Исследование процесса вакуум-сублимационной сушки бактериальных концентратов

Современные тенденции научнотехнического прогресса отраслей АПК Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.» предусматривают широкое применение биотехнологических методов переработки сельскохозяйственного сырья, химического и биологического синтеза пищевых веществ и биологических средств питания и защиты животных.

В последние годы во всем мире получило широкое признание развитие нового направления пищевой промышленности – производство продуктов функционального питания. Это продукты и напитки, включающие в себя комплексы биотических компонентов : пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков.

Пищевая промышленность Российской Федерации, по оценке Abercade, закупает био-технологические препараты на сумму примерно $100 млн. в год. Это закваски для производства кисломолочных продуктов , дрожжи и ферменты для производства спирта, стартовые культуры для производства мясных продуктов. На этом рынке отечественная продукция занимает около 9-12 %. Создание наукоемкого оборудования нового поколения для производства бактериальных концентратов для предприятий молочной и мясной отраслей пищевой промышленности позволит решить проблему импортоза-мещения данного вида продукции.

Создание современных биотехнологий, отвечающих требованиям международных стандартов качества, привело к необходимости конструирования нового отечест -венного оборудования.

Увеличивающийся спрос на сублимированные бактериальные концентраты (бак-концентраты) определил необходимость разработки промышленной технологии и оборудования, которые позволяли бы, с одной стороны, получать продукт с высокими кАчественными характеристиками, а с другой – обеспечивать высокую стабильность этих качественных характеристик.

Производство продуктов пробиотической направленности базируется на использовании стартовых культур микроорганизмов , которые вводятся в виде заквасок и баккон-центратов. Совершенствование технологии производства бакконцентратов является актуальной проблемой, при этом важное место в исследованиях занимает повышение активности бакконцентратов, унификация их свойств, экономичность производства.

В настоящее время наибольшее распространение получили бакконцентраты «прямого внесения». В качестве финишной операции (консервирования) используется замораживание при низких температурах (криозамораживание) или вакуум-сублимационная сушка подготовленной бактериальной массы.

Следовательно, получение бактериальных концентратов «прямого внесения» является актуальной задачей и требует проведения экспериментальных работ с целью отработки технологии производства бакконцентратов с предварительным криозамораживанием микроб-ной биомассы. Создание и реализация та -кой технологии в РФ открывает новые возможности повышения качества и экономической эффективности бакконцентратов, способствует повышению конкурентоспособности.

Данный проект посвящен разработке финишного оборудования для производства сухих бакконцентратов. Одними из основных объектов являются скороморозильный аппарат, предназначенный для замораживания бактериальных концентратов, а также вакуум-субли-мационная сушилка непрерывного действия.

Комплексный подход к созданию конкурентоспособной технологии обезвожи-вания термолабильных продуктов путем перехода на непрерывный способ сушки с эф -фективным комбинированным энергоподводом, применимой к продуктам, имеющим различную структуру, позволяет обеспечить интенсификацию процесса, низкие энергозатраты и низкую себестоимость продукции при высоком уровне ее качества.

Техническая идея внедряемых кон ст -рукторских разработок состоит также в повышении степени автоматизации оборудования участка замораживания и сушки, что позволит снизить время на простои, увеличить рентабельность продукции.

В отличие от сушки других пищевых продуктов, сушку бакконцентратов необходимо проводить в стерильных условиях.

Совершенствование технологии и разработка оборудования должны базиро-ваться на теоретических исследованиях закономерностей основных процессов, протекающих в аппаратах.

Бакконцентраты готовятся путем культивирования чистых культур молочнокислых бактерий на специальных жидких питательных средах с последующим отделением клеток от культуральной жидкости. Далее полученный концентрат вносят в защитную среду (криопротекторная среда), охлаждают, разливают в емкости и осуществляют удаление влаги методом вакуум-сублимационной сушки.

Качество сухого бакконцентрата оцени -вается по количеству жизнеспособных клеток. На выживаемость клеток микроорганизмов оказывают влияние различные факторы: параметры процесса культивирования, концентрация и состав криопротекторной среды, температура и скорость предварительного замораживания бакконцентрата, масса дозы бакконцентрата во флаконах и т.п.

