Технологические аспекты производства обогащенных кисломолочных продуктов с использованием молочной сыворотки

Разработка технологии продуктов питания, способствующих укреплению защитных функций организма человека и снижающих риск воздействия вредных факторов, расширение их ассортимента являются одним из приоритетных направлений развития пищевой промышленности. В качестве молочной основы для производства функциональных продуктов заслуживает внимания применение вторичного молочного сырья, в частности, молочной сыворотки, рациональное использование которой является важным резервом увеличения объёмов вырабатываемой молочной продукции [1, 2].

Одним из экономически выгодных направлений использования вторичного молочного сырья считается производство продуктов, обогащенных функциональными ингредиентами, в том числе, пробиотической микрофлорой, играющей важную роль в поддержании здоровья человека, и растительными добавками с высоким содержанием биологически активных веществ, улучшающими вкусовые характеристики и консистенцию продуктов. Для повышения биологической ценности целесообразно применение в технологии продуктов концентратов сывороточных белков, полученных ультрафильтрацией молочной сыворотки [3,4].

В связи с этим актуальны исследования в направлении разработки технологии обогащенных кисломолочных продуктов функционального назначения с использованием молочной сыворотки.

Целью настоящей работы является разработка технологии кисломолочных продуктов на основе белково-углеводного сырья с использованием в составе закваски пробиотических культур.

При выполнении экспериментальной части работы использованы стандартные и общепринятые методы физико-химических, органолептических, микробиологических исследований. Реологические характеристики кислотных сгустков определяли на ротационном вискозиметре «Реотест 2.1», массовую долю белка - на приборе «Милко Скан ФТ 120» и анализаторе «Foss Tecator Kjeltec 2300», аминокислотный состав продуктов ‒ на анализаторе «Aracus», профиль углеводов в сиропе шелковицы белой – на анализаторе «Agilent 1260». Исследования проводили в 3-5 кратной повторности. Для математической обработки экспериментальных данных использовали методы статистического и регрессионного анализа с применением персонального компьютера и специального пакета прикладных программ (Microsoft Excel 2007, Statictica 6.0).

В состав заквасочной микрофлоры выбраны пропионовокислые бактерии, ацидофильные молочнокислые палочки и микрофлора кефирных грибков, совместное использование которых позволит усилить пробиотические и функциональные свойства продуктов за счет взаимодополняющего положительного влияния на состав микрофлоры кишечника, иммунный статус организма человека, а также будет способствовать улучшению их органолептических показателей в результате накопления разнообразных продуктов гомо- и гетероферментативного молочнокислого и спиртового брожения.

Проведена сравнительная оценка развития заквасочных культур в подсырной сыворотке и обезжиренном молоке. Установлено, что пропионовокислые бактерии снижают среднюю удельную скорость роста и среднюю скорость кислотообразо-вания при их культивировании в сыворотке (посевная доза – 5 %, температура - 30 оС, продолжительность – 24 ч) по сравнению с обезжиренным молоком в 1,38‒1,46 раза и 1,37‒1,57 раза, соответственно, в зависимости от вида исследу- емых штаммов. Отмечено также уменьшение активности роста и кислотообразова-ния ацидофильных молочнокислых палочек и микрофлоры кефирных грибков при их культивировании в сыворотке. При производстве кисломолочных продуктов на основе подсырной сыворотки требуется достаточно длительная ферментация для получения выраженного кисломолочного вкуса продукта, отмечается появление сывороточного привкуса, неоднородной консистенции. Для повышения активности развития заквасочной микрофлоры, улучшения органолептических показателей предложено совместное использование в качестве молочной основы продуктов сыворотки и обезжиренного молока.

Исследованы закономерности совместного развития заквасочных культур в молочно-сывороточной среде, содержащей различные доли обезжиренного молока. Скорость развития заквасочной микрофлоры, которая оказывает существенное влияние на показатели качества готового продукта (выраженность вкуса и аромата, консистенцию, микробиологические показатели, в том числе содержание пробиотической микрофлоры), регулировали начальным соотношением культур в составе закваски, дозой закваски и температурой сквашивания с учетом создания более благоприятных условий для пропионовокислых бактерий, характеризующихся пониженной биохимической активностью в молочных средах. Установлено, что пропионовокислые бактерии (результаты исследований представлены с культурой Pr. freudenreichii ВКПМ В4544, показавшей более высокую скорость роста в сыворотке и обезжиренном молоке) наиболее активно развивались в совместных культурах при дозе кефирной закваски 1,5‒2 %, ацидофильных молочнокислых палочек – 0,1-0,5 % (табл.1).

