всего эпителия; обеспечении цитопротекции; детоксикации и выведения эндо- и экзогенных токсичных соединении, разрушении мутагенов, активации лекарственных соединении; образовании сигнальных молекул (неийро-и трансмиттеров); поддержании ионных, физических и химических параметров гомеостаза приэпителиальной зоны; повышении устойчивости клеток эпителия к мутагенам (канцерогенам); ингибировании роста патогенов; регулировании газового состава полостей, поставки субстратов для липо- и глюкогенеза .[12, 57, 183, 190, 196, 200]. Пробиотическая микрофлора выполняет ведущую роль в процессе активации клеток иммунной системы, поддерживает кишечный гомеостаз, численность и состав микрофлоры а также ее функциональную активность во всех отделах пищеварительного тракта, что является прерогативой физиологического состояния здорового организма [212]. Кратковременные отклонения функциональной активности микрофлоры кишечника расцениваются с позиций реактивных состояний, более длительные изменения качественного и количественного состава микроорганизмов определяют, как «дисбактериоз» [145].
Нарушения микробиоценоза кишечника [168, 187, 193, 206, 208, 209], требующие введения в рацион прбиотических, продуктов, возникают под действием:
- ятрогенного воздействия, к которому относятся антибактериальная, лучевая, гормонотерапия, лечение цитостатиками, оперативные вмешательства; 23
- алиментарных факторов, к которым относятся дефицит пищевых волокон, наличие консервантов, антибактериальных компонентов, красителей и иных ксенобиотиков в рационе питания, дисбаланс нутриентов, дефицит минорных компонентов, особенно эссенциальных, не регулярное питание, резкая смена режима и рациона питания);
-различных стрессов, нарушения биоритмов; -острых инфекционных заболеваний ЖКТ, заболеваний внутренних органов;
-снижения иммунного статуса. Продукты, применяемые для восстановления качественного состава и численности микрофлоры кишечника, включают в себя две большие группы – пребиотики и пробиотики. В последнее время все большее значение приобретают продукты, в состав которых входят метабиотики [53].
К пробиотическим относятся продукты, содержащие живые пробиотические микроорганизмы. Существует 2 принципиальных технологических подхода производства пробиотических продуктов:
- ферментация молочных, молочно-растительных или растительных субстратов пробиотическими микроорганизмами [73, 82, 84, 85];
- обогащение пищевого объекта бактериальными концентратами, содержащими пробиотические микроорганизмы [72, 83, 132].
Доказаны положительные эффекты общего характера, гуморальные и клеточные при употреблении пробиотических продуктов (таблица 1.3) [11, 89, 94, 98, 149]
В состав пробиотиков может входить, как монокультура, так и комбинация (консорциум) из двух и более видов микроорганизмов -симбиотиков.
Учитывая расширение объема информации о многообразии и сложности экосистемы кишечника, применение пробиотиков, как средства для длительной колонизации, находит все меньше сторонников. Но это не умаляет достоинств пробиотических продуктов, обусловленных наличием множества выраженных полезных эффектов. Так, например, введение в рацион больных различными заболеваниями пробиотических продуктов позволяет решить широкий круг задач по селективной стимуляции иммунной системы, воздействию на основные звенья патогенеза заболевания (адгезию, токсины, транслокацию, инвазию); усилить действие основного лекарственного препарата, например, антимикробный эффект; а также дополнительные эффекты например, гиполипидемические, антигистаминные свойства, регуляцию моторики, профилактику реинфекции. Клинически доказано, что применение пробиотических продуктов эффективно и безопасно при широком спектре заболеваний [12, 54, 64, 98, 145, 168, 192, 205, 206, 208, 209].
