Исследование процессов замораживания и вакуум-сублимационной сушки бактериальных концентратов для молочной отрасли

Концепция «функционального питания» как самостоятельное научное и прикладное направление в области здорового питания сложилась в начале 90-x годов прошлого века. Она заключается в индивидуальном подходе к пищевому рациону человека с учетом пола, возраста, региона проживания, физиологического состояния, профессиональной деятельности.

Под термином «функциональные пищевые продукты» (ФПП) понимают такие продукты питания, которые предназначены для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми возрастными группами здорового населения в целях снижения риска развития заболеваний, связанных с питанием, сохранения и улучшения здоровья благодаря наличию в их составе физиологически функциональных пищевых ингредиентов [1–4].

В настоящее время в Российской Федерации и за рубежом динамично развивается производство ФПП. Значительная доля от общего объема производства таких продуктов приходится на молочную продукцию, причем до 85% из них составляют продукты с пробиотиками, пребиотиками и синбиотиками.

В функциональных молочных продуктах обязательно присутствие живых культур пробиотиков. Научно-техническим основам получения пробиотических молочнокислых заквасок и бактериальных концентратов посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых.

Производство продуктов с пробиотической направленностью базируется на использовании стартовых культур микроорганизмов, которые вводятся в виде бактериальных заквасок и концентратов.

Бактериальными заквасками называют чистые культуры или смесь культур микроорганизмов, используемых при изготовлении молочных продуктов.

Бактериальный концентрат представляет собой концентрированную биомассу, в которой количество клеток на два-три порядка выше, чем в заквасках. Применение бактериальных концентратов позволяет интенсифицировать процесс сквашивания, снизить производственные площади и повысить санитарно-гигиенические показатели продукта. В зависимости от способа или технологии получения бактериальные закваски или концентраты подразделяют: на закваски (БЗ), при производстве которых не проводится концентрирование микробных клеток, поэтому количество колоний образующих единиц (КОЕ) в 1 см3 не превышает 10 млрд;

концентраты (БК), при производстве которых обязательным этапом является концентрирование бактериальной массы, поэтому в 1 г бактериального концентрата количество КОЕ более 10 млрд.

В зависимости от физического состояния бактериальные закваски и концентраты подразделяются на жидкие, сухие, замороженные; на плотных питательных средах.

Различают и способы их применения. Самый сложный и трудоемкий – это способ применения сухих заквасок, при котором используется несколько пересадок (чаще всего – три). Однако предприятия в целях интенсификации процесса сокращают количество пересадок до двух.

Бактериальные концентраты используются двумя способами: путем приготовления производственной закваски без пересадок (полупрямой метод) или прямым внесением в молоко [5].

Специалисты самостоятельно определяют способ применения бактериальных заквасок и концентратов, исходя из условий производства, опыта и знаний в области микробиологии.

Метод прямого внесения исключает часть проблем, касающихся процесса приготовления производственной закваски, но не решает проблем бактериофагии в цехах.

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». Производство подобных бакконцентра-тов является наиболее динамично развивающимся сектором рынка микробиологических препаратов.

Учитывая тот факт, что мощность отечественных производителей не может удовлетворить потребность молочной отрасли в бакконцентратах, речь идет об использовании импортных аналогов.

По результатам мониторинга фирмы «Abercade consulting» лидерами по объемам поставок бакконцентратов в нашу страну являются фирмы Hr. Hansen, Danisco (Дания), Bioprox (Франция), DSM Food enrichment (Нидерданды) [5, 6].

На этом рынке отечественная продукция занимает около 9–12%. Создание наукоемкого оборудования нового поколения для производства бактериальных концентратов для предприятий молочной отрасли позволит решить проблему импортозамещения данного вида продукции.

В качестве финишной операции (консервирования) используется замораживание при низких температурах (криозамораживание) или вакуум-сублимационная сушка подготовленной бактериальной массы.

Несмотря на значительное количество исследований, посвященных получению баккон-центратов с криозамораживанием микробной массы, в нашей стране практически отсутствуют промышленные биотехнологии, имеющие значительный экономический потенциал.

