Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1 Состав кефирных грибков 9
1.1.1 Биологические особенности и разнообразие кефирных грибков 9
1.1.2 Микробиологический состав кефирных грибков 24
1.1.3 Химический состав кефирных грибков 34
1.2 Особенности влияния условий культивирования на увеличение биомассы кефирных грибков 37
1.3 Характеристика молочной сыворотки как сырья для вторичной переработки 40
1.4 Заключение по обзору литературы 49
1.5 Цели и задачи исследований 50
Глава 2. Объекты и методы исследований 51
2.1 Объекты исследований и планирование эксперимента 51
2.2 Методы исследования 53
2.2.1 Метод ионообменной хроматографии 53
2.2.2 Рентено-флуоресцентный метод 53
2.2.3 Статистический метод планирования экстремальных экспериментов 53
Глава 3. Обоснование разработки наращивания биомассы кефирных грибков на молочной сыворотке 65
3.1 Культивирование кефирных грибков на молочной сыворотке с использованием солодового экстракта 67
3.2 Культивирование кефирных грибков на молочной сыворотке с использованием спиртовой барды 70
3.3 Культивирование кефирных грибков на молочной сыворотке с использованием мелассы 72
3.4 Культивирование кефирных грибков на молочной сыворотке с минеральными добавками 74
Глава 4. Разработка рецептуры рассольного сыра с использованием биомассы кефирных грибков 79
Выводы 103
Список используемой литературы 104
Приложение 120
- Микробиологический состав кефирных грибков
- Характеристика молочной сыворотки как сырья для вторичной переработки
- Культивирование кефирных грибков на молочной сыворотке с минеральными добавками
- Разработка рецептуры рассольного сыра с использованием биомассы кефирных грибков
Введение к работе
Актуальность работы. Получение белковых концентратов микробиологического происхождения, а также использование их в качестве компонентов при производстве молочных продуктов позволяет увеличить пищевую и биологическую ценность последних за счет присутствия незаменимых аминокислот. Более 60 % всех производимых промышленностью чистых препаратов аминокислот получают путем микробиологического синтеза.
При производстве творога, сыра, казеина образуется молочная сыворотка, представляющая собой ценное вторичное сырьё.
При получении ряда кисломолочных продуктов используются кефирные грибки (естественный симбиоз микроорганизмов), способные синтезировать и накапливать незаменимые аминокислоты в процессе культивирования. Рациональное использование молочной сыворотки в качестве основы питательной среды для культивирования биомассы кефирных грибков (БКГ), благоприятно оказывает влияние на рост биомассы, способствует биосинтезу аминокислот, что является актуальной задачей на пути создания биологически активной добавки для обогащения пищевых продуктов.
Кефирные грибки являются одной из наиболее востребованных заквасок при производстве кисломолочных напитков и приготовлении молочных продуктов детского питания и естественным отходом производства, поэтому изыскание путей рационального использования БКГ представляется актуальной задачей.
Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР кафедры технологии пищевых производств и парфюмерно-косметических продуктов Самарского государственного технического университета «Разработка технологий и рецептур продуктов с повышенной биологической ценностью».
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы являлось обоснование использования биомассы кефирных грибков в технологии рассольного сыра повышенной биологической ценности.
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
разработать модельную среду для культивирования кефирных грибков на основе молочной сыворотки;
определить оптимальные технологические параметры культивирования кефирных грибков для максимального прироста биомассы;
определить с помощью ротатабельного метода планирования эксперимента оптимальную массовую дозу гомогенизата БКГ в рецептуру рассольного сыра.
оценить с позиции нутрициологии внесение гомогенизата БКГ для создания оптимального аминокислотного состава рассольного сыра;
исследовать физико-химические и органолептические показатели качества и показатели безопасности рассольного сыра с использованием гомогенизата БКГ при хранении, обосновать сроки годности;
разработать проект ТД на производство рассольного сыра с добавкой БКГ и провести промышленную апробацию разработанной технологии.
Научная новизна. Разработана модельная среда для культивирования БКГ с использованием молочной сыворотки и комплекса минеральных солей. Установлено, что максимальный прирост БКГ наблюдается при соотношении кефирные грибки - питательная среда -1:13. Обосновано и экспериментально подтверждено использование гомогенизата БКГ в качестве ингредиента при производстве рассольного сыра. Разработана комплексная технология производства БКГ и рассольного сыра.
