Сублимация как способ сохранения жизнеспособности молочнокислых бактерий в кисломолочных напитках

Кисломолочные напитки являются широко распространенными продуктами питания во всем мире. Известно, что данные продукты полезны своими функциональными свойствами и терапевтическими эффектами [1].

При употреблении напитков с лакто- и бифидобактериями дискуссионным остается вопрос о доступности и выживаемости бактерий в желудочно-кишечном тракте при различных условиях. Так, ученые из Новой Зеландии доказали, что бифидо- и лактобактерии 5 видов способны не только проявлять устойчивость по отношению к антибиотикам, но и антимикробные свойства по отношению к Enterobacter aecrogenes , Staphylococcus aureus , Salmonella menston [2].

Благодаря бифидо- и лактобактериям, входящим в состав кисломолочных напитков, лучше усваиваются лактоза и сложный молочный сахар. Для тех, кто страдает непереносимо- стью цельного молока из-за отсутствия в организме необходимого для этого фермента (лактазы), такая пища является настоящим спасением. Ее компоненты (такие как молочная кислота, диоксид углерода, небольшой процент алкоголя в кефире и кумысе) становятся отличным стимулятором для работы пищеварительных желез, создавая условия для комфортного и полного переваривания [3].

Большинство ученых, занимающихся проблемами изучения влияния лакто- и бифидобактерий на организм человека, высказывают мнение (на основании обработки многочисленных данных экспериментов и наблюдений), что эти микроорганизмы способны выступать как в качестве профилактических средств, так и в качестве составной части терапии многих заболеваний (синдром раздраженной толстой кишки, воспалительное заболевание кишечника, колоректальный рак), особенно в случае антибиотиковой диареи [4].

Наиболее распространенными в производстве кисломолочных напитков являются бактерии Streptococcus thermophilus , Lactobacillus delbrueckii , Lactobacillus helveticus , Lactobacillus fermentum, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus [5].

Lactobacillus delbrueckii ssp. Bulgaricus является широко используемой кисломолочной бактерией в молочной пищевой промышленности, особенно в производстве йогурта. Знание физиологической адаптации L. Bulgaricus к различным стрессам имеет большое значение при производстве. Одними из промышленных процессов, которые вызывают большую потерю жизнеспособности, являются бактериальная консервация, замораживание, сушка вымораживанием или распылительная сушка [6].

Также изучено поведение клеток молочнокислых бактерий и сделаны выводы, что жизнеспособность клеток L. Bulgaricus не изменяется в интервале температур 37-55°С. Штаммы становятся чувствительными к теплу при температуре выше 55°C [7].

Кисломолочные бактерии Lactobacillus plantarum и Lactobacillus rhamnosus входят в состав заквасок, используемых при производстве традиционных кисломолочных напитков (тан, кумыс, айран). Проводились исследования о влиянии лиофилизации на выживаемость Lactobacillus plantarum и Lactobacillus rhamnosus. Согласно результатам высушенные лиофильным способом бактерии L. plantarum и L. rhamnosus способны храниться при комнатной температуре в течение длительного времени в присутствии сахаров (миоинозитола, сорбита, фруктозы и трегалозы) [8].

В статье пражских ученых представлены результаты многофакторного эксперимента по определению оптимальных условий распылительной сушки Bifidobacterium bifidum . В качестве переменных параметров используются давление, температура, скорость подачи суспензии, скорость сушки. С помощью диаграмм поверхностного отклика удалось определить наиболее оптимальные параметры [9].

Распылительная сушка Lactobacillus spp ., выделенных из кефира, дала продукт, который при последующем хранении и дегидратации сохраняет свои пробиотические свойства, что возможно использовать в получении функциональных продуктов [10].

Для соевого молока таиландские ученые провели изучение выживаемости Lactobacillus plantorum TISTR 2075 в условиях распылительной сушки при температуре 70 ° С в присутствии 0-20% глюкозы при добавлении мальтодекстрина. Выживаемость составляет порядка 85% [11].

На примере Bifidobacterium проведены исследования выживаемости в условиях распылительной сушки температурой 75-85°С и сублимационной сушки (-80°С). При распылительной сушке погибает 99% бактерий [12].

Streptococcus thermophilus – грамположительная бактерия, принадлежащая к группе молочнокислых бактерий. Из-за ее способности метаболизировать сахар в молочную кислоту этот микроорганизм обычно используется на молочных заводах в качестве закваски ферментации йогурта [13].

Бактерии S. thermophilus обладают разной устойчивостью к действию неблагоприятных факторов внешней среды. Имеются сведения об использовании при производстве кисломолочных продуктов термоустойчивых (до 42°C) заквасок, включающих штаммы S. thermophilus [14].