Получение бактериальных концентратов «прямого внесения» является актуальной задачей и требует проведения экспериментальных работ с целью отработки технологии их производства с предварительным криозамораживанием микробной биомассы. Создание и реализация такой технологии в РФ открывает новые возможности в повышении 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-сублима-ционная сушилка непрерывного действия.

Комплексный подход к созданию конкурентоспособной технологии обезвоживания термолабильных продуктов путем перехода на непрерывный способ сушки с эффективным комбинированным энергоподводом к продуктам, имеющим различную структуру, позволяет обеспечить интенсификацию процесса, низкие энергозатраты и себестоимость продукции при высоком уровне ее качества [7, 8].

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

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

Совершенствование технологии и разработка оборудования должны базироваться 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 замороженного и сухого бак-концентрата оценивается 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.

Объекты и методы

Объектами исследований на различных этапах выполнения экспериментов являлись: бактериальный концентрат мезофильных молочнокислых бактерий Lbc. casei и бифидобактерий В. adolescentis ; вода дистиллированная (ГОСТ 6709–72); питательная среда Ли (ГОСТ Р 54065–2010); питательная среда для молочнокислых бактерий (ГОСТ 10444.11–89); обезжиренное молоко (ГОСТ 31658–2012); дрожжевой экстракт (ГОСТ 30134–97); сахароза (ГОСТ 5833–75); желатин (ГОСТ 11293–89); цитрат натрия (ГОСТ 31227–2013); соль поваренная (ГОСТ Р 51574– 2000); фосфатный буфер с рН 7,2 (ГОСТ 9225).

В ходе исследований использовалось оборудование: шкаф электрический суховоздушный ШСвЛ-80 «Касимов» (Россия); автоклав электрический DGM Pressure Gauge (Китай); бокс биологической безопасности, Lamsystems (Россия); инкубатор LabTech LSI-301А (Корея); весы электронные аналитические AND HR-202 (Япония); рН-метр рН-150МИ, (Россия).

Для замораживания бакконцентратов использовали низкотемпературную морозильную камеру Frigera NS 400 (Чехия). Высушивали опытные образцы с помощью экспериментальной вакуум-сублимационной сушилки с комбинированной системой тепло- и хладоснабжения, состоящей из традиционной парокомпрессионной холодильной машины и термоэлектрической, позволяющей нагревать теплоноситель за счет теплоты, выделяющейся на горячих спаях модулей [2].

Для решения задач, поставленных в работе, применяли стандартные методы исследования (микробиологические, химические и физико-химические).

При постановке экспериментов биомассу бифидобактерий отделяли после различной продолжительности культивирования и соединяли с криопротекторной средой.

Полученную смесь биомассы с криопротекторной средой помещали в стерильные криопробирки, охлаждали при температуре 4-6 ° С и выдерживали при данной температуре в течение 1 ч, затем замораживали при различной температуре.

При производстве бакконцентратов важным этапом является подбор рациональной с точки зрения выживаемости микроорганизмов криопротекторной среды.

В процессе замораживания на живые объекты воздействуют два фактора: формирование кристаллов внутриклеточного льда и обезвоживание. Использование криопротекторных сред и замораживание в этих средах снижает действие этих негативных факторов.

Существует большое количество веществ, которые обладают криопротекторными свойствами, но на практике используют около десяти соединений. Согласно данным различных исследователей использование проникающих криопротекторов в отсутствии непроникающих неэффективно, так как при использовании защитных сред сложного состава выживаемость биологического материала после замораживания выше.

Для оценки влияния защитных сред на выживаемость рассматривали четыре варианта: первый вариант – цитрат натрия (м.д. раствора в среде 15,0%), молоко обезжиренное (м.д. раствора в среде 74,5%), поваренная соль (м.д. раствора в среде 10,0%), никотиновая кислота (м.д. раствора в среде 0,5%);

• второй вариант – желатин (м.д. раствора в среде 12,5%), сахароза (м.д. раствора в среде 30,5%), молоко обезжиренное (м.д. раствора в среде 67,0%);

• третий вариант – желатин (м.д. раствора в среде 64,0%), сахароза (м.д. раствора в среде 35,0%), цитрат натрия (м.д. раствора в среде 1,0%);

четвертый вариант – желатин (м.д. раствора в среде 54,0%), сахароза (м.д. раствора в среде 35,0%), цитрат натрия (м.д. раствора в среде 1,0%), BIOS 2000 (м.д. раствора в среде 10,0%).