Новейшие исследования доказывают, что наряду с пробиотическими и пребиотическими продуктами эффективным средством позитивной коррекции биоценоза являются метабиотики–продукты, содержащие вещества метаболизма или структурные компоненты пробиотических микроорганизмов. Активные метаболиты представляют собой естественные биологически активные компоненты (БАК): бактериоцины, лизоцим, каталазы, аминокислоты, ферменты, полипептиды и др. Совокупность БАК оказывает нормализующее действие на дисбиотические изменения микрофлоры ЖКТ в результате угнетения роста условно-патогенных микроорганизмов, стимулирования функциональной активности индигенной кишечной микрофлоры; проявляет иммуномодулирующие свойства [11, 49, 57, 64, 132, 14, 157, 194]. Особенное значение принадлежит короткоцепочечным жирным кислотам, продуцируемым пробиотическими микроорганизмами, в частности масляной кислоте, одной из основных короткоцепочечных жирных кислот, продуцируемых кишечной микрофлорой. Масляная кислота (бутират) является энергетическим субстратом для синтеза липидов мембран колоноцитов; обеспечивает защитный барьер, регулирует проницаемость слизистых тканей кишечника; купирует колоректальный канцерогенез, воспаление и окислительный стресс; регулирует многие другие метаболические и сигнальные процессы в кишечнике [11,19, 161,210, 216, 220].
Расширение ассортимента продуктов, содержащих пробиотические микроорганизмы и их метаболиты - актуальная задача на современном этапе развития технологии пищевых продуктов, обладающих свойствами фармацевтических препаратов, предназначенных для здоровьесбережения и повышения качества жизни населения практически всех возрастных групп, особенно для лиц, страдающих различными заболеваниями[186].
Ферментация молочно-растительных и сывороточно растительных систем с композицией «Витазар-флавоцен» консорциумами пробиотических микроорганизмов
Анализ химического состава БАД «Витазар», как источника азота, углерода, витаминов и минеральных элементов, необходимых для успешного синтеза биомассы пробиотических микроорганизмов, приведенный в Главе 1 (п.1.3) убедительно свидетельствует о высоком биопотенциале этого природного биокорректора, как пребиотика.
Углеводный состав «Витазара» подтверждает это предположение, так как в его составе идентифицированы моно-, ди-, олиго- и полимеры углеводной природы в значительных количествах (4-10 масс%).
Сравнение состава БАД «Витазар» с известным пребиотическим препаратом «Стимбифид» (таблица 3.4) подтверждает наличие у этого натурального биологически активного сырья выраженных пребиотических свойств [111].
Как видно из данных таблицы 3.4, «Витазар» содержит фруктополи- и олигосахариды, а также широкий спектр витаминов и минеральных элементов, характерный для пребиотических препаратов, при этом преимуществом является высокое содержание кальция в сочетании с витаминами А, D, Е, что может обеспечить дополнительное позитивное влияние «Витазара» на различные системы организма человека.
Цель данного этапа исследования – обоснование режимных параметров культивирования консорциумов бифидо-и лактобактерий в молочных и сывороточных системах с композицией «Витазар-Флавоцен». В качестве питательных сред были исследованы молочно-витазарные системы с содержанием «Витазара» 1-5%, «Флавоцена» 0,2 % и сывороточно витазарные системы на основе подсырной сыворотки, с содержанием «Витазара» 3-20%,«Флавоцена» 0,2 %. Введение «Витазара» в молоко или подсырную сыворотку в пределах исследуемых концентраций позволяет получить системы с различной консистенцией, от ньютоновской жидкости (до 5% содержания добавки) до пастообразного продукта (при 20% и выше содержания добавки), цвет - от кремового до насыщенного бежевого, с запахом от приятного молочного до выраженного злакового. Установлено, что «Витазар» частично растворим в молоке и в сыворотке [3]. Результаты развития консорциума пробиотических микроорганизмов, состоящего из L. Сaseisubsp. Rhamnosus, L. acidophilus, L. plantarum, L. fermentum, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium adolescentis в молоке с содержанием «Витазара» 1-5%, «Флавоцена» 0,2 % представлены на рисунке 3.8.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что активное накопление кислоты начинается примерно спустя 2,0-2,5 часа от начала процесса, что соответствует переходу системы из лаг-фазы к экспоненциальной. Формирование геля начинается через 6,0-6,5 часов, а спустя 16-20 часов образуется ровный плотный сгусток с однородной, густой, тянущейся консистенцией по всему объему продукта. Введение БАД «Витазар» в молоко в концентрации до 3% интенсифицировало процесс кислотообразования в системе. При дальнейшем увеличении концентрации БАД до 4-5% было отмечено появление незначительного «злакового» аромата и привкуса, при этом интенсивность кислотообразования несколько снижается. Предположительно этот эффект может быть обусловлен повышением осмотического давления раствора, что оказывает негативное влияние на рост биомассы исследуемого консорциума микроорганизмов. В процессе дальнейшего термостатирования в течение26-36часов было зафиксировано снижение роста титруемой кислотности, а через 48 часов ферментации произошло уплотнение сгустка, был отмечен значительный синерезис, что негативно отражается на внешнем виде и привлекательности кисломолочного продукта для потребителей.