Lactobacillus acidophilus - один из видов бактерий рода Lactobacillus . Эта бактерия используется в промышленности совместно со Streptococcus salivarius и Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus для изготовления ацидофилина и других ацидофильных напитков. L. acidophilus ферментирует лактозу до молочной кислоты, подобно многим другим молочнокислым бактериям [15].

Чешские ученые установили взаимосвязь между ростом Lactobacillus acidophilus , Bifidobacterium spp ., Streptococcus thermophilus и такими показателями, как кислотность среды, соотношение молочной и уксусной кислот. Выбраны наиболее оптимальные параметры [16].

Для стабильного производства культур с целью получения кисломолочных напитков требуются знания о влиянии условий их размножения и хранения. Австралийские ученые определяли такие условия для 7 видов микроорганизмов [17].

Лакто- и бифидобактерии могут быть успешно использованы для ферментации не только коровьего, но и соевого молока, что чрезвычайно важно для вегетерианцев. Так, хорватские ученые определили технологические параметры производства йогурта на основе соевого молока [18].

В настоящее время все большую популярность приобретают различного вида напитки с бифидо- и лактобактериями с добавлением различных функциональных ингредиентов. Так, в работе иранских ученых описано влияние добавки инулина на выживаемость Bifidobacterium lactis Bd12 в шоколадном молоке [19].

Предметом изучения иранских ученых является влияние экстракта чеснока на выживаемость lactobacillus acidophilus и Bifidobacterium bifidum . На примере кроликов им удалось доказать, что ферментированное молоко с экстрактом чеснока снижает содержание холестерина [20].

Поскольку современные кисломолочные напитки с целью повышения потребительской привлекательности содержат большое количество добавок: ароматизаторы, подсластители, фруктовые наполнители, то некоторые ученые изучают совместимость лакто- и бифидобактерий и добавок, в том числе поведение Bifidobacterium spp. в присутствии инулина, олигосахаридов, спирулины [21].

Кисломолочные напитки имеют средний срок годности 10-15 дней. На конец срока реализации в кисломолочных продуктах может накапливаться большое количество кисломолочных бактерий, а также есть риск развития бактерий группы кишечной палочки, стафилококков и сальмонелл [22].

Вопросы выживаемости и сохранения свойств бифидо- и лактобактерий в ходе хранения кисломолочных напитков важны не только с точки зрения получения качественных продуктов потребителем, но и с точки зрения логистического построения транспортного сбыта кисломолочных напитков. Иранские ученые в качестве объектов исследования выбрали пробиотический йогурт, для которого исследовано состояние микроорганизмов в течение 21 дня. Наибольшим изменениям подвержены бактерии Lactobacillus delbrueckii .

Для предотвращения порчи кисломолочных напитков можно использовать лиофильную сушку. Сублимационная сушка представляет собой процесс обезвоживания продукта путем испарения влаги из твердого состояния, минуя жидкое. При этом молекулярная структура продукта не изменяется, высушенный продукт отличается высокой пористостью, в результате чего первоначальные свойства продукта быстро восстанавливаются при гидратации.

Сублимация приводит к небольшой усадке и образует легкорастворимые продукты. В сублимированном состоянии бактерии находятся в анабиозе, лиофилизация обычно используется для сохранения жизнеспособности пробиотических культур в сухих заквасках и в пищевых ферментных препаратах.

Единственным недостатком сублимации является то, что не все штаммы микроорганизмов способны выжить. Основная причина гибели клеток – высокий осмос. Высокая концентрация растворенных веществ внутри клетки повреждает мембрану при переходе во внешнюю среду.

Целью данной работы является изучение влияния технологии сублимации на сохранение жизнеспособности молочнокислых бактерий ( Streptococcus thermopiles , Lactobacillus del-brueckii , Lactobacillus helveticus , Lactobacillus fermentum , Lactobacillus plantarum ) в сублимированных кисломолочных напитках (ряженка, йогурт, тан, айран, кумыс, катык, ацидофилин, закваска).

Методика

Исследования жизнеспособности молочнокислых бактерий были проведены методом МРС – для выделения лактобактерий, Блаурока – для выделения бифидобактерий, бульон Сабуро - для выделения грибов.