Новизна исследований подтверждена патентом Российской Федерации №2373714 от 27.11.2009 г.
Практическая значимость. Разработан проект ТД (ТУ и ТИ 922069-001-02068396-08 «Сыр рассольный с добавкой биомассы кефирных грибков»). Проведена промышленная апробация разработанной технологии получения гомогенизата БКГ и технологии производства рассольного сыра в условиях предприятия ООО «Красноярское молоко» (пос. Красный яр, Самарской области) и подтверждена возможность ее практической реализации для массового производства.
Положения, выносимые на защиту:
обоснование выбора модельной среды для культивирования БКГ;
обоснование использования гомогенизата БКГ для получения рассольного сыра с повышенной биологической ценностью;
оптимизация количества вводимого в рецептуру гомогенизата БКГ с целью получения рассольного сыра с повышенной биологической ценностью.
Апробация работы. Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (Москва, 2008), III Всероссийской научно-практической конференции «Процессы, технологии, оборудование и опыт переработки отходов и вторичного сырья» (Самара, 2008), I Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2008), V Международной юбилейной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2008), XIII Международной конференции «Экология для нас и будущих поколений» (Самара, 2008), II Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2008), II Всероссийской научно-практической конференции «Коршуновские чтения» (Тольятти, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Современные сервисные технологии» (Самара, 2008), Всероссийской научной конференции с международным участием «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Самара, 2009), IV Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии» (Самара, 2010).
Опытные образцы рассольного сыра с использованием гомогенизата БКГ удостоены медали конкурса молодых ученых в рамках конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (г. Москва, 11-13 марта 2008 г.), дипломом Всероссийской выставки научно-технического творчества
молодёжи «НТТМ-2010» (г. Москва, 29 июня - 2 июля 2010 г.), золотой медалью IV Международной биотехнологической выставке-ярмарке «РосБиоТех-2010» (Москва, 9-11 ноября 2010 г.), медалью Международного фонда биотехнологии им. академика И.Н. Блохиной (Москва, 10 ноября 2010 г.), дипломом 66-ой Международной технической ярмарке «International Technical Fair 2010» (Болгария, Пловдив, 20-23 ноября 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 24 печатные работы, в том числе 7 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен 1 патент РФ на изобретение № 2373714 от 27.11.2009 г.
Структура и объем диссертации. Работы изложена на 104 страницах основного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 30 таблиц, 21 рисунков. 176 литературных источников, в т.ч. 64 источника зарубежных авторов.
Микробиологический состав кефирных грибков
Основу симбиоза кефирных грибков составляют палочка стромы и дрожжи [49, 60, 93, 134, 136, 157].
В кефирных грибках обнаружены дрожжи, сбраживающие и не сбраживающие лактозу [93, 34, 53, 125, 136, 159]. Riviera М. считал, что для образования полисахарида в кефирных грибках количество дрожжей.в 1 г должно присутствовать не менее 1-Ю8 КОЕ [158]. По другим данным в 1 г кефирных грибков содержится (7,3-44,0)-105 дрожжей [135]. По мнению V. Engel для получения типичного кефирного вкуса в продукте кефирные грибки в 1 г должны содержать не менее 105 клеток лактозосбраживающих дрожжей [126].
Состав кефирных грибков может быть разным в зависимости от местности их происхождения, условий и метода культивирования гранул, использованных методов и субстратов. Между микроорганизмами, входящими в состав кефирных грибков существуют симбиотические отношения. Доказано, что ряд определённых видов микроорганизмов постоянно присутствуют в симбиоз кефирных грибков, в свою очередь имеются виды присутствие которых обусловлено происхождением грибков, методом их культивирования и добавляемых субстратов [154]. Бактерии представлены видами Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus brevis, Lactobacillus casei, Lactobacillus fermentum, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus kefiri, Lactobacillus parakefiri, Lactococcus lactis и Leuconostoc mesenteroides [115, 122, 127, 137, 145, 153, 166, 172]. К дрожжам, выделенным из кефирных грибков, относятся Kluyveromyces marxianus, Torula kefir, Saccharomyces exiguus и Candida lambica [115, 128, 141, 153, 172, 173, 174]. Присутствуют уксуснокислые бактерии видов Acetobacter aceti и А. rasens, кроме того, выделен из кефирных грибков мицелиальный гриб, Geotrichum candidum [153, 160].