В контрольном образце начало синерезиса было отмечено после 32-36 часов термостатирования. Наличие «Витазара» в субстрате оказало положительное влияние на влагосвязывающую способность геля казеинов молока, что может быть связано с дополнительным эффектом связывания влаги белками и полисахаридами, содержащимися в этой пищевой добавке согласуется с ранее полученными научными результатами [116]. Количество активных клеток пробиотических микроорганизмов через 10-12 часов процесса достигло 108-109 КОЕ/мл, а затем, в течение 48 часов культивирования биомассы оставалось на этом уровне.
Учитывая значительную лактазную активность штаммов данного консорциума микроорганизмов, были проведены экспериментальные исследования ферментации бесказеиновых сывороточно-витазарных систем с использованием подсырной сыворотки (рисунок 3.9).Продолжительность лаг-фазы в данном случае возросла и составила 6-12 часов. В течение этого времени титруемая кислотность в контрольном образце (без «Витазара») увеличилась на 5, а в экспериментальных образцах на 8-15 оТ.
Активность накопления молочной кислоты в экспериментальных образцах находилась в прямой зависимости от концентрации композици. На рисунке 3.10 представлено изменение активной кислотности сывороточно - растительных систем в процессе хранения. Диапазон снижения рН отмечен в интервале от 5,47 до 3,88 с увеличением копозиции от 3 до 20 %.
Исследование титруемой кислотности в процессе хранения в течение 7 сут. экспериментальных образцов (рисунок 3.11) показало ее нарастание в диапазоне 20-25 оТ, что не оказало негативного влияния на органолептические показатели продукта. На протяжении всего периода хранения экспериментальные образцы имели злаковый аромат, приятный слабо - кислый вкус, кремовый цвет.
Через 7 суток хранения в герметичной таре все контролируемые микробиологические показатели соответствовали установленным нормам. Содержание активных клеток пробиотических микроорганизмов в сывороточно - растительных системах зафиксировано в диапазоне 3,2-3,6109 КОЕ/см3, БГКП (в 0,1 г) - отсутствовали, патогенные микроорганизмы (в т. ч. сальмонеллы, в 25 г) и плесени – отсутствовали.
В процессе хранения при указанных выше режимах молочно растительных ферментированных систем установлено наличие аналогичных зависимостей изменения активной кислотности и ее понижение с 5,2 до 4,3, количество лакто- и бифидобактерий на 7-е сутки возросло с 109 до 1010 КОЕ/мл, а все контролируемые микробиологические показатели оставались в пределах допустимых значений. По окончании процесса хранения молочно -растительные системы имели пастообразную, однородную, слегка тянущуюся консистенцию, приятный молочно - злаковый аромат.
Нормативная продолжительность процесса ферментации при производстве кисломолочного продукта на основе исследуемого консорциума микроорганизмов, указываемая производителем, составляет 12-14 часов. При ферментации сывороточно-витазарной среды отсутствует такой ограничивающий фактор, как формирование и синерезис сгустка, вследствие чего возможно увеличение продолжительности стадии ферментации и накопления более высоких концентраций микробных метаболитов. Спад активности кислотообразования был отмечен через 48 часов процесса ферментации, что свидетельствует о переходе системы в состояние, соответствующее максимальному накоплению биомассы. Концентрация активных клеток пробиотиков осталась на уровне значений 109 КОЕ/мл продукта. Содержание дрожжей и плесеней в образцах не превышало 50 КОЕ/мл продукта.