При этом доля бактериальной массы составляла от 30 до 50% к общей массе [1].

Число колониеобразующих единиц (КОЕ/г) определяли чашечным методом посева в агаризованную питательную среду на основе гидролизата казеина.

Результаты и обсуждение

Одними из важных факторов, влияющих на выживаемость микроорганизмов при замораживании, являются активная кислотность (рН) и температура смешивания биомассы с криопротекторной средой. С понижением температуры смешивания от 30±1 до 20±1 °С наблюдается увеличение выживаемости бактерий, что согласуется с данными других исследователей. В результате проведенных исследований подобрали защитную среду.

Нами установлено, что наибольшая выживаемость клеток (78,6%) была в случае соединения биомассы с защитной средой № 4 в соотношении 1:1.

На втором этапе исследований выявляли влияние различных соотношений биомассы и защитных сред на выживаемость бифидобактерий при вакуум-сублимационной сушке. Максимальное значение (89,5%) наблюдалась при соединении биомассы и защитной среды № 4 в соотношении 1:2.

Подбор оптимальных режимов процессов замораживания и сублимационной сушки важен, поскольку микроорганизмы под действием низких температур могут претерпевать внутриклеточные и внеклеточные изменения [11, 12].

Для установления влияния температуры предварительного замораживания на выживаемость клеток биомассу бифидобактерий и молочнокислых бактерий смешивали с защитной средой в соотношениях, выбранных по результатам предыдущих исследований [9, 10].

Суспензию замораживали при различных температурных режимах (-20±1), (-35±1) и (-50±1) °С. Бакконцентрат хранили в течение 48 ч, а затем направляли на вакуум-сублимацион-ную сушку. Установили, что обе культуры имеют наибольшую выживаемость при температуре предварительного замораживания (-50±1) °С. Кинетика замораживания бакконцентрата представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость температуры бактериального концентрата от продолжительности замораживания и температуры воздуха: 1 - t e = -50 ° C, м. д. бактериальной массы 30%; 2 - t e = -50 ° C, м. д. бактериальной массы 50%

Figure 1. Temperature dependence of the bacterial concentrate on the duration of freezing and air temperature: 1 - t v = -50 ° C, m. f of bacterial mass 30%; 2 - t v = -50 ° C, m. f of bacterial mass 50%

Замораживание при температуре воздуха (-20±1) °С ведёт к большой гибели клеточной массы (выживаемость находится в пределах 68–72%).

Выживаемость после замораживания при температуре (-35±1) °С при прочих равных условиях была меньше, чем при (-50±1) °С – для бифидобактерий на 20–23%, а для молочнокислых бактерий – на 16–18%.

Как известно, при вакуум-сублимацион-ной сушке выживаемость биомассы зависит от многих факторов: величины остаточного давления в сублиматоре, плотности теплового потока к высушиваемому продукту и т. п.

Нами сконструирована вакуум-сублима-ционная сушилка с комбинированной системой тепло- и хладоснабжения, позволяющая проводить процесс обезвоживания бактериальных концентратов в широком диапазоне параметров. Экономия энергии достигается за счет использования в десублиматоре традиционной парокомпрессионной холодильной машины и термоэлектрической, позволяющей нагревать теплоноситель за счет теплоты, выделяющейся на горячих спаях модулей.

Она состоит из сублиматора в виде герметичной камеры, при этом сублиматор выполнен в виде цилиндра с крышкой, внутри которого расположены теплопередающие плиты, выполняющие роль продуктовых полок для размещения противней с продуктом.

Парокомпрессионная холодильная установка включает испаритель, низкотемпературный компрессор, конденсатор и терморегулирующий вентиль. Термоэлектрическая холодильная