Сухие кефирные грибки активируют в соотношении их массы к массе питательной среды 1:30 или 1:50 по массе.
С каждым из очищенных изолятов проводились тесты на каталазу и оксидазу, окрашивание по методу Грама, сравнивались характеристики колоний. Микроорганизмы, которые показывали различные характеристики по морфологии колоний и клеток или по каталазе, оксидазе или окрашиванию по методу Грама, были далее идентифицированы. Лактобактерии были идентифицированы при помощи системы биохимических тестов API 50 CHL представляющих собой биохимический ряд: планшету, в лунки которой внесены ферментативные субстраты и сахара (а также другие утилизируемые субстраты). Суспензия идентифицируемого организма на основе дистиллированной воды, физиологического раствора или минимальной среды вносится в лунки стрипа. Учет результата производится через 18 — 24 часа по изменению цвета индикатора. Принадлежность микроорганизмов к той или иной группе осуществляется по полученному биохимическому профилю с помощью индекса профилей вручную. Дрожжи идентифицировали при помощи аналогичной системы Rapid ID 32С.
Многие процедуры чашечного метода подсчета микроорганизмов являются лишь частично селективными или не позволяют выявить часть микробного сообщества. Чтобы охватить более широкий спектр проявляющей активность микрофлоры, использовали семь различных питательных сред, имеющих цифровые характеристики.
Количество микроорганизмов выделенных из кефирных грибков после 10,20, 15 и 30 сут производства кефира представлены в табл. 4.
После 20, 25 и 30 дней производства традиционного кефира получались более высокие результаты по питательным средам, используемым для выбора LAB (MRS, КСА + ТТС, КСА + V) и для ААВ (АРМ), чем от питательных сред, используемых для выбора бактерий, пользующихся молочнокислой питательной средой (YELN), и для выбора дрожжей (МЕА, YEC)[146, 167].
Количество микроорганизмов, полученных по средам MRS и АРМ после 10 дней массовой культивации кефирных грибков, оказались ниже, чем в грибках активированных в течение 3 дней: Однако по средам YEC и КСА + V величины КОЕ были выше после массовой культивации, чем после 3-дневной активации грибков.
Важно отметить, что добавление экстракта дрожжей и мочевины, а также стрессовые условия окружающей среды в ходе массовой культивации грибков могут воздействовать на структуру популяции и привести к изменениям в количественном соотношении микроорганизмов. Результат культивирования кефирных грибков по всем питательным средам, за исключением КСА + V, ухудшился после традиционного производства кефира в течение 3 дней. Такое уменьшение со временем (3 дня активации, затем 10 дней массовой культивации, затем 30 дней производства кефира) позволяет предположить, что чем дольше кефирные грибки используются для производства кефира, тем ниже могут быть микробные уровни. Возможно, что на раннем этапе производства кефира оптимальная комбинация микроорганизмов еще не сформировалась. Также можно предположить, что видовое разнообразие микроорганизмов, входящих в, симбиоз кефирных грибков, медленно изменяется естественным путем по мере продолжительности культивирования и регенерации [113, 139].
Видовой состав микроорганизмов, присутствующих в производимых в местных условиях кефирных гранулах после 3, 20, 25 и 30 дней активации представлен в табл. 5. Высокие показатели по микроорганизмам (2,2 106 2,6 10 ) наблюдались по среде АРМ, селективной для лактококков. Однако никакие микроорганизмы не были ни изолированы, ни идентифицированы. Пинтадо и др. таюке не нашли никаких лактококков в изучаемых ими кефирных грибках, поэтому было высказано предположение, что лактококки являются несущественными загрязнителями кефира [132, 140].
Селективность используемых для изоляции лактобактерий питательных сред (MRS, КСА + ТТС и КСА + V) была признана не такой определенной, как ожидалось, поскольку определенные виды этих бактерий были изолированы более чем из одной среды.
