Биотехнологические подходы ресурсосбережения вторичных ресурсов молочного производства

В числе главных вызовов Стратегии научно-технологического развития РФ на долгосрочный период обозначены Продовольственная безопасность и независимость России, а также обеспечение конкурентоспособности отечественной продукции на мировых рынках продовольствия [1–3]. Значимость обозначенных вызовов прослеживается для всех сегментов пищевой индустрии, в том числе молочной промышленности, особенно в части обеспечения производства продукции заквасоч- ными компонентами. Согласно открытым статическим данным Министерства сельского хозяйства РФ производство молочных продуктов в нашей стране последние два года динамично развивается. Так, для удовлетворения растущего спроса и насыщения внутреннего рынка в 2024 году производители нарастили объемы выпуска почти всей продуктовой линейки: произведено 6,1 млн тонн питьевого молока (на 5 % превышает показатель 2023 года), по кисломолочным продуктам, за исключением творога и продуктов из него, прирост составил 3,2 % при общем объеме выпущенной продукции более 2,7 млн тонн [4].

Следует учитывать, что производство кисломолочных продуктов невозможно без использования специализированных заквасок на основе концентратов бактерий и других микробных консорциумов. Естественная микрофлора молока малоэффективна, трудно контролируема или инактивируема при термической обработке в процессе технологий, а заквасочная микрофлора более предсказуема при внесении в молочное сырье. Кроме того, вносимые виды заквасочной микрофлоры способны обеспечивать не только текстуры продукта, продуцировать вкусовые соединения и другие потребительские достоинства, но и обеспечивать добавленную полезность конечного продукта [5–9].

Вместе с тем проблемы текущей экономической и геополитической ситуации весьма ограничили предложение в данном сегменте сырья, в России работают две фабрики по производству заквасок: «Экспериментальная биофабрика» (Углич) занимает 5–10 % рынка (предполагаемая мощность – 160 т бактериальных концентратов в год), «Союзснаб» – доля 5 %, в 2024 году локализация производства отечественных заквасок в России достигла 50 %. В ожидании доступности заквасок гарантированного качества производителям приходится искать новые решения для сохранения объемов производства и устойчивого спроса [10–12].

Ферментативная активность заквасок может быть различной в зависимости от штамма микробных консорциумов, молочнокислые бактерии продуцируют от 0,5 до 1,5 % молочной кислоты, хотя для некоторых штаммов выход может достигать 3 %, что влияет на преобразование белковой фракции молока. Создание закваски получения кисломолочных продуктов весьма трудоемкий процесс, который осуществляется при асептических условиях в цепочке последовательных преобразований: промышленная закваска > материнская закваска > промежуточная закваска > производственная закваска. Сегодня большая часть производителей отказалось от собственных заквасочных отделений в силу доступности заквасок прямого внесения (DVS) – концентрированных пробиотических культур, которые реализовались в замороженном виде или в виде лиофилизированного порошка (бак- концентраты сублимационной сушки). Вместе с тем доказано, что для успешной работы молочных предприятий на российском сырье эффективны закваски и концентраты отечественного производства, которые в большей степени соответствуют нормальному биоценозу кишечной микрофлоры населения.

Формирование собственных подходов производителей молочной продукции к ресурсосбережению ценного в пищевом отношении сырья весьма перспективно для достижения целей продовольственной безопасности и устойчивого развития. На основании вышеизложенного целью работы стало исследование реализации биотехнологического подхода в технологии комплексной заквасочного системы (КЗС) для ферментированных напитков на основе вторичных ресурсов молочного производства.

Объекты и методы исследований

Основные работы исследования выполнялись на базе ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)»: в научно-исследовательских лабораториях кафедры пищевых и биотехнологий и на предприятии ООО «Молоко Зауралья», которое производит линейку молочных продуктов для питания населения.

В качестве объектов исследования на отдельных этапах работы являлись:

• >    молочная творожная сыворотка, полученная при производстве творога ТУ 9229179-04610209-2008 (производитель ООО «Молоко Зауралья»);

• >    закваска прямого внесения Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus (производитель Италия, MARINO SRL), оценка технологической активности и идентификационная характеристика на основе результатов микроскопической оценки;

• >    молоко-сырье коровье на соответствие нормам ГОСТ Р 52054-2003 (производитель ООО «Молоко Зауралья»);

• >    молоко, восстановленное на основе использования сухого обезжиренного молока (производитель ООО «Молоко Зауралья»);

• >    молочные сгустки на основе использования КЗС и УЗВ.