Нами выполнены исследования процессов замораживания и вакуум-сублимаци-онной сушки бакконцентратов мезофильных молочнокислых палочек Lactobacillus casei. Полученный центрифугированием бакконцентрат смешивали с защитной средой. В качестве криопротекторной среды использовали: I вариант - водный раствор, содержащий сахарозу, цитрат натрия, глутамат натрия и желатозу; II вариант - водный раствор, содержащий молочный сахар (лактозу) и лактулозу. При этом доля бактериальной массы составляла от 30 до 50 % к общей массе [1].

От скорости замораживания и конечной температуры продукта зависит не только процесс сублимации, но и качественные характеристики сухого бакконцентрата. На рис. 1 представлены экспериментальные данные по исследованию процесса замораживания.

Рис. 1. Кинетика процесса замораживания бак-коцентратов: 1 - воздушное: t_с= -40 ° С, м. д. бактериальной массы 30 %; 2 - t_с= -40 ° С, м. д. бактериальной массы 50 %; 3 - криозамораживание: t_с= -150 ° С, м. д. м. д. бактериальной массы 30 %; 4 - криозамораживание: t_с= -150 ° С, м. д. бактериальной массы 50 %

Согласно полученным данным (рис. 1), при предварительном замораживании с увеличением массовой доли бактериальной массы продукта наблюдается сокращение времени замораживания (кривые 1, 2), а при использовании криозамораживания парами азота по сравнению с обычным длительность процесса сокращается на 40-60 % (кривые 3, 4).

Вымораживание воды в биологических системах при понижении их температуры ниже криоскопической существенно изменяет теплофизические свойства продуктов. Основной причиной изменения теплофизических свойств продуктов при замораживании являет- ся превращение воды в лед, так как свойства сухих веществ практически постоянны. Под количеством вымороженной влаги понимается отношение количества воды, превратившейся в лед при данной температуре, к суммарному количеству воды и льда, содержащемуся в продукте при той же температуре.

Если при сушке пищевых продуктов допускается определенное количество не вымороженной влаги, то при обезвоживании биологических материалов на основе микроорганизмов их необходимо замораживать до минимальной температуры плавления, т.е. эвтектической точки. Были установлены рациональные режимы: температура замораживания минус 37-40 ° С.

Результаты исследования кинетики процесса вакуум-сублимационной сушки баккон-центратов представлены на рис. 2.

Рис. 2. Кривые сушки, скорости сушки и термограмма бакконцентрата

На кривой можно выделить следующие периоды:

– период возрастания скорости сушки: в этом периоде свободная влага интенсивно испаряется с поверхности (удаляется до 10-15 % влаги), т. к. отсутствует сопротивление микропористого слоя. Поэтому является целесообразным подвод большого количества теплоты с целью сокращения продолжительности сушки (температура нагревателей 32-35 ° С, остаточное давление в камере 20-25 Па, плотность теплового потока 1,5-1,6 кВт/м²);

– период постоянной скорости сушки: влага удаляется, в основном, с поверхностных слоев материала, постоянное сопротивление тепло- и влагопереносу сосредоточено на поверхности, и поэтому в данный период скорость сушки не меняется (температура нагревателей 28-30 ° С, остаточное давление в камере 20-25 Па, плотность теплового по-тока 1,25-1,3 кВт/м²);

– период падающей скорости сушки:

в этом периоде испарение льда с поверхности материала заканчивается. Близкие к поверхности слои материала начинают прогреваться. Процесс сублимации заканчивается при достижении продуктом влажности 12-14 %. Далее происходит вакуумная досушка (десорбция) материала до влажности 4,0-4,2 % (температура нагревателей 25-28 ° С, остаточное давление в камере 10-15 Па, плотность теплового потока 1,2-1,25 кВт/м²).

Основным критерием, по которому оценивалось качество сухих бактериальных концентратов, является выживаемость микроорганизмов (КОЕ/г).

В таблице представлены результаты исследования качественных характеристик.

Таблица

Качественные показатели сухого бакконцентрата

Наименование показателя	Характеристика
Внешний вид	Однородный порошок кремового цвета
Массовая доля влаги, %	4,0
Количество жизнеспособных клеток, КОЕ в 1 г	1,5·1011
БГКП (колиформы), в 1 г	не обнаружены
Патогенные микроорганизмы, в т.ч. сальмонеллы, в 10 г	не обнаружены
S. aureus, в 1 г	не обнаружены
Активность сквашивания молока, ч	9,5
Титруемая кислотность, ° Т	90