Образец на основе сыворотки с массовой долей «Витазара» 20% характеризовался однородной, густой, вязкой, слегка тянущейся консистенцией, свидетельствующей о накоплении в продукте микробных метаболитов полисахаридной природы. Экспериментальные образцы имели слабо кислый вкус, злаковый аромат, при концентрациях «Витазара» до 10% отмечено наличие незначительного осадка.
Исследование форм связи влаги
Сегодня экзополисахаридам, синтезируемым пробиотическими микроорганизмами в процессе ферментации молока, отводится важная физиологическая и технологическая роль [89, 90, 132]. Актуальность интереса к ЭПC-активности культур лакто- и бифидобактерий обусловлена и наличием у них статуса безопасности GRAS, подтверждающего возможность рассматривать их в качестве ингредиентов безопасных пищевых продуктов. Экзополисахариды пробиоты могут выступать не только в качестве эффективного альтернативного заменителя пищевых добавок, улучшающего потребительские свойства продуктов [133, 181], но и выступить в роли фактора, расширяющего спектр их функциональных свойств, например, повышения адгезионной активности лакто- и бифидобактерий на слизистых поверхностях желудочно-кишечного тракта, интенсификации ферментации молока, сокращения времени образования сгустка, улучшения реологических характеристик и текстуры продукта, стимулирования биосинтеза самих бактерий и их метаболитов - аминокислот, короткоцепочечных жирных кислот, витаминов, ферментов, профилактики язвенной болезни, атеросклероза, онкозаболеваний [43,182, 188, 189, 199, 204, 221] В Главе 1 приведенa информация о влиянии условий культивирования на биосинтез экзополисахаридов пробиотическими микроорганизмами
Например, введение в субстрат селен содержащих соединений стимулирует образование экзополисахаридов и формирование микроколоний, повышает адаптационные свойства микроорганизмов [134]. Вследствие формирования экзополимерной капсулы у молочнокислых бактерий повышается резистентность к адгезии фаговых частиц, снижается вероятность лизиса клетки бактериофагами, возрастает устойчивость к агрессивным внешним факторам – кислотности, температуре, ультразвуку [95]. Экзополисахариды обладают высокой влагосвязывающей способностью, они формируют густую, тянущуюся консистенцию, препятствуют отделению сыворотки.
В процессе синтеза биомассы бактерий происходит изменение ее реологических свойств, обусловленное формированием гелевой структуры вследствие накопления кислоты и перехода казенов молока в изоэлектрическое состояние. В результате синтеза микробных экзополисахаридов происходит их накопление в ферментируемой системе одновременно с накоплением кислоты, что сопровождается дополнительным связыванием влаги. По изменению состояния влаги в ферментированных системах с применением высокоточного дифференциально-термического метода, сопряженного с гравиметрией, широко применяемого для исследования пищевых систем, можно сделать выводы о количественных характеристиках биосинтеза экзополисахаридов [30, 62, 76].
Активность биосинтеза полисахаридов консорциумами пробиотических микроорганизмов изучали по изменению содержания и соотношения различных форм связанной влаги в условиях контроля изменения массы исследуемого образца при нагреве в диапазоне температур, соответствующем диапазонам фазовых превращений влаги в образце Полученные результаты представлены в виде дифференциальных зависимостей dТГ и dДСК, полученных в результате обработки с помощью программного обеспечения MSEхсel и NETZSCH Proteu. Диапазон температур нагревания составил 30-300 оС, при скорости нагрева 5 К/мин. Экспериментальные данные, позволяют сделать количественную оценку фракций влаги различных форм связи в ферментированных продуктах. Титруемая кислотность составляла 80-100 оТ, рН 4,61-4,65,в качестве контроля исследовали образцы исходного обезжиренного молока и казеинового геля при рН 4,62, полученного кислотной коагуляцией обезжиренного молока соляной кислотой без участия микроорганизмов.
Экспериментальные зависимости, представленные на рисунках 4.14-4.19, отражают процесс термолиза опытных образцов в интервале от 30 до 300 оС, позволяют констатировать наличие эндотермических эффектов (на зависимостях ДСК) и соответствующих им изменений массы образцов (на зависимостях ТГ).
Тепловые эффекты, проявляющиеся в процессе термолиза, имеют характеристики, представленные в таблице 4.5.