Технологию получения КЗС отрабатывали на основе использования низкочастотного ультразвука. На данном этапе подготовки сыворотку обрабатывали низкочастотным ультразвуком – основная цель оптимизации дисперсного состава сырья. Воздействие низко- частотным ультразвуком проводили в следующем режиме: мощность 60 % от паспортного значения и длительность воздействия 30 секунд (подбор рационального режима осуществляли в соответствии с Патентом RU 2665786) [13].

Для оценки применимости КЗС в технологии кисломолочных продуктов готовили ферментированные сгустки и проводили их комплексную оценку.

Результаты и их обсуждение

Основной задачей данных исследований являлось установление технологической пригодности сырьевых компонентов, используемых в технологии кисломолочных продуктов на предприятии ООО «Молоко Зауралья». Молочная творожная сыворотки является высокотехнологичным компонентом, так как ее вкусовые качества гармонизируют с основными компонентами молочного сырья, а присутствие важных нутриентов определяет пищевую полезность.

Оценка качества сыворотки проводилась в условиях лаборатории предприятия, результаты исследования представлены в табл. 1. Результаты оценки указывают на то, что молочная сыворотка, полученная как побочный продукт в технологии творога, имеет весьма благоприятный состав для использования в качестве основы для активации заквасочной микрофлоры.

Из данных следует, что преобладающий компонент в составе сыворотки – свободная вода до 93–94 %; на долю сухого вещества приходится (5,8 ± 0,4) %; количество лактозы на уровне (3,5 ± 0,7) % (более 60 %), следовательно, присутствуют все необходимые для заквасочной микрофлоры ростовые компоненты-активаторы. Массовая доля сывороточного белка (бета-лактоглобулин, альфа-лактоальбумин, сывороточный альбумин и иммунный глобулин) в сыворотке незначительная, но следует учитывать их полноценность за счет присутствия незаменимых аминокислот. Количество липидов весьма низкое, но в процессе отделения творожного зерна и используемой фильтрации молекулы достаточно малы по размеру, и это благоприятно для питания бактериальных клеток закваски.

Следовательно, благодаря такому количественному составу нутриентов и особенно за счет присутствия достаточного количества лактозы повышаются ростовые качества молочной сыворотки как питательной среды для заквасочной микрофлоры.

Для технологии кисломолочных продуктов на предприятии используют цельное молоко-сырье, нормализованное по массовой доле жира, и восстановленное молоко на основе сухого обезжиренного коровьего молока, производимого на предприятии [14]. Качество этих сырьевых компонентов определяли в условиях лаборатории предприятия, результаты оценки качества представлены в табл. 2.

По органолептическим показателям образцы молока цельного и сухого обезжиренного соответствовали требованиям нормативных документов (ГОСТ 31449-2013 «Молоко коровье сырое. Технические условия», ГОСТ 33629-2015 «Консервы молочные. Молоко сухое. Технические условия», ГОСТ 316582012 «Молоко обезжиренное – сырье. Технические условия»), не имели пороков, поэтому рекомендованы для технологии кисломолочных продуктов.

Учитывая, что в качестве модельного кисломолочного продукта были определены йогурты, для оценки в составе сырьевых компонентов определена закваска прямого внесения Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus (производитель Италия, MARINO SRL) (рис. 1).

Таблица 1

Результаты оценки качества образцов сыворотки молочной творожной

Наименование показателей	Нормируемое значение	Фактическое значение
Сухое вещество, %	4,5–7,5	5,8 ± 0,4
В том числе: молочный жир белок лактоза	0,02–0,1 0,5–1,5 3,5–5,2	0,08 ± 0,02 0,58 ± 0,06 3,5 ± 0,7
Кислотность, °T	50–120	60,0 ± 1,5

Таблица 2

Результаты оценки компонентного состава восстановленного и цельного молока-сырья

Наименование продукта	Компонентный состав / в 100 г
	липиды	белки	углеводы	энергетическая ценность, ккал
Молоко сухое обезжиренное	1,0 ± 0,05	34,0 ± 0,6	52,2 ± 0,6	354
Молоко цельное	3,2 ± 0,1	3,0 ± 0,2	4,7 ± 0,3	60

а)

б)

Рис. 1. Характеристика закваски прямого внесения Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus: а - маркировочные данные; б - СЭМ микроскопия порошка закваски (увеличение х5000)

Lactobacillus преимущественно гидролизуют αs-казеин, тогда как другие предпочитают β-казеин. Основными ферментами Lactobacillus являются эндопептидазы и эстеразы, но активность этих ферментов обозначена в источниках информации как «слабая» [15]. Несмотря на это, именно они способствуют развитию вкуса продукта. Результаты исследований посевной активности заквасочной микрофлоры доказали, что производственная закваска прямого внесения LYOBAC YOYO 82Q, используемая в ООО «Молоко Зауралья», соответствует по заявленным характеристикам для технологии йогуртов.

