Исследование реологических характеристик и определение рациональных параметров процесса сушки активированной закваски для хлебобулочных изделий

Применение новых видов сырья, расширение ассортимента и разработка хлебобулочных изделий специализированного назначения, распространение нарезки и упаковки хлеба обусловливают актуальность проблемы его микробиологической порчи. Возбудителями болезней хлеба являются не только плесневые грибы, вызывающие заплесневение хлеба, но и ряд других биологически активных микроорганизмов, приводящих к потерям качества продукции.

Увеличение сроков годности и предотвращение микробиологической порчи [1–3] хлебобулочных изделий возможно за счет использования биологических методов. Они предусматривают применение заквасок, которые в процессе тестоприготовления образуют органические кислоты, бактериоцины и другие ингибиторы возбудителей ингибиторы роста возбудителей микробиологической порчи хлеба. Кроме того, хлеб, приготовленный на заквасках, характеризуется улучшенными: структурой пористости и свойствами мякиша, вкусом и ароматом, способностью к длительному сохранению свежести. Поэтому для разработки технологии специализированных хлебобулочных изделий [4, 5] необходимо подобрать наиболее эффективный штамм молочнокислых бактерий, обладающий антагонистической активностью по отношению к возбудителям порчи хлеба, синтезирующий биологически активные вещества, аминокислоты, витамины, за счет которых можно повысить пищевую и биологическую ценность изделий.

Для удобного использования, хранения и транспортировки актуальным является создание сухих биопрепаратов заквасок с сохранением всех биотехнологических показателей молочнокислых бактерий и дрожжевых клеток.

При рассмотрении характеристики и свойств ацидофильной закваски, аспектов ее использования в хлебопекарной промышленности выявлено, что ацидофильная закваска представляет большой интерес, так как она имеет в своем составе пробиотические микроорганизмы, формирующие структуру теста, как из пшеничной, так и ржаной муки.

Целью настоящей работы являлось изучение физических свойств закваски за счет исследования ее реологических показателей на этапе активации и хранения, а также определение оптимального вида сушки данных образцов реологических показателей [8] и микрофлоры закваски на этапе ее активации, хранения, и высушивания.

Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач:

• 1.    исследование антагонистической активности хлебопекарных промышленно ценных штаммов молочнокислых бактерий;

• 2.    изучение кривых течения закваски без использования активатора в процессах ее созревания и хранения;

• 3.    изучение кривых течения закваски с использованием активатора в процессах ее созревания и хранения;

• 4.    изучение кинетики сушки в терморадиационной, конвективной и сублимационной сушилках с последующим определением рациональных параметров сушки активированной закваски;

• 5.    определение количества полезной микрофлоры в образцах высушенной закваски.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлась ацидофильная закваска для приготовления хлебобулочных изделий специализированного назначения.

Предметом исследования было изучение физических и реологических свойств закваски и определение рациональных параметров видов сушки, удовлетворяющего заданным требованиям.

Исследования антагонистической активности [7] хлебопекарных промышленно ценных штаммов молочнокислых бактерий (МКБ) были проведены в институте ФГАНУ «Научноисследовательский институт хлебопекарной промышленности». В качестве тест-культур использовали плесневые грибы P. Roqueforti и P. funiculosum, спорообразующие бактерии Bacillus subtilis 40, дрожжеподобные грибы ВМБХ (в настоящее время идентифицируются). Для контроля роста тест-культур использовали стерильное солодовое сусло. Модельная среда представляла собой предварительно прогретую культуру МКБ. В пробирки с модельной средой, охлажденной до 30 °С, добавляли инокулят тест-штамма плесневого гриба или ВМБХ. Культивирование плесневых грибов в модельной среде проводили при температуре 24 °С в течение 10 сут., появление и рост видимого мицелия грибов оценивали визуально. Выращивание ВМБХ проводили при температуре 24 °С в течение суток; влияние метаболитов МКБ на рост ВМБХ оценивали подсчетом в камере Горяева количества клеток тест-штамма. Воздействие метаболитов МКБ на рост спорообразующих бактерий Bacillus subtilis 40 осуществляли по диффузионному методу лунок на среде КМАФАнМ. В лунки вносили модельную среду на основе чистых культур МКБ; чашки помещали в термостат с температурой 30 °С на сутки. Наличие антагонистической активности МКБ определяли по диаметру зоны ингибирования роста тест-штамма вокруг лунки.