В результате термического анализа опытных и контрольных образцов (рисунок 4.14-4.19) выделены следующие эндотермические эффекты в различных температурных диапазонах: № 1 – от 30 до 129 oC; № 2 – от 30 до 134 oC; № 3 – от 30 до 126oC; № 4 – от 30 до 143 oC;контроль (казеиновый гель) – от 30 до 115oC; контроль (обезжиренное молоко) – от 30 до 109 oC.
По возрастанию величины диапазона температуры, при которой наблюдается эндотермический эффект исследуемые образцы можно распределить следующим образом: контроль (обезжиренное молоко), контроль (казеиновый гель), № 3, № 1, № 2, № 4, что свидетельствует об увеличении степени связывания влаги в образцах контрольного геля, содержащего казеин в изоэлектрическом состоянии, по сравнению с исходным молоком, а также в опытных образцах ферментированных продуктов по сравнению с образцом контрольного геля, вследствие дополнительного связывания влаги микробными метаболитами, в том числе экзополисахаридами.
В результате термического воздействия масса навесок исследуемых образцов изменялась, остаточная масса контрольного геля составляла 4,01%, а опытных образцов - № 1 – 7,19 %, № 2 - 5,72 %, №3 - 6,07 %, №4 - 7,75 %, что свидетельствует о метаболической активности пробиотической микрофлоры.
В результате преобразования участка изменения массы ТГ, соответствующей процессу дегидратации в указанных выше температурных интервалах была получена зависимость превращения вещества а, мг/мг от температуры образца Т, К (рисунок 4.20). Степень превращения вещества вычисляли по отношению текущего изменения массы Ami на момент времени г к общему изменению массы Лттах.
Особенности биосинтеза экзополисахаридов и его влияние на функциональные свойства пищевых систем при хранении
В данном разделе представлены результаты исследований физико-химических свойств, органолептических показателей, химического состава, микробиологических показателей разработанных синбиотических продуктов с КБРК.
Исследования проводили в течение 24сут для определения сроков годности разработанных продуктов.
Известно, что существует взаимосвязь между количеством влаги, формами ее связи в продукте и его сохранностью или порчей. В связи с этим основным способом увеличения сроков годности пищевых продуктов всегда было сокращение содержания влаги, в особенности в свободной форме.
В процессе хранения (по сути – термостатирования при 4-6оС) пробиотические бактерии продолжают синтезировать экзополисахариды, которые могут выступать в роли влагосвязывающего фактора.
Установлено, что условия культивирования влияют на биосинтез экзополисахаридов пробиотическими микроорганизмами и при неблагоприятных условиях более активно формируется экзополисахаридная капсула, обеспечивающая возрастание устойчивости пробиотических микроорганизмов к агрессивному внешнему фактору – температуре. Опираясь на эти данные, следует ожидать более интенсивный синтез данных биополимеров пробиотой в процессе хранения при 4-6оС - в неблагоприятных для развития микроорганизмов условиях.
Наличие активности биосинтеза полисахаридов консорциумами пробиотических микроорганизмовв процессе хранения изучали по изменению содержания и соотношения различных форм связанной влаги в условиях контроля изменения массы исследуемого образца при нагреве в диапазоне температур, соответствующем диапазонам фазовых превращений влаги в образцах. Результаты представляли в виде дифференциальных зависимостей dТГ и dДСК, получаемых при обработке с помощью программного обеспечения MSEхсel и NETZSCH Proteu. Диапазон температур нагревания составлял 30-300 оС, при скорости нагрева 5 К/мин. Экспериментальные термогравиметрические данные позволяют произвести количественную оценку фракций влаги, различающихся формами связи в синбиотических продуктах при их хранении при 4-6 оС. Титруемая кислотность разработанных продуктов возросла за период хранения с 80-100 оТ до 110-140 оТ, активная кислотность снизилась с рН 4,61-4,65 до 4,45-4,55.
Экспериментальные зависимости, представленные на рисунках 5.10-5.12, иллюстрируют процесс термолиза в интервале от 30 до 300 оС опытных образцов синбиотического продукта на примере «Биоматрикс-нова» (консорциум Str. thermophilus, L. Сasei subsp. Rhamnosus, L. acidophilus, L. plantarum, L. fermentum, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium adolescentis), хранившегося при 4-6оС, и позволяют констатировать наличие сдвига эндотермических эффектов (на зависимостях ДСК) и соответствующих им изменениях массы образцов (на зависимостях ТГ).