Таблица 1. Активность развития пробиотических микроорганизмов в молочно-сывороточной среде (П -пропионовокислые бактерии, К - кефирная закваска, А - L.acidophillus 317/402)

Соотношение культур в закваске (доза – 5 %)	Количество микроорганизмов, млн. КОЕ/см3		Время образования сгустка, ч	Кислотность
	Пропионовокислые бактерии	Ацидофильная палочка		о Т	рН
П:К:А=1:1:1	37±23	240±41	6,5±0,5	92±2	4,5±0,02
П:К:А=2,5:2:0,5	125±28	120±52	8,5±0,5	76±2	4,76±0,02
П:К:А:=2,5:2,4:0,1	118±31	98±40	12±0,5	70±2	4,83±0,02
П (контроль)	98±42	-	18,5±0,5	68±2	4,88±0,02

Результаты опытов показали, что средняя удельная скорость роста пропионовокислых бактерий увеличивалась в 1,53‒2,21 раза по сравнению с их чистой культурой. По-видимому, стимулирующий эффект обусловлен тем, что в процессе развития микрофлоры кефирной закваски, в частности, дрожжей, являющихся аэробами и снижающими концентрацию растворенного в среде кислорода, происходит снижение окислительно-восстановительного потенциала среды и, соответственно, ускоряется развитие пропионовокислых бактерий. Выявлено, что более активный их рост и лучшие органолептические показатели наблюдалось в совместных культурах при использовании штамма L.acidophillus 317/402, отличающегося более низкой энергией кислотообразования на первом этапе сквашивания. При использовании вязкого штамма ацидофильной палочки сгусток был слизистым, тягучим, что ухудшало суммарную балльную оценку продукта. Увеличение посевной дозы ацидофильной палочки более 0,5 % (соотношение культур в составе закваски 1:1:1), приводило к сокращению продолжительности сквашивания и уменьшению содержания жизнеспособных клеток пропионовокислых бактерий в 3,1‒4,2 раза. Динамика изменения кислотности в процессе сквашивания молочно-сывороточной среды показана на рис. 1.

а)

Рисунок 1. Изменение титруемой (а) и активной (б) кислотности в совместных культурах при различном начальном соотношении пропионовокислых бактерий (П), ацидофильных молочнокислых палочек (А) и кефирной закваски (К): 1 - П:К:А=1:1:1; 2 - П:К:А=2,5:2:0,5; 3 - П:К:А:=2,5:2,4:0,1

Результаты выполненных исследований показали, что использование для ферментации молочно-сывороточной среды поликомпонентной закваски (5 %), содержащей пропионовокислые бактерии, кефирную закваску и ацидофильные молочнокислые палочки в соотношении 2,5:2:0,5 соответственно, при оптимальной для пропионовокислых бактерий температуре (30оС) обеспечивает наиболее высокий выход их жизнеспособных клеток в конце сквашивания при сравнительно быстром нарастании кислотности среды (образование сгустка в течение 8‒9 ч) и достаточно высоком содержании ацидофильной палочки, что будет обусловливать пробиотические свойства готового продукта [5].

Исследовано влияние состава молочной основы, содержащей в различном соотношении подсырную сыворотку и обезжиренное молоко, на активность сквашивания и свойства кислотного сгустка при производстве продуктов. С целью повышения их биологической ценности за счет увеличения содержания сывороточных белков показана целесообразность использования в составе молочной смеси бел-ково-углеводной основы (БУО) с массовой долей сухих веществ 10‒12 %, получаемой методом ультрафильтрации подсырной сыворотки.

Установлено, что добавление обезжиренного молока в БУО, как и в сыворотку, активизировало развитие заквасочной микрофлоры, что приводило к увеличению скорости кислотообразования в 2,05‒2,16 раза и уменьшению продолжительности сквашивания на 3,5‒4 ч в зависимости от доли обезжиренного молока, способствовало улучшению органолептических показателей, структурно-механических свойств и влагоудерживающей способности кислотных сгустков. Так, при увеличении доли обезжиренного молока в смеси с 25 до 75 % отмечается снижение потерь вязкости на 10,5‒22,4 %, повышение степени восстановления структуры на

16,3‒18,6 %, увеличение влагоудерживающей способности сгустка на 20‒26 % в зависимости от состава молочно-сывороточной основы (рис. 2).