Например, Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris присутствовали в изолятах сред MRS, КСА + ТТС и КСА + V, в то время как Lactococcus lactis subsp. lactis 2 изолирован как от сред КСА + ТТС, так и КСА + V. Cryptococcus humicolus присутствовали в обеих селективных для дрожжей средах, (МЕА и YEC), а также в питательной среде для пропионовокислых бактерий (YELN). Дальнейшая идентификация с помощью API 50 CHL, системы типичных колоний на отборной питательной среде, Ра1-Р для пропионовокислых бактерий определила, что это изоляты Lactobacillus delbmeckii subsp. delbrueckii, а не пропионовокислых бактерий.
Дрожжи не были изолированы от каких-либо кефирных грибков, которые активизировались в течение 3 дней. В исследованиях японских ученых [166] сообщалось, что дрожжи в грибках могут присутствовать в небольшом количестве или совсем отсутствовать. Возможно, что дрожжи не вводились в кефирные грибки на этом раннем этапе (активация), а если и присутствовали, то в слишком маленьких концентрациях, чтобы быть изолированными с помощью процедур чашечного метода в сочетании с дисковым методом Хэррисона для селекции колоний.
В формировании уникальной микробной популяции кефирных грибков играют важную роль многие факторы, включая их происхождение и условия содержания, тип используемого молока и метод производства кефира. На питательных средах, используемых для изолирования микроорганизмов, наблюдался первоначальный рост определенных колоний, но эти колонии не росли, когда их отделяли для получения чистых культур. Возможно, что они, несмотря на их присутствие в грибках, нежизнеспособны за пределами довольно сложной окружающей среды кефирных грибков.
Микроорганизмы, идентифицированные после 10 дней культивации грибков, а также присутствовавшие после 30 дней производства кефира, предвтавлены в табл. 6.
Характеристика молочной сыворотки как сырья для вторичной переработки
Переработка молока в разнообразные молочно-белковые концентраты (сыр, творог, казеин, копреципитаты) неизбежно связана с получением в качестве побочного продукта различных видов сыворотки.
Мировая практика и успешные исследования, проводимые в России, Германии, Японии и др. странах за последние 10 лет, указывают на перспективность применения молочной сыворотки и продуктов ее переработки в сельскохозяйственном производстве [38, 77, 84].
Значительные объемы переработки молока на белково-жировые концентраты обусловливают необходимость рационального использования получаемой молочной сыворотки. Молочная сыворотка является довольно распространенным и дешевым видом сырья, обладающим пищевой и биологической ценностью, имеет специфический химический состав (рис. 1), физико-химические и структурно-механические свойства.
Биологическая ценность молочной сыворотки обусловлена углеводами, белковыми веществами, витаминами, ферментами, гормонами, органическими кислотами, макро- и микроэлементами, которые переходят в молочную сыворотку из молока в процессе производства молочных продуктов.
Минеральный состав молочной сыворотки представлен в табл. 8.
Содержание витаминов в сыворотке колеблется и при хранении снижается. Однако, в целом молочная сыворотка по набору и абсолютному содержанию витаминов является биологически полноценным продуктом.
Из органических кислот в сыворотке обнаружены молочная, лимонная, летучие жирные кислоты (ЛЖК): уксусная, муравьиная, масляная. Содержание ЛЖК в творожной сыворотке больше, чем в подсырной, что объясняется гидролизом жира в процессе образования творожного сгустка. Содержание молочной кислоты в творожной сыворотке составляет: свободной - 0,14%; связанной - 0,94% [97]. В сыворотке обнаружены ферменты типа гидролаз, фосфорилаз, ферменты расщепления [43,59].
В состав аминокислот молочной сыворотки входят аминокислоты белковых веществ и свободные аминокислоты. Аминокислотный состав сыворотки представлен в табл. 10.
Проанализировав отечественные и зарубежные достижения [28] можно утверждать, что в целом проблема рационального использования молочной сыворотки не решена полностью. Сыворотка содержит около 50% сухих веществ молока и потери ее ведут к непроизводительным затратам труда и средств в сельском хозяйстве.