Объектами исследования были пробиотические культуры, содержащиеся в купленных кисломолочных напитках: йогурт (Activia, производство ООО DANONE, срок хранения не более 30 дней), ряженка (Пестравка, производство ООО Маслозавод «Пестравский», срок хранения 9 сут), катык (производство АО «ТОЛЬЯТТИМОЛОКО», срок хранения 7 сут), тан (производство ООО «НЕО ПРОДУКТ», срок хранения 90 сут), айран (ООО «НЕО ПРОДУКТ», срок хранения 90 сут), кумыс (ООО «НЕО ПРОДУКТ», срок хранения 90 сут), закваска (Пест-равка, производство ООО Маслозавод «Пестравский», срок хранения 7 сут), ацидофилин (производство ООО Маслозавод «Пестравский», срок хранения 10 сут) из торговых сетей г. Самары. Сублимированные образцы были получены при помощи лабораторного лиофилизатора серии VaCo производство ZIRBUS technology. Процесс сушки проходил при температуре минус 70°С под вакуумом.

Оценку видового состава и жизнеспособности кисломолочных культур проводили в микробиологическом отделе КДЛ Клиник СамГМУ МЗ РФ. Транспортировку материала в лабораторию проводили в лиофилизированном виде в герметичной стерильной таре в течение 3 сут с момента сублимации. В лаборатории в асептических условиях стандартную навеску лиоифи-лизата (соответствующую 1 мл жидкого продукта) ресуспензировали в физиологическом растворе и готовили десятикратные разведения в жидких питательных средах: МРС – для выделения лактобактерий, Блаурока – для выделения бифидобактерий, бульон Сабуро - для выделения грибов, тиогликолевую среду. Все используемые среды производста HiMedia. Посев инкубировали в термостате при температурах 28 и 35°С. Выросшие культуры идентифицировали с использованием времяпролетной масс-спектрометрии на приборе Microflex LT производства Bruker.

Результаты и их обсуждение

Объектами исследования были пробиотические культуры, полученные из кисломолочных напитков: йогурт, ряженка, айран, кумыс, катык, тан, закваска.

После сублимации были получены продукты порошкообразной структуры. Был проведен сравнительный органолептический анализ жидких кисломолочных напитков и сублимированных кисломолочных напитков после разведения водой. Сублимированные кисломолочные напитки после восстановления водой имеют очень высокие органолептические показатели, и большинство экспертов не обнаружило их отличие от кисломолочных напитков, не прошедших сублимационную сушку. В таблице 1 представлен органолептический анализ сублимированных напитков.

Таблица 1

Показатели	Сублимированные кисломолочные напитки
	йогурт	ряженка	закваска	тан	айран	кумыс	катык	ацидофилин
Kt К m Я к в 3 о В m	& 3 Й И 2 1 §	а 3 Й И а а | §	а з а а ° и	а в й и а а | §	а в а а | §	а в а а | §	а в а а | §	а в а а | §
8 о	я В в о н §	я в о н §	я В в о н §	я В о н §	я В в н §	я В в Я о н о 2 ^ В о В ц и В И	я В в о н § Я § ч °	я В в о н §
о m	«£ g е а^ й § м X 2 В Я м 2 со У Ю	о § § 9 ° § 8 S К о о 8 н Ц В & о Й S м о	«£ g о 2 | й О ьй 2 м 5 О й о 2 а Ч с в У Ю	я в В § S о о 5 § в °	О о	я 9 § cd и У й о в ” В § я в & S ” g п я О в 4 о	«£ g е а^ й о у X 2 в Я « м 2 СО У Ю	& 5 ё § ё 3 5 §
		а« о	ю	о я 5	о я 5	о я 5	о я 5	о я 5

Органолептический анализ сублимированных кисломолочных напитков

Органолептический анализ показывает, что сублимированные кисломолочные напитки имеют схожие показатели. В сравнении с жидкими напитками сублимированные имеют более насыщенные и выраженные вкус и аромат.

В таблице 2 представлены результаты исследований микрофлоры несублимированных жидких напитков.

Таблица 2

Микрофлора несублимированных кисломолочных напитков

Напиток	Микрофлора	Количество, КОЕ/мл
Ряженка	Streptococcus thermopiles	106-107
Йогурт	Lactobacillus delbrueckii	106-107
Айран	Lactobacillus helveticus	107
Кумыс	Lactobacillus fermentum Lactobacillus plantarum	106-107 106-107
Закваска	Lactobacillus fermentum	107
Тан	Candida kefur Lactobacillus rhamnosus	105 107
Катык	Lactobacillus delbrueckii	106-107
Ацидофилин	Lactobacillus acidophilus	107

Streptococcus thermopilus и Lactobacillus fermentum являются наиболее распространенными культурами лактобактерий, используемых в производстве кисломолочных напитков. Данные культуры производят летучие метаболиты, придающие специфические вкусовые качества кисломолочным напиткам (Lodato, Segovia, 1999).