Для определения реологических характеристик продуктов при сдвиговом течении использовалась измерительная установка – ротационный вискозиметр «RHEOTEST-2» с измерительной системой S/S1, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема измерительной установки: 1 – станина; 2 – измерительный цилиндр (внутренний); 3 – измерительная емкость (наружный цилиндр); 4 – измерительный вал; 5 – приводной вал; 6 – динамометр (спиральная пружина); 7 – потенциометр; 8 – термостатирующая емкость; 9 – рычаг переключения коробки передач; 10 – индикаторный прибор

Figure1. Functional scheme of the measuring device: 1 – frame; 2 – measuring cylinder (internal); 3 – measuring capacity (outer cylinder); 4 – a measuring shaft; 5 – a power shaft; 6 – dynamometer (spiral spring); 7 – potentiometer; 8 – thermostatic capacity; 9 – the lever of a gear change; 10 – indicator device

Измерительный механизм экспериментальной установки представляет собой механико-электрический преобразователь вращающего момента. Для измерения момента вращения, действующего на вращающемся измерительном цилиндре 2, используется вращение измерительного вала 4 относительно приводного вала 5 в направлении, обратном действию двухступенчатого динамометра 6. Приборный потенциометр 7, связанный с динамометром и включенный в мостовую схему, воспроизводит величину относительного вращения. При этом естественный сигнал «вращающий момент» преобразуется в пропорциональный ему аналоговый сигнал тока, который регистрируется индикаторным прибором 10.

Методика проведения эксперимента при определении реологических характеристик предусматривает следующие операции:

• 1.    установка измерительного (внутреннего) цилиндра 2 на приводном валу 5 ;

• 2.    заливка заданного объема исследуемого продукта в измерительную емкость (наружный цилиндр) и его установка в рабочее положение коаксиально цилиндру 2 . При этом происходит заполнение исследуемой массой кольцевого зазора;

• 3.    приведение во вращение измерительного (внутреннего) цилиндра 2 при помощи рычага переключения коробки передач 9 .Вращение на данной скорости проводят до стабилизации положения показаний вторичного прибора, измеряющего угол α относительного поворота цилиндров 2 и 3 ;

• 3.    регистрация частоты выходного сигнала датчика силы и определение по расчетным соотношениям установившегося значения напряжения сдвига τ при фиксированной скорости сдвига γ и температуре;

• 4.    увеличение скорости сдвига γ в слое исследуемого продукта на ∆ γ;

• 5.    выполнение заданного числа k раз пунктов 4–6 настоящей методики;

• 6.    определение реологических характеристик исследуемого продукта с помощью разработанной компьютерной программы «Виртуальная модель кривых течения» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Виртуальная модель кривых течения»№ 2008612695, зарегистрирована 29.05. 2008 г.).

Для изучения кинетики сушки закваски в терморадиационной, конвективной и сублимационной сушилках [8–12] строились кривые сушки.

После каждой сушки образцы закваски подвергались определению в них количества клеток полезной микрофлоры. Для этого были проведены посевы методом предельных разведений с пересевом на чашки и заливом дифференциальнодиагностической средой. Поскольку основную микрофлору закваски составляют термофильные молочнокислые палочки, то для анализа выбрана агаризованная питательная среда MRS.

Микрофлора закваски относится к группе условно анаэробных микроорганизмов, поэтому для определения количества клеток создавались условно анаэробные условия. Учет проводили методом подсчета и микроскопирования.

Результаты и обсуждение

В результате исследований антагонистической активности хлебопекарных промышленно ценных штаммов были установлены антимикробные свойства термоустойчивых метаболитов молочнокислых бактерий рода Lactobacillus в отношении плесневых, дрожжеподобных грибов, вызывающих порчу хлебобулочных изделий. По отношению к P. roqueforti , P. funiculosum и ВМБХ (наиболее типичных возбудителей микробной порчи хлеба из смеси ржаной и пшеничной муки) наибольшая антагонистическая активность выявлена в модельной среде на основе штамма L. acidophilis А-146.

В результате экспериментальных работ установлена оптимальная дозировка разработанной закваски при приготовлении хлебобулочных изделий, для повышения их хранимоустойчивости. Результаты исследований по обеспечению антагонистической активности по отношению к возбудителям микробной порчи хлеба приведены в таблице 1.

Данные экспериментов показали, что в модельной среде на основе штамма L. acidophilis А-146 во всех опытах выявлена антагонистическая активность в отношении исследуемых тест-штаммов P. Funiculosum и P. roqueforti (развития плесневых грибов не обнаружено). В модельной среде на основе

• L. brevis В-1 наблюдали полное ингибирование роста P. funiculosum и 50%-ное – P. roqueforti . Антифунгальная активность метаболитов остальных штаммов МКБ варьировалась от 0 до 75%.