Известны различные методы переработки молочной сыворотки [2, 36], однако, наиболее перспективными являются методы микробной биотехнологии. Значительная доля биотехнологических продуктов находит применение в животноводстве, растениеводстве и . пищевой промышленности. В рамках общей биотехнологии производимых продуктов наибольший удельный вес занимает микробная биотехнология, основанная на использовании микроорганизмов в свободном или иммобилизированном состоянии.
Наличие в молочной сыворотке легкоусвояемых многими видами микроорганизмов источников углеродного питания, а также различных ростовых факторов выдвигает ее в ряд наиболее ценных питательных сред для получения продуктов микробного синтеза. Немаловажное значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальных сложных подготовок, а культуральная среда после выращивания в ней микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без дополнительной обработки. В настоящее время известно около 100 различных продуктов из сыворотки, в основу получения которых положена микробная биотехнология.
Имеются сведения о возможности применения в качестве питательной среды молочной сыворотки в сыром и пастеризованном виде [3, 4, 6-8]. Прирост биомассы с ее использованием может составить 30% и более [73].
Использование сыворотки в качестве питательной среды является не случайным, поскольку при производстве творога и сыра в сыворотку переходит от 20 до 25% белка, от 9 до 14% жира, от 88 до 94% лактозы и от 60 до 65% минеральных веществ. В среднем сыворотка содержит до 50% сухих веществ молока. Средний состав различных видов молочной сыворотки представлен в табл. 12. [38, 97].
Белковые вещества в сыворотке представлены в основном альбуминами, содержание которых составляет 90% от общего количества белков. Входят также остатки а-казеина, у-лактоальбумина и ферменты [88].
По содержанию азотистых фракций подсырная и творожная сыворотка близки между собой (табл. 13).
Углеводы в сыворотке составляют около 90% и представлены главным образом дисахаридом - лактозой. Содержание глюкозы и галактозы не превышает 1,6%. Частичная или полная утилизация лактозы при культивировании различных микроорганизмов дала основание предположить, что молочный . сахар является основным питательным компонентом для кефирных грибков.
Установлено, что молочнокислые бактерии при развитии в сыворотке сбраживают не более 1,5% лактозы [38]. Некоторые штаммы дрожжей, культивируемые на сыворотке при сильной аэрации, могут израсходовать до 100% лактозы [17, 61]. Однако, при совместном культивировании дрожжей и молочнокислых бактерий в течение 120 часов количество лактозы в сыворотке снижается на 2% [61]. В результате действия кефирной закваски содержание лактозы в кефире составляет 3,8-4,1% [88].
Надо отметить, что по имеющимся литературным источникам сложно судить за счет каких веществ молочной сыворотки растут грибки. Главным источником питания грибков Schulz М. считал лактозу [161]. По его данным за 24 ч наращивания кефирных грибков на сыворотке лактоза полностью расходуется. Более поздние исследования по утилизации лактозы кефирными грибками противоречивы: по одним источникам наблюдается полное или почти полное использование лактозы [73], а по другим - не более 1,5% [38, 75]. Данные по использованию азотистых веществ для роста кефирных грибков в литературе отсутствуют.
Важным фактором прироста биомассы является выбор соотношения кефирных грибков к питательной среде.
При выборе количества стартовой микробной культуры в питательной среде, как правило, пользуются понятием % к питательной среде или г/дм среды [38, 56, 81]. В случае наращивания кефирных грибков количество стартовой культуры определяют по соотношению массы кефирных грибков к питательной среде (молоко, молочная сыворотка) [13, 131, 161].
Культивируя кефирные грибки в молоке для производства кефира, соотношение их массы к массе питательной среды поддерживают 1:30-1:50 [13]. Наращивание биомассы кефирных грибков на сыворотке проводили при соотношении их к среде 1:10 и 1:50 [73, 131, 161]. Отмечено, что наибольший выход биомассы кефирных грибков наблюдался при соотношении их к сыворотке 1:50 [73]. В тоже время нет исследований по наращиванию биомассы кефирных грибков на сыворотке в других соотношениях.
В известных нам работах длительность наращивания биомассы кефирных грибков на сыворотке была принята по аналогии с длительностью процесса культивирования их в молоке и составляла 24 ч [13, 35, 73, 131].
