Барьерные технологии в обеспечении качества и безопасности молока при хранении

Введение. Молоко и молочные продукты занимают особое место в структуре питания населения, являясь важным источником полноценного белка, кальция, витаминов и других биологически активных веществ. Однако высокая пищевая ценность и благоприятная среда для развития микроорганизмов делают продукт благоприятной средой для развития различных групп микроорганизмов, что обуславливает повышенный риск его микробиологической порчи [1]. По данным Роспотребнадзора, до 30% всех пищевых отравлений связаны с потреблением молочных продуктов ненадлежащего качества [2].

В современных условиях одной из ключевых задач молочной промышленности является увеличение сроков годности продукции при сохранении ее потребительских свойств и безопасности. Необходим поиск наряду с традиционными методами обработки (пастеризация, ультрапастеризация, сушка, охлаждение и др.) новых высокотехнологичных приемов, основанных на барьерных технологиях позволяющих проявлять бактериостатическое и/или бактерицидное действие к молочной микрофлоре. Высокие температуры могут приводить к денатурации белков, разрушению витаминов и изменению органолептических свойств продукта порчи, а, следовательно, снижать пищевую и биологическую ценность продукта [3]. Химические консерванты, несмотря на свою эффективность, все чаще подвергаются критике со стороны потребителей, предпочитающих «чистую этикетку» [4].

В связи с этим, разработка и внедрение инновационных методов хранения, в частности технологий «активной упаковки» (active packaging), обладающей собственными бактерицидными свойствами, является одним из наиболее перспективных направлений в пищевой индустрии [5]. Такая упаковка не просто защищает продукт от внешних воздействий, но и активно взаимодействует с ним, подавляя рост патогенной микрофлоры.

Особый интерес представляет использование наночастиц ионов серебра и цинка в составе полимерных упаковочных материалов [6]. Серебро известно своими выраженными антимикробными свойствами, а цинк обладает способностью усиливать действие серебра и расширять спектр антимикробной активности. Механизм действия таких химических элементов основан на способности ионов металлов проникать через клеточную мембрану микроорганизмов, нарушать их метаболизм и блокировать размножение. Использование такого рода консервирующих веществ и других антимикробных добавок в составе упаковочных материалов является альтернативным методом ингибирующего воздействия на микроорганизмы молока (Родионов Г.В., 2021) [7]. Обязательным при этом являются безопасность и экологичность такой упаковки, то есть потребитель должен иметь гарантию, что при включении в рацион питания продуктов, упакованных в полимерные пленки с консервирующими веществами, их миграция в молоко и молочную продукцию будет минимальна и не будет наносить вреда здоровью человека [8]. Кроме того, в условиях ужесточения требований к охране окружающей среды и реализации принципов экономики замкнутого цикла, разработка биоразлагаемых упаковочных материалов приобретает особую значимость.

Таким образом, применение наночастиц ионов серебра (Ag) и цинка (Zn) в составе полимерных биоразлагаемых плёнок позволяет создать барьер, подавляющий рост патогенной микрофлоры и предотвращающий микробную контаминацию в продукт, что обуславливает высокую актуальность работы.

Цель исследований - изучение воздействия консервантов на основе ионов серебра и цинка в составе биополиэтиленовой упаковки на физикохимические и микробиологические показатели молока при различных температурах и сроках хранения. Данная технология позволяет разработать новые материалы для хранения молока, которые не только защищают продукт без снижения его качества в процессе хранения, но и позволяют минимизировать пищевые отходы за счет биоразлагаемых свойств [8]. Такой подход полностью соответствует современным трендам развития экологически ориентированного агропромышленного комплекса, в том числе технологиям органического производства [9].

Задачами исследования явилось: определить оптимальную концентрацию консерванта в упаковочной пленке для подавления развития микроорганизмов при температуре +10°C; изучить влияние активной упаковки на динамику роста молочнокислых бактерий; оценить эффективность различных концентраций консерванта при длительном хранении молока при температуре +4°C; сравнить физико-химические показатели молока при хранении в активной бактерицидной упаковке.