Из кисломолочных продуктов, представленных в таблице 2, получили сублимированные образцы напитков. В дальнейшем изучали микрофлору сублимированных напитков и проводили идентификацию бактерий. В таблице 3 представлены результаты по идентификации культур в сублимированных кисломолочных напитках.

Таблица 3 Культуры кисломолочных бактерий

Напиток	Срок и условия хранения	Микрофлора (микроорганизмы)	Количество КОЕ/мл
Йогурт	0-5 дней	Lactobacillus delbrueckii	106-107
	жидкая (исходная)	Lactobacillus delbrueckii	106-107
Ряженка	0-5 дней	Streptococcus termophilus	106-107
	жидкая (исходная)	Streptococcus termophilus	106-107
Айран	0-5 дней	Lactobacillus helveticus	107
	жидкая (исходная)	Lactobacillus helveticus	107
Закваска	0-5 дней	Lactobacillus fermentum	105
	жидкая (исходная)	Lactobacillus fermentum	107
Тан	0-5 дней	Canduda kefur Lactobacillus rhamnosus	105 107
	жидкая (исходная)	Canduda kefur Lactobacillus rhamnosus	105 107
Катык	0-5 дней	Lactobacillus delbrueckii	106-107
	жидкая (исходная)	Lactobacillus fermentum	106-107
Кумыс	0-5 дней	Lactobacillus fermentum	106-107
	жидкая (исходная)	Lactobacillus fermentum	106-107
Ацидофилин	0-5 дней	Lactobacillus acidophilus	106-107
	жидкая (исходная)	Lactobacillus acidophilus	106-107

Закваска йогурта представлена бактериями из родов Lactobacillus и Streptococcus. В исследуемом образце йогурта имеются культуры Lactobacillus delbrueckii. Ряженка в составе содержит культуры Streptococcus termophilus . В традиционных кисломлочных напитках были обнаружены культуры Lactobacillus helveticus, Canduda kefur, Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus fermentum. Продукт «Закваска» в своем составе имеет молочнокислые бактерии Lactobacillus fermentum и Lactobacillus acidophilus .

Закваска для кисломолочного напитка «Катык» содержит в своем составе молочные дрожжи, термофильные молочные стрептококки и болгарскую палочку. В исследуемом ка-тыке содержатся культуры Lactobacillus fermentum и Lactobacillus delbrueckii .

По результатам, представленным в таблице 3, видно, что молочнокислые бактерии Streptococcus thermophilus , Lactobacillus delbrueckii , Lactobacillus helveticus , Lactobacillus fermen-tum , Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus после процесса сублимации полностью сохраняются. Состав микробной фазы не изменяется, не происходит контаминация, а также численность бактерий не снижается. Отсюда можно сделать вывод, что сублимация вводит бактерии в состояние анабиоза, но после гидратации они восстанавливают свою жизнедеятельность. Гидратация происходит при создании разведений микробной фазы.

Проводились исследования по определению физико-химических показателей сублимированных кисломолочных напитков. Определяли влажность, кислотность сублимированных напитков, а также рассчитывали материальный баланс процесса сублимационной сушки для кисломолочных напитков.

В таблице 4 приведены физико-химические показатели сублимированных кисломолочных напитков.

Таблица 4

Физико-химические показатели сублимированных кисломолочных напитков

Напиток	Влажность, %	Кислотность, °Т	Выход, %
Йогурт	4,0	192	14,3
Ряженка	4,5	165	11,9
Тан	4,3	127	5,2
Айран	4,1	134	4,8
Кумыс	4,2	92	5,1
Катык	4,7	151	13,8
Закваска	5,1	163	14,5
Ацидофилин	4,4	142	12,4

У сублимированных продуктов достаточно низкая влажность (не превышает 6%). Именно этот фактор способствует вводу молочнокислых бактерий в состояние анабиоза.

Также нужно отметить, что масса сублимированных кисломолочных продуктов значительно уменьшается и составляет не более 20% от исходной массы, значения представлены в таблице 4.

Кислотность сублимированных кисломолочных напитков немного выше чем у жидких (например, наибольшее значение кислотности у йогурта в жидком состоянии составляет 180 ° Т). Однако этот факт легче объясним, так как содержание влаги уменьшается, а количество кислот остается прежним.

Вывод

Сублимация способствует сохранению молочнокислых бактерий в сублимированных кисломолочных напитках, вводя данные бактерии в состояние анабиоза. В анабиоз бактерии входят из-за резких изменений окружающей их среды: экстремально низкой температуры (-70ᵒС) и практически полного отсутствия влаги. Влага из кисломолочных напитков удаляется в виде кристаллов льда под вакуумом. После гидратации молочнокислые бактерии полностью восстанавливают свою жизнедеятельность.