В исследованиях Schulz М. [161] кефирные грибки, предназначенные для наращивания на сыворотке, должны быть плотными и упругими. Мелкие грибки по его данным почти не размножались. При микроскопическом анализе в плохо растущих грибках преобладали короткие палочки при небольшом количестве дрожжей. Грибки с хорошей способностью роста имели много длинных палочек и дрожжей. По данным Н.С. Королевой [49] активнее и лучше растут мелкие кефирные грибки, т.к. общая поверхность соприкосновения таких грибков с питательной средой большая, а значит и лучше потребление питательных веществ из среды. В случае использования в качестве питательной среды молочной сыворотки [38, 74] кефирные грибки, измельченные до 2-5 мм, имели прирост выше в 1,5 раза, чем обычные грибки. Однако, более высокая степень измельчения грибков приводит к снижению роста, что по-видимому связано с большим травмированием их и снижением активности.
Культивирование кефирных грибков на молочной сыворотке с минеральными добавками
Руководствуясь данными о том, что использование Сахаров из отходов переработки растительного сырья не приносит ощутимого эффекта на рост биомассы кефирных грибков, нами проведен ряд экспериментов по культивированию биомассы кефирных грибков на молочной сыворотке с добавлением минеральных солей с целью увеличения прироста грибков и накапливанию в их составе ценных веществ (незаменимых аминокислот, витаминов), а также поддержания рН-среды на оптимальном уровне в пределах 5,5-7,0.
Основной целью введения в разрабатываемую среду солей аммония и карбамида, является микробиологический синтез белка. Введение данной группы минеральных веществ в молочной сыворотки служит для культивирования БКГ используемых в качестве основного источника энергии лактозы среды трансформирующейся в белок микробной клетки. Соли фосфора используются, как элемент питания, а также участвуют в энергетическом и конструктивном обмене микроорганизмов.
Эксперименты ПО культивированию кефирных грибков осуществляли на основе молочной сыворотки. В качестве компонентов питания использовали карбамид и минеральные соли: сульфат аммония, фосфат калия и фосфат аммония. Концентрация солей устанавливалась с учетом восполнения минеральных компонентов до уровня содержания их в нормализованном молоке: Для изучения прироста БКГ (рис. 12) исследовалось соотношение кефирных грибков к молочной сыворотке с добавлением комплекса минеральных солей (модельная среда). Концентрация солей в полученной модельной среде составляет 0,5 % сульфата аммония; 0,25 % карбамида; 0,2 % фосфата аммония и 0,2 % фосфата калия. Минеральная добавка использовалась в виде 40 %-го раствора приготовленного на дистиллированной воде.
В результате проведённых исследований при нормальных условиях максимальный пророст БКГ наблюдался через 24 ч и составил 50 % при рН-среды равным 5,5-7,0 и периодическом перемешивании и раскислении 25 %-ным раствором гидроксидом аммония. Наилучшие результаты культивирования достигаются при соотношении кефирные грибки -модельная среда 1:13. Из полученной динамики роста БКГ видно, что включение в молочную сыворотку комплекса минеральных добавок позволяет существенно увеличить биосинтез белка по сравнению с добавлением солодового экстракта, спиртовой барды и мелассы.
На основе полученных данных по определению оптимального соотношения прироста БКГ нами проведена серия экспериментов по подбору оптимального температурного режима культивирования (рис. 13).
Проведенные исследования по подбору условий для максимального прироста биомассы кефирных грибков позволили определить оптимальные параметры культивирования БКГ на молочной сыворотке с добавлением комплекса минеральных солей:
соотношение кефирные грибки модельная среда- 1:13,
время культивирования при температуре 33—»22±2 С в течение 24 ч.
рН-среды = 5,5 - 7,0 и периодическом раскислении 25 %-ным раствором гидроксида аммония.
Выход биомассы при оптимальных условиях культивирования в присутствии добавок минеральных солей за 24 ч составляет 46,7 - 50 %.
С целью дальнейшего использования полученной БКГ в качестве биологически активной добавки необходимо было убедиться в отсутствии в БКГ примесей минеральных солей, используемых при культивировании.