Наибольшая антагонистическая активность к В. subtilis 40 выявлена у штамма L. Plantarum 30 – диаметр зоны подавления роста В. subtilis 40 составил 13 мм; у L. acidophilus А-146 и L. brevis В1 диаметр зоны в среднем составил 10 мм (за вычетом диаметра самой лунки). L. delbrueckii Т2 и L. casei С-1 также проявили антимикробную активность и образовали зону ингибирования роста В. Subtilis 40 (5 мм).

При изучении антагонистической активности термоустойчивых метаболитов МКБ в отношении ВМБХ установлено наиболее активное подавление роста ВМБХ-1 в модельной среде на основе L. acidophilus А-146 (концентрация дрожжеподобных грибов на 53% меньше, чем в контроле). Остальные МКБ ингибировали рост ВМБХ-1 в среднем на 30%.

По отношению к P. roqueforti , P. funiculosum и ВМБХ-1 наибольшая антагонистическая активность выявлена в модельной среде на основе L. acidophilus А-146.

Таким образом, для дальнейших исследований был выбран штамм МКБ L. acidophilus А-146, который обладал наибольшими антимикробными свойствами.

Таблица 1.

Антагонистическая активность штаммов молочнокислых бактерий в отношении возбудителей микробной порчи хлеба

Table 1.

Antagonistic activity of strains of lactic acid bacteria in relation to the causative agents of microbial spoilage of bread

Штаммы молочнокислых бактерий Strains of lactobacilli	Антагонистическая активность в отношении возбудителей Antagonistic activity against pathogens
	плесени, % ингибирования mold, % inhibition		«картофельной» болезни хлеба, диаметр лунки, мм “Potato” disease of bread, diameter of the hole, mm	меловой болезни хлеба, %, концентрация дрожжеподобных грибов chalk disease of bread, %, concentration of yeast-like fungi
	P. roque-forti	P. funicu-losum	B. subtilis 40	ВМБХ
L. delbrueckii 40	25	0	0	65
L. delbrueckii T-2	50	100	5	68
L. brevis B-l	25	0	10	68
L. brevis 3	0	25	0	73
L. casei C-l	0	25	0	72
L. casei 5 L	50	0	5	83
L. plantarum A-63	0	0	0	71
L. plantarum Pl-30	25	50	13	87
L. асidорhilus A-146	100	100	10	48
L. fermenti F-34	0	0	0	73
Контроль	0	0	0	100

На первом этапе подвергалась исследованию закваска без использования штамма МКБ L. acidophilus А-146. Полученные реологические результаты представлены в виде кривых зависимости ɣ от τ на рисунке 2 и 3. Кривые, представленные на рисунке 2 соответствуют этапу созревания закваски, а на рисунке 3 – ее хранению.

' I 2 hour

8 hour

^^^^^^^e 4 hour

•  10 hour

•  6 hour

■  12 hour

τ , Pa

Рисунок 2. Кривые течения, полученные в процессе созревания закваски без использования штамма МКБ L. acidophilus А-146

Figure 2. Flow curves obtained during the ripening of the ferment without the use the strain of the lactobacilli L. acidophilus A-146

Рисунок 3. Кривые течения, полученные в процессе хранения закваски без использования штамма МКБ L. acidophilus А-146

Figure 3. Flow curves obtained during the storage of ferment without the use the strain of the lactobacilli L. acidophilus A-146

Из рисунка 2 видно, что с течением времени вязкость резко падает в начальный период, затем наблюдается ее незначительное снижение с резким уменьшением на заключительном этапе. Это объясняется протекающими в среде химическими реакциями.

Рисунок 3п оказывает, что повышение температуры хранения снижает напряжение сдвига, следовательно, уменьшается вязкость закваски.

На следующем этапе подвергалась исследованию закваска с добавлением штамма МКБ L. acidophilus А-146. Полученные реологические результаты представлены в виде кривых зависимости ɣ от τ на рисунке 4 и 5. Кривые, представленные на рисунке 4, соответствуют этапу созревания закваски, а на рисунке 5 – ее хранению.

Рисунок 4. Кривые течения, полученные в процессе созревания закваски с использованием штамма МКБ L. acidophilus А-146

Figure 4. Flow curves obtained during the ripening of the ferment using the strain of the lactobacilli L. acidophilus A-146

Рисунок 5. Кривые течения, полученные в процессе хранения закваски с использованием штамма МКБ L. acidophilus А-146

Figure 5. Flow curves obtained during the storage of ferment using the strain of the lactobacilli L. acidophilus A-146

Из рисунка 4 видно, что внесение штамма МКБ L. acidophilus А-146способствует постепенному изменению структуры закваски. Скачкообразность распределения показателей вязкости значительно снизилась. Так же уменьшился показатель напряжения сдвига, это говорит о снижении вязкости с течением времени созревания активированной закваски практически в 3 раза.