Условия, материалы и методы. Исследования проводились на кафедре частной зоотехнии РГАУ-МСХА имени К.А Тимирязева. При проведении экспериментальной части исследования для определения физико-химических показателей использовали анализатор качества молока «Лактан 1-4М». Микробиологический анализ образцов молока проводили в соответствии с ГОСТ 32901-2014 «Молоко и молочная продукция. Методы микробиологического анализа», для определения микробиологических показателей: КМАФАнМ, молочнокислые бактерии, колиформные бактерии (БГКП), условно-патогенные (S. Aureus) и патогенные микроорганизмы (в т.ч. сальмонелла), дрожжи и плесневые грибы, – использовали экспресс-анализ на тест-пластинах 3M^ТM Petrifilm^ТМ [10].

Результаты и обсуждение. Механизм антимикробного действия наночастиц серебра и цинка многогранен и включает несколько взаимосвязанных процессов [11]. Во-первых, ионы металлов обладают способностью связываться с тиоловыми группами ферментов микроорганизмов, что приводит к инактивации жизненно важных метаболических путей [12]. Во-вторых, наночастицы генерируют активные формы кислорода, вызывающие окислительный стресс в бактериальных клетках. В-третьих, происходит нарушение целостности клеточной мембраны, что ведет к утечке внутриклеточного содержимого и гибели клетки.

Особое значение имеет синергетический эффект при совместном использовании серебра и цинка. Исследования показывают, что цинк способен усиливать проницаемость бактериальной мембраны для ионов серебра, тем самым повышая общую антимикробную активность упаковочного материала. Кроме того, цинк обладает более широким спектром действия против грамотрицательных бактерий, которые традиционно более устойчивы к воздействию серебра [12].

При разработке активной упаковки для молока необходимо учитывать специфику продукта. Молоко представляет собой сложную коллоидную систему, содержащую белки, жиры, лактозу и минеральные вещества. Казеин и сывороточные белки могут связывать ионы металлов, что потенциально снижает их антимикробную активность. С другой стороны, молочный жир может защищать микроорганизмы от прямого контакта с активными компонентами упаковки. Поэтому выбор оптимальной концентрации консерванта требует тщательного экспериментального подбора.

Температурный режим хранения также играет критическую роль. При температуре +10°C и выше активно развиваются мезофильные микроорганизмы, включая молочнокислые бактерии, которые являются основными возбудителями скисания молока. При температуре +4°C рост большинства бактерий замедляется, однако психротрофные микроорганизмы сохраняют способность к размножению, что может приводить к порче продукта при длительном хранении. Известно, что физиологическая активность холодоустойчивых штаммов молочнокислых культур существенно варьирует в зависимости от условий среды и применяемых барьерных факторов [13].

В работе исследовали концентрации консерванта в упаковочной пленке 3%, 4% и 5% в пленке и их влияние на развитие микроорганизмов в молоке при его хранении от двух до семи суток при температурах +10°С и +4°С соответственно (табл.1 и табл.2).

Таблица 1 – Количество микроорганизмов (КМАФАнМ) в молоке при разных сроках хранения с различной концентрации консерванта в упаковочной пленке, t=+10°C, КОЕ/см3

Количество консерванта в пленке, %	Срок хранения, час
	0	12	24	36	48
0	2,1×105	5,9×105	6,6×106	9,8×106	1,5×107
3	2,1×105	2,2×105	2,3×106	4,8×106	5,8×106
4	2,1×105	2,3×105	7,4×105	9,8×105	4,0×106
5	2,1×105	2,0×105	8,9×105	1,0×106	6,2×106

Установлено, что через 48 часов хранения при температуре +10°С КМАФАнМ было меньше при хранении молока в упаковке с концентрацией консерванта в пленке 3% и 4% (5,8×106 КОЕ/см3 и 4,0×106 КОЕ/см3), в то время как в контрольном образце и в образце с концентрацией консерванта в плёнке 5% – 1,5×107 КОЕ/см3 и 6,2×106 КОЕ/см3 соответственно. Патогенные и условнопатогенные микроорганизмы обнаружены не были.