В качестве контрольного образца использовалась биомасса кефирных грибков, выращенная по стандартной методике согласно ОСТ 10-02-02-4-87 Анализ образцов проводился рентгено-флуоресцентным методом на анализаторе EDX800HS SCHTMADZU (рис. 14).
Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии солей в исследуемом образце биомассы кефирных грибков (рис. 14). По полученным результатам рентгено-флуоресцентного анализа с помощью расчёта объёма пиков было рассчитано содержание (в %) остаточных элементов минеральных солей в образцах и проведён их сравнительный анализ (рис. 15).
Анализ расчётов по содержанию калия, серы, фосфора и азота в образце существенно не превышают уровня данных элементов в контрольном образце при стандартной методике культивирования биомассы кефирных грибков, что позволяет судить о том, что разработанная модельная среда может быть использована в промышленной биотехнологии с целью получения биологически ценной добавкой для пищевой промышленности.
Полученные результаты прироста биомассы кефирных грибков на молочной сыворотке с использование комплексной минеральной добавки подтверждено патентом РФ № 2373714 от 27.11.2009 г.
Разработка рецептуры рассольного сыра с использованием биомассы кефирных грибков
В процессе наращивания, кефирные грибки синтезируют и накапливают в своем составе большое количество различных соединений, поэтому, на наш взгляд, БКГ представляет интерес в качестве ингредиента при производстве новых продуктов питания с целью увеличения их биологической ценности.
Наиболее реальным на наш взгляд является применение их в рецептурах рассольного сыра.
Нами разработаны рецептуры получения рассольного сыра на основе биомассы кефирных грибков, выращенных на молочной сыворотке с минеральными добавками методом ротатабельного планирования эксперимента с целью оптимизации аминокислотного состава готового продукта (табл. 18).
С целью оптимизации технологии производства рассольного сыра была реализована экспериментальная программа, состоящая из двух этапов, в основу программы положена теория планирования эксперимента [1,3, 64] и некоторые элементы методологии эволюционного планирования (ЭВОП), разработанной Боксом [97, 116]. Совместное рассмотрение обоих направлений позволяет с учетом специфики проводимых исследований предложить подход, который условно назовем аппроксимационно-оптимизационным (АОП). В основе АОП лежат следующие положения:
1) общая экспериментальная программа разбивается на несколько этапов (в нашем случае два этапа), каждый из которых состоит из определенного числа целенаправленно используемых планируемых экспериментов;
2) выбирается основной исследуемый параметр оптимизации (основной параметр оптимизации, ОСПО), который в дальнейшем используется в процедурах аппроксимации и экстремального анализа экспериментальных результатов (в данной работе это максимально значимая органолептическая оценка качества произведенного рассольного сыра или кратко «дегустационная оценка» для каждого отдельного планируемого эксперимента); 3) выбирается параметрически варьируемый фактор (основной фактор параметр, ФП), с позиций ЭВОП его можно отнести к факторам возмущениям (в работе в качестве указанного фактора выбрана добавка биомассы кефирных грибков в процентах, хв %);
4) последовательное проведение и комбинирование планируемых экспериментов на каждом из этапов экспериментальной программы сопровождается построением методом наименьших квадратов аппроксимирующих аналитических моделей полиномоидального типа для ОСПО в зависимости от ФП с последующим их исследованием на экстремум;
5) при выявлении экстремума (или фиксируемых наибольших (наименьших) значений ОСПО) проводится: контрольный планируемый эксперимент (эксперименты) для подтверждения полученных аппроксимационно-оптимизационных выводов.
Проблема состоит в том, что в условиях реального производства достаточно часто допускаются лишь незначительные изменения режимов (варьируемых технологических факторов), в то время как ошибки измерения целевых (выходных) величин могут быть достаточно значительными. Существенной особенностью и преимуществом ЭВОП-метода является возможность надежного выявления достаточно малых изменений полезного сигнала на фоне шума, это достигается повторением опытов плана эксперимента несколько раз. Указанная проблема при АОП решается надлежащим выбором ОСПО и фактора-возмущения, выявлением их надежных аппроксимационных связей, параметрическим характером воздействия фактора-возмущения на все итоговые результаты, что уменьшает ошибки измерения целевых величин ОСПО, особенно при выполнении различных схем дегустационных оценок.