После обработки сыворотки низкочастотным ультразвуком и внесением биоактивных компонентов через 24 ч определяли титруемую и активную кислотность полученных образцов (табл. 3).

Применение УЗВ в технологии КЗС для производства йогуртов обеспечивает получение прочного сгустка, который сохраняется при механическом воздействии (вымешивании). Такое свойство может быть обусловлено повышением гидратационных свойств сывороточных белков под влиянием кавитационных эффектов сонохимического воздействия. По данным А. Тепел для термостатного йогурта значение рН находится в диапазоне 4,0– 4,4 при титруемой кислотности 95–125 °Т.

Streptoсoссus salivarius ssp. thermophillus вырабатывает молочную кислоту, при этом создается оптимальная pH среды, благоприятствующее росту Laсtobaсillus delbrueсkii ssp. bulgariсus . В процессе молочнокислого брожения наблюдается коагуляция белков молока, определяющая состояние белковых сгустков. В заквашенном молоке при достижении

Таблица 3

Результаты исследования ферментированных йогуртовых сгустков, полученных на основе КСЗ с использованием УЗВ

Показатель	Наименование образцов сыворотки *
	контроль	образец 1	образец 2	образец 3
Титруемая кислотность, град Т	66,0 ± 1,2	67,0 ± 1,5	68,0 ± 1,4	70,0 ± 1,5
pH	6,06	4,2	4,2	6,05

‘Образец 1, 2, 3 - КСЗ на основе сыворотки, обработанная УЗВ в разных режимах воздействия требуемой кислотности (не менее 75 °Т) рН достигает изоэлектрической точки казеина (рН 4,6–4,7). В изоэлектрической точке казеин теряет растворимость и коагулирует в виде сгустка.

Для оценки технологической пригодности КСЗ осуществляли пилотную ферментацию молока-сырья и исследовали ферментированный молочный сгусток, полученный по традиционной технологии сквашивания (на цельном молоке-сырье и восстановленном молоке). Ферментацию проводили в соответствии с установленными требованиями технологий: время сквашивания – 8 ч при температуре (40 ± 2) °С, доохлаждение (ТУ 9222001-00419785 Йогурт. Технологическая инструкция). Сгустки после сквашивания, исследовали по следующим показателям: титруе- мая кислотность и содержание сухих веществ и микроскопическая оценка микрофлоры (рис. 2 и табл. 4).

Процесс сквашивания протекал достаточно равномерно, по истечении двух часов наблюдалось незначительное изменение кислотности, а затем интенсировался (прирост значений составлял 20–35 °Т), по завершению времени сквашивания различие в показателе составило 15–18 °Т. Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus в составе маточной закваски проявила высокую активность своего развития в матрице цельного молока-сырья.

Таким образом, использование низкочастотного ультразвука в технологии КСЗ позволяет интенсифицировать процесс ферментации. Так, за счет микроструктурирования компонентов, время сбраживания номинального

а)                                                       б)

Рис. 2. Микроскопия Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus в исследуемых образцах: а – на основе восстановленного молока; б – на основе цельного молока-сырья

Таблица 4

Результаты исследования титруемой кислотности йогуртовых сгустков в процессе сквашивания

Наименование образцов ∗	Массовая доля сухих веществ, %	Титруемая кислотность, ° Т/время сквашивания, ч
		2	4	6	8
Образец 1	5,30 ± 0,06	20,0 ± 0,3	42,0 ± 0,5	70,0 ± 0,4	87,0 ± 0,3
Образец 2	5,80 ± 0,05	22,0 ± 0,2	43,0 ± 0,3	77,0 ± 0,5	103,0 ± 0,2

∗Образец 1 - ферментированный сгусток на основе восстановленного молока; образец 2 - ферментированный сгусток на основе цельного молока значения сокращается в среднем на 1,5–2 часа. Предложенную технологию комплексной заквасочной системы экспериментально проверили в рамках предприятия. Разработанный подход может быть рекомендован для внедрения на предприятиях пищевой отрасли в условиях стратегии разработки импортозамещающих технологий и ресурсосбережения вторичного сырья.