Рисуно к 5 показывает, что внесение штамма МКБ L. acidophilus А-146 уменьшает влияние температуры на структуру закваски, она становится более стабильной. Напряжение сдвига в процессе хранения закваски на основе штамма МКБ L. acidophilus А-146 уменьшилось, что говорит о сокращении ее вязкости почти в 2 раза.

Анализируя кривые на рисунках 4 и 5 можно сделать вывод о том, что образцы закваски относятся к неньютоновским или аномально-вязким жидкостям, описываемым реологическим уравнением Оствальда-де-Вале, которое в общем виде записывается:

τ=K⋅γn где τ – напряжение сдвига, Па;К – коэффициент консистенции, пропорциональный вязкости; γ – скорость сдвига, с–1;n – индекс течения.

Полученные значения коэффициентов представлены в таблице 2 и 3.

Анализируя полученные данные можно сделать вывод о том, что индекс течения n, показывающий степень аномалии вязкости, в течение всего периода изменялся незначительно. Внесение штамма МКБ L. acidophilus

А-146 способствует уменьшению вязкости в процессе созревания почти в 3 раза, а при хранении образцов –в 2 раза, о чем свидетельствует значение коэффициента консистенции K. Штамм МКБ L. acidophilus А-146 снижает влияние температуры, поэтому структура закваски становится более стабильной. В таком состоянии она легче подвергается дальнейшей переработке. Следовательно, добавление штамма МКБ L. acidophilus А-146в закваску для производства хлебобулочных изделий специализированного назначения значительно снижает энергозатраты на весь процесс производства и приводит к увеличению срока годности.

Далее закваска на основе штамма МКБ L. acidophilus А-146 подвергалась высушиванию на терморадиационной, конвективной и сублимационной сушилках при различных температурах сушильного агента.

Таблица 2.

Значение коэффициентов в процессе созревания закваски

Table 2.

The value of the coefficients during the ferment ripening

№	Наименование образца Sample Name	Коэффициенты Coefficients	Времяизмерения, ч Measurement time, h
			2	4	6	8	10	12
1	контроль (без использования штамма МКБ L. acidophilus А-146)	К	59,81	41,69	30,91	25,58	22,85	20,49
2		n	0,27	0,35	0,36	0,40	0,41	0,40
3	с использованием штамма МКБ L. acidophilus А-146	К	19,03	13,34	10,93	9,82	8,39	6,87
4		n	0,35	0,38	0,41	0,42	0,38	0,40

Таблица 3.

Значение коэффициентов в процессе хранения закваски

Table 3.

The value of the coefficients during the storage of the ferment

№	Наименование образца Sample Name	Коэффициенты Coefficients	Температура хранения, °С Storagetemperature, °C
			4	20	37
1	контроль (без использования штамма МКБ L. acidophilus А-146)	К	39,31	19,03	24,29
2		n	0,30	0,37	0,21
3	с использованием штамма МКБ L. acidophilus А-146	К	19,03	14,28	12,28
4		n	0,35	0,26	0,25

При высушивании закваски на терморадиационной сушилке использовались температуры 50 и 55 °С. Проба облучалась инфракрасными лучами с длиной волны 0,8–12 мкм. Высушиванию подвергались образцы массой 5 грамм в течение 3 часов. В каждом эксперименте производилось взвешивание навески с периодичностью в 5 секунд до тех пор, пока масса не станет постоянной.

Полученные данные в виде кривых сушки представлены на рисунке 6, из которых видно, что при температуре сушки 50 °С начальная влажность образца составляет 60,75%. Начальный этап сопровождается расходом тепла на нагрев материала, при этом влажность снижается незначительно. Затем следует первый этап сушки, сопровождаемый испарением влаги со свободной поверхности закваски. Когда влага полностью удалена, происходит ее испарение из капилляров навески. При этом влажность закваски интенсивно уменьшалась по прямолинейной зависимости. После этого начинается второй период сушки, при котором температура закваски остается постоянной, а испарение влаги происходит равномерно. Этот период заканчивается при критической влажности. На последнем этапе скорость сушки постепенно снижается до наступления динамического равновесия. При этом испарение свободной и механически связанной влаги прекращается. Внутри образца остается химически связанная влага, которая не удаляется при температуре 50 °С. В результате статистической обработки полученных экспериментальных данных кривая сушки описывается уравнением:

W C = 0,0015t² - 0,6105t + 91,188 , (1) где W _C - влагосодержание после сушки, %; t – время сушки, мин.