В качестве планов эксперимента на первом этапе исследования при использовании АОП применялись центральные композиционные ротатабельные униформ-планы второго порядка, которые реализовывались последовательно для каждого заранее выбранного дискретного значения ФП = os = {0; 10; 14; 18; 20%} из его установленного интервала изменения. Наиболее наглядно и удобно пользоваться этим методом, когда одновременно варьируются две или три переменные, один ФП и один основной параметр оптимизации (утдХ или утт), экстремальное значение которого согласно имеющейся предварительной информации находится в интервале изменения хв. Для каждого единичного планируемого эксперимента обоих этапов были выбраны факторы: х1 - закваска, г;х2 - температура, С; х, - время, мин (сек). Установленные условия экспериментов приведены в табл. 19.
Матрица планирования экспериментов в кодовом и натуральном масштабах, а также результаты опытов для одного фиксированного значения ФП (л:в=0%), приведена в табл. 20, рандомизация опытов произведена по таблице случайных чисел. Остальные экспериментальные данные по дегустационной оценке рассольного сыра приведены в табл. 21.
В данной работе использовано лишь одно из важных направлений теории эксперимента — последовательное планирование экстремальных экспериментов с последующим построением аппроксимационно оптимизационных моделей полиномиального типа для выбранного основного параметра оптимизации.
Как следует из анализа экспериментальных результатов, полученных математических регрессионных моделей, а также построенных на их основе канонических зависимостей, метод математического планирования эксперимента, лежащий в основе их получения, весьма эффективен, особенно при решении рецептурно-технологических задач оптимизации.
1 Для выработки рассольного сыра (брынза) использовали молоко коровье (м.д.ж. 3,5 %)(ГОСТ Р 52054-2005) и обезжиренного молока по ГОСТ Р 53503-2009. Рассольные сыры отличаются от других видов сыров тем, что они созревают и хранятся в солевом рассоле (16-20 %). Благодаря этому сыры приобретают солоноватый вкус (соли 4-8 %). Значительное содержание соли в сырах уплотняет консистенцию, делает ее грубоватой, ломкой.
В процессе выработке рассольного сыра с целью нормальной свертываемости и улучшения свойств сычужного сгустка в смесь вносился хлористый кальций, а для предотвращения раннего вспучивания в молоко нитрит калия.
Полученный рассольный сыр имеет цилиндрическую форму, вес одного образца составляет от 0,3 до 0,5 кг. Содержание жира в сухом веществе составляет не менее 45 %, влажность не более 50 %, соли 2-4 % (согласно ГОСТ Р 53421-2009). Для созревания сыра требуется не менее месяцев. Корки сыр не имеет. На поверхности сыра допускается легкая слоистость. Вкус и запах кисломолочный со специфическим привкусом сыра.
Консистенция - тесто плотное, слоистое. Цвет теста от белого до слабо желтого. На срезе сыр не имеет рисунка - сплошная масса без глазков или с небольшим количеством щелевидных пустот.
В результате обобщения результатов математической обработки с применением статистических приемов подбора рецептуры нового рассольного сыра, а также руководствуясь нормативной документацией на данный вид сыров, нами рассчитаны нормы основных компонентов при выработке нового рассольного сыра (брынзы), приведенные в табл. 25
На первом этапе технологического процесса (приложение 12) получения сыра исходное молоко, поступающее на предприятие, самовсасывающим насосом 1 через фильтр 2, воздухоотделитель 3 и счётчик 4 в промежуточный танк 8. Затем, на весы 5, а из приёмной ванны 6 центробежным насосом 7 в промежуточный танк 8.
Необходимое количество цельного молока направляют на созревание после его пастеризации.
Для созревания пастеризованное молока его из танка 8 насосом направляют в уравнительный бачок 12, откуда насосом 7, падают в регенеративную секцию пластинчатого теплообменника 13 для нагревания, подогретое молоко поступает в сепаратор-нормализатор 14 для нормализации молока по жиру, затем молоко поступает в секцию пастеризации и, наконец, в секцию охлаждения.