При температуре +10°C бактерицидная фаза молока длится до 24 часов, следовательно, в этот период численность бактерий не изменяется, либо изменяется незначительно ввиду активного действия естественных антибактериальных веществ молока (лизоцим, лактоферрин, иммуноглобулины) [14]. Молочнокислые бактерии практически не размножаются при температуре ниже +10°C, так как являются мезофильными организмами (рис. 1). Их количество при хранении молока в упаковке с концентрацией консерванта 3% и 5% составило 3,3×104 КОЕ/см3 и 2,0×104 КОЕ/см3. Сходные закономерности снижения численности чувствительных штаммов лактобактерий при воздействии ингибирующих агентов отмечены в работах по изучению динамики микрофлоры молочных сред [15].

Рисунок 1 – Влияние концентрации консерванта в пленке на количество молочнокислых бактерий через 48 часов t=+10°C, ×104 КОЕ/см3

Таким образом, концентрация консерванта в упаковочной пленке 3% является минимальной при высоком положительном эффекте для подавления развития микроорганизмов.

Важной задачей исследования являлось проанализировать сохранение безопасности молока в процессе хранении в упаковке с добавлением консервантов при более длительных сроках хранения при разных температурах (табл.2).

Таблица 2 – Количество микроорганизмов (КМАФАнМ) в молоке при длительном сроке хранения с различной концентрацией консерванта в упаковочной пленке, t=+4 °C, КОЕ/см3

Количество консерванта в пленке, %	Исходное молоко	1 сутки	3 сутки	5 сутки	7 сутки
0	1,2×105	2,6×105	6,5×105	8,1×105	1,2×106
3%	1,2×105	1,5×105	3,5×105	5,9×105	1,5×106
5%	1,2×105	1,55×105	8,2×105	5,0×105	1,0×106

На втором этапе исследований было установлено, что через 7 суток хранения при температуре +4°С показатель КМАФАнМ был меньше при хранении молока в упаковке с концентрацией консерванта 5% (1,0×106 КОЕ/см3), в то время как в контрольном образце и в образце с 3% консерванта в плёнке – 1,2×106 КОЕ/см3 и 1,5×106 КОЕ/см3 соответственно.

Патогенные и условно-патогенные микроорганизмы на протяжении 7 суток хранения обнаружены не были.

Молочнокислых бактерий при хранении молока в упаковке с концентрацией консерванта 3% насчитывалось 2,3×105 КОЕ/см3, с концентрацией консерванта 5% – 2,0×105 КОЕ/см3, в то время как в контрольном образце данный показатель был выше на 34,7% (рис.2).

Рисунок 2 – Влияние концентрации консерванта в пленке на динамику роста молочнокислых бактерий при длительном хранении, t=+4°C, ×104 КОЕ/см3

На основании исследований можно прийти к выводу, что при хранении молока на протяжении 7 суток при температуре +4ºС лучшими бактерицидными свойствами обладает плёнка с консервантом 5%.

Анализ динамики химического состава молока, хранящегося в упаковке с консервирующей добавкой, продемонстрировал, что при температуре +10°С существенных изменений физико-химических свойств продукта не выявлено вне зависимости от типа упаковки (табл. 3). Показатели титруемой кислотности, массовой доли жира, белка, лактозы и сухих веществ сохранялись на исходном уровне с учётом экспериментальной погрешности как в контрольном, так и в опытных образцах с модифицированной полимерной плёнкой в течение 48 часов [16]. Отдельно следует отметить стабильность содержания соматических клеток на протяжении всего эксперимента.

Важным аспектом является миграция активных компонентов из упаковки в продукт. Согласно Техническому регламенту Таможенного союза ТР ТС 005/2011 «О безопасности упаковки», миграция веществ из упаковочных материалов в пищевые продукты не должна превышать установленных норм. Для серебра допустимый уровень миграции составляет 0,1 мг/л, для цинка – 5,0

мг/л [17]. Проведенные предварительные исследования показали, что при использовании концентраций консерванта 3-5% в пленке уровень миграции не превышает установленных нормативов.