В результате термического анализа образцов, хранившихся в течение 0-24 суток (рисунок 5.10-5.12) выделены различные эндотермические эффекты в следующих температурных диапазонах: 0 суток – от 30 до 129 oC; 14 суток– от 30 до 139oC; 24 суток – от 30 до 144oC, что доказывает наличие процесса синтеза экзополисахаридов при температуре 4-6оС в процессе хранения продукта.
По возрастанию изменений величины диапазона температуры, при которой наблюдается эндотермический эффект исследуемые образцы можно распределить следующим образом: № 3, № 2, № 1, что свидетельствует об увеличении степени связывания влаги в образцах в процессе хранения. В результате термического воздействия масса навесок исследуемых образцов изменялась и составила 0 сут - 5,12 %, 14 сут - 7,75 %, 24 сут - 11,88 %.
В результате преобразования участка изменения массы ТГ, соответствующей процессу дегидратации в указанных выше температурных интервалах была получена зависимость превращения вещества а, мг/мг от температуры образца Т, К (рисунок 5.13). Степень превращения вещества вычисляли по отношению текущего изменения массы Ami на момент времени г к общему изменению массы Лттах.
Зависимости a=f(T) имеют характерный S-образный вид, отражающий процессы, происходящие при дегидратации образцов и высвобождения фракций влаги, различающихся энергией связи на различных этапах термического воздействия.
Интервалы степени превращения Аа, соответствующей первой (свободной), второй (механически связанной) и третьей (химически связанной) ступени удаления влаги, представлены в таблице 5.17.
По зависимости- ; 077) идентифицировали три фазы дегидратации образцов, соответствующие высвобождению влаги различных форм и энергий связи. 1 фаза процесса - участки А В - нагрев и удаление свободной влаги, 2 фаза - участки В-С,- - удаление адсорбционно и осмотически-связанной влаги, частичное разложение продукта, 3 фаза процесса дегидратации - участки СD, - разложение продукта, выделение газообразных продуктов термического разложения и удаление физико-химически связанной влаги (рисунок 5.14, таблица 5.16). Аппроксимация полученных кривых позволяет получить трехлинейные сплайны. Выделенные участки свидетельствуют о ступенчатом удалении влаги, в соответствии с формами ее связи с биополимерами экспериментальных образцов.
Нагрев образцов и удаление свободной влаги, находящейся в ячейках казеин-полисахаридных гелей происходит в диапазоне температур 295-303 К. На участках АВ –АзВзпри температуре 303-349К происходит разрушение связей типа «вода-вода», количество удаляемой влаги составляет 14,72 %, 12,25 %, 11,37 % в образцах № 1, 2, 3 соответственно. Участки ВС –ВgС располагаются в диапазоне температур 334-386 К и соответствуют удалению механически связанной (адсорбционной) влаги, массовая доля удаляемой влаги составила 65,76 %, 63,91 %, 60,25 % для исследуемых образцов № 1, 2, 3 соответственно. Сопоставление участков СiDi–С3D3 опытных и контрольных образцов, располагающихся в температурном диапазоне 371-417 К, свидетельствует о возрастании доли физико-химически связанной влаги. Сравнение характеристик данных температурных интервалов позволяет констатировать возрастание доли химически связанной влаги в опытных образцах в процессе хранения, по сравнению с исходными значениями, что подтверждает наличие экзополисахаридной активности исследуемых консорциумов пробиотических микроорганизмов при температуре 4-6оС.
Исследование микробиологических показателей и их изменений в процессе хранения - важнейшая характеристика потребительских свойств новых продуктов, обладающих про- и пребиотическими свойствами.
В ходе исследования определяли количественное содержание микроорганизмов в соответствии с требованиями ТРТС 021/2011. Экспериментальные исследования показали, что все продукты обладали в течение 24 суток стабильными микробиологическими показателями (таблица 5.18, рисунок 5.15) при незначительном росте титруемой кислотности.