Множественный коэффициент детерминации у модели, описываемой уравнением 1, R² = 0,9987. Это значит, что доля дисперсии зависимой переменной составляет 99,87%.

При температуре сушки 55 °С на первом этапе происходит прогрев закваски. Затем начинается период постоянной скорости сушки. Несмотря на незначительное повышение температуры по сравнению с первым образцом скорость сушки во втором периоде второй навески возрастает более чем в 2 раза. В этом периоде происходило равномерное удаление свободной и механически связанной влаги. Затем процесс сушки выходит на стационарный режим, а ее кривая асимптотически приближается к значению равновесной влажности при заданных условиях процесса. Время сушки при температуре 55 °С сократилось на 40–50 минут по сравнению с процессом сушки при 50 °С. Данная кривая сушки описывается уравнением:

W C = 0,0033t² - 0,8948t + 89,884 . (2) Коэффициент детерминации у модели, описываемой уравнением 2, достаточно высок - R² = 0,9887.

50 град         55 град grad           grad                  t, мин

Рисунок 6. Кривые сушки закваски на основе штамма МКБ L. acidophilus А-146 (терморадиационнаясушилка)

Figure 6. Drying curves of ferment based on lactobacilli L. acidophilus A-146 (thermoradiationdryer)

При высушивании закваски на конвективной сушилке применяли сушильный агент, нагретый до температур 55, 60 и 65 °C. При этом влажность навески составляла 54,5%. Пробы с массой 3 грамма высушивали до постоянного веса со взвешиванием навески каждые две минуты. По полученным данным было определено изменение текущей влажности в закваске с течением времени. Результаты в виде кривых сушки представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. Кривые сушки закваски на основе штамма МКБ L. acidophilus А-146 (конвективная сушилка)

Figure 7 .Drying curves of ferment based on lactobacilli L. acidophilus A-146 (convection drier)

Анализ кривых сушки показал, что при температуре 55 °Cвремя сушки закваски до постоянного веса составляет 2 часа 14 минут, приэтом она теряет 100% влаги. При температуре 60 °C время сушки сокращается на 30 минут, однако потеря влаги при этом аналогична предыдущему случаю. Увеличение температуры до 65 °C приводит к сокращению времени сушки на 46 минут по отношению к первому опыту. Влажность закваски полностью удалена, материал абсолютно сухой.

Кривые сушки, полученные конвективным способом, описываются следующими уравнениями:

• -    при t = 55 °C

  WC = 0,0024t2 - 0,6518t + 45,835,(3)

R² = 0.9907 ;

• -    при t = 60 °C

  WC = 0,0034t2 - 0,7702t + 43,585,(4)

R² = 0.9931 ;

• -    при t = 65 °C

  WC = 0,0053t2 - 0,9785t + 45,38,(5)

R² = 0.9908 ;

Множественные коэффициенты детерминации у моделей высоки и показывают, что они с достаточной точностью описывают процесс сушки.

Третья проба подвергалась сублимационной (лиофильной) сушке. Для этого закваску массой 2 грамма расфасовывали в стерильные стеклянные флаконы, закрывали с соблюдением стерильности и замораживали при температуре (-18 ° С). После полного замораживания флаконы подвергали вакуумированию. В процессе вакуумной сушки при удалении из образцов влаги происходило сублимирование (лиофилизация). Полученные концентраты герметично упаковывали.

После сушки активированной закваски определено количество микроорганизмов полезной микрофлоры в 1 г каждого высушенного образца закваски. Анализ полученных данных показал, что во всех образцах количество клеток не превысило 1-106 КОЕ/г.Например, в образцах закваски, подвергнутых терморадиационному высушиванию, количество клеток составляло (2–6)⋅104 КОЕ/г, в образцах, полученных при конвективной сушке (5–9)⋅105 КОЕ/г. В то время как при сушке терморадиационным методом титр полезной микрофлоры показал 1⋅105 КОЕ/г, что ниже в десять раз по отношению к двум другим видам сушки. Учитывая, что температура проведения процесса не является разрушающей для заквасочных микроорганизмов – вероятнее всего пониженная выживаемость микрофлоры связана именно с радиационной активностью ламп.

Выводы

В результате исследований антагонистической активности хлебопекарных промышленно ценных штаммов были установлено, что наибольшими антимикробными свойствами обладает штамм МКБ L. acidophilus А-146.

Внесение штамма МКБ L. acidophilus А-146 в закваску приводит к уменьшению вязкости в процессе созревания почти в 3 раза, а при хранении – в 2 раза, что способствует стабилизации ее