Таблица 3 – Физико-химические показатели молока при хранении с различной концентрацией консерванта в упаковочной пленке

Показатель	Контроль	Контроль в обычной упаковке	Опытные образцы
			в полимерной упаковке с добавлением консерванта 3%	в полимерной упаковке с добавлением консерванта 5%
Температура хранения +10 ° С (через 2 суток хранения)
Жир, %	3,57±0,08	3,57±0,08	3,45±0,07	3,45±0,07
Белок, %	2,99±0,06	3,00±0,08	3,02±0,08	3,02±0,08
Лактоза, %	4,75±0,08	4,76±0,08	4,78±0,08	4,78±0,08
Сухое вещество (СОМО), %	12,3±0,1	12,3±0,1	12,2±0,1	12,2±0,1
Кислотность, оТ	16	16	16	16
Соматические клетки, тыс. /см3	134±6	142±7	121±8	118±8
Точка замерзания, °С	‒0,52±0,1	‒0,52±0,1	‒0,53±0,1	‒0,53±0,1
Температура хранения +4 ° С (через 7 суток хранения)
Жир, %	3,58±0,08	3,62±0,08	3,61±0,07	3,57±0,07
Белок, %	2,99±0,06	3,01±0,09	3,02±0,08	3,01±0,08
Лактоза, %	4,75±0,08	4,55±0,08	4,78±0,08	4,78±0,08
Сухое вещество, %	12,3±0,1	12,3±0,1	12,2±0,1	12,2±0,1
Кислотность, оТ	17	16	16	16
Соматические клетки, тыс. /см3	138±6	148±6	122±8	120±8
Точка замерзания, °С	‒0,52±0,1	‒0,52±0,1	‒0,52±0,1	‒0,52±0,1

Выводы. Проведенное исследование доказывает, что использование бактерицидной плёнки на основе цинка и серебра является эффективным инструментом управления качеством и безопасностью молока. Технология позволяет продлить срок хранения продукта, регулировать микробиологический состав и сохранять его потребительские свойства.

Проведенные исследования позволили установить следующие закономерности. При хранении молока при температуре +10°C в течение 48 часов наилучшие результаты показала упаковочная пленка с концентрацией консерванта 3% и 4%. Показатель КМАФАнМ составил 5,8×106 КОЕ/см³ и 4,0×106 КОЕ/см³ соответственно, что в 2,6 и 3,75 раза ниже по сравнению с контрольным образцом (1,5×107 КОЕ/см³). Концентрация 3% является минимальной эффективной дозой, что экономически целесообразно и снижает риск избыточной миграции активных веществ в продукт.

При температуре +10°C бактерицидная фаза молока длится до 24 часов, что обусловлено действием естественных антибактериальных веществ (лизоцим, лактоферрин, иммуноглобулины). Молочнокислые бактерии, являясь мезофильными организмами, практически не размножаются при температуре ниже +10°C. Количество молочнокислых бактерий при хранении в упаковке с концентрацией консерванта 3% составило 3,3×104 КОЕ/см³, с концентрацией 5% – 2,0×104 КОЕ/см³, что свидетельствует о выраженном бактериостатическом эффекте.

При хранении молока в течение 7 суток при температуре +4°C лучшими бактерицидными свойствами обладает пленка с концентрацией консерванта 5%. Показатель КМАФАнМ составил 1,0×106 КОЕ/см³, что на 16,7% ниже контроля (1,2×106 КОЕ/см³) и на 33,3% ниже образца с 3% консерванта (1,5×106 КОЕ/см³). Это объясняется тем, что при длительном хранении требуется более высокая концентрация активного вещества для поддержания бактерицидного эффекта.

При длительном хранении при +4°C количество молочнокислых бактерий в образцах с концентрацией консерванта 3% составило 2,3×105 КОЕ/см³, с концентрацией 5% – 2,0×105 КОЕ/см³, в то время как в контрольном образце данный показатель был выше на 34,7%. Это подтверждает эффективность активной упаковки для сдерживания процессов скисания молока.

Хранение молока при +10°С не привело к незначимым изменениям химического состава продукта независимо от условий упаковки. Кислотность, содержание жира, белка, лактозы и сухих веществ остались в пределах исходных значений с учётом погрешности измерений как для контрольного образца молока, так и для образцов в модифицированном полиэтилене. При этом количество соматических клеток также осталось на одном уровне.

Результаты исследований демонстрируют, что использование бактерицидной пленки на основе наночастиц серебра и цинка является барьерной технологией управления качества и безопасностью молока. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение влияния активной упаковки на органолептические показатели молока, микробиологические и физико-химические показатели качества и безопасности других молочных продуктов (творог, йогурт, сыр), а также на проведение оценки экономической эффективности внедрения данной технологии в промышленное производство.