а)

Рисунок 2. Влияние массовой доли обезжиренного молока в молочно-сывороточной основе на структурномеханические свойства кислотного сгустка:

ПВ – потеря вязкости, В – восстановление структуры – (а) и синеретические – (б)

С использованием метода ортогонального композиционного планирования эксперимента [6, 7] выявлены закономерности и получены математические модели изменения количества жизнеспособных клеток пробиотической микрофлоры, продолжительности сквашивания, органолептических показателей, эффективной вязкости и влагоудерживающей способности сгустка от технологических факторов (х1 ‒ массовая доля обезжиренного молока в молочно-сывороточной основе, %; х2 ‒ температура сквашивания, оС; х3 – массовая доля закваски, %), оказывающих наиболее существенное влияние на активность развития заквасочной микрофлоры, кислотообразование в процессе сквашивания и свойства кислотного сгустка. Анализ полученных зависимостей показал, что в исследуемом диапазоне факторов на органолептические показатели более сильное влияние оказывают температура сквашивания и доля обезжиренного молока в составе смеси, влагоудерживающая способность и эффективная вязкость сгустка в значительной степени зависят от доли обезжиренного молока в смеси, на активность развития пробиотической микрофлоры и интенсивность сквашивания существенное влияние оказывают температура сквашивания и доза закваски.

В качестве примера приведены математические модели, адекватно отражающие зависимости изменения органолептических показателей (у2 ‒ суммарная оценка за вкус, запах, цвет и консистенцию, балл), влагоудерживающей способности (у3; %) и эффективной вязкости (у5; Па∙с) сгустка от исследуемых факторов (55≤ х1 ≤65, 25≤ х2 ≤35, 1≤ х3 ≤5) для молочной смеси, содержащей БУО и обезжиренное молоко:

у2= - 85,6118-2,307х1-0,0179х12+1,6173х2-0,0267х22+0,6383х3;

у3= 704,7316-19,9618х1-0,1551х12-5,9308х3+0,6509х32;

у5= - 0,4376х2+0,0076х22+0,355х3.

Рисунок 3. Поверхность отклика зависимости органолептических показателей от исследуемых факторов

Графическая интерпретация уравнений регрессии показана на примере органолептических показателей (у2) для молочной смеси, содержащей БУО и обезжиренное молоко (рис. 3).

Анализ графиков поверхностей отклика и контурных графиков полученных зависимостей позволил установить рациональные соотношения в молочной смеси между обезжиренным молоком и подсырной сывороткой (65‒70:35‒30), обезжиренным молоком и БУО (60‒65:40‒35), обеспечивающие хорошие органолептические, структурно-механические характеристики и влагоудерживающие свойства продуктов, а также определить режимы ферментации (температура сквашивания – 29‒31 оС, доля закваски – 3‒5 %), позволяющие достигать достаточно высокого содержания пробиотической микрофлоры в готовом продукте (7,9‒8,2 lg КОЕ/см3).

Для повышения пищевой ценности, улучшения органолептических свойств продуктов предложено использование в качестве наполнителя сиропа плодов шелковицы белой, производимого без добавления сахара (массовая доля сухих веществ ‒ 70 %, в том числе углеводов – 50,7 %) и содержащего комплекс биологически активных веществ (моносахариды и дисахариды, органические кислоты, пектины, соли меди и железа, витамины, антиоксиданты и др.) [8]. Исследовано влияние массовой доли сиропа и титруемой кислотности сгустка, являющейся важным параметром, определяющим его готовность к последующим операциям технологического процесса, на свойства продуктов. Получены математические модели, адекватно аппроксимирующие зависимости изменения органолептических показателей (у1, балл), влагоудерживающей способности (у2, %), эффективной вязкости (у3, Па∙с) сгустка от массовой доли сиропа (х1, %; 4≤ х1 ≤14) и кислотности сгустка (х2, оТ; 70≤ х2 ≤100):

у1= -30,5916+3,9913х1-0,2060х12+0,5922х2–0,0033х22;

у2= 195,0548-6,3867х1+0,3733х12-2,5296х2+0,0126х22;

у3= 1,028733х1 – 0,0478х12.

В качестве примера на рис. 4 представлена поверхность отклика и контурный график зависимости органолептических показателей продукта от исследуемых факторов. Анализ полученных зависимостей позволил определить предпочтительные значения исследуемых факторов: х1=8-9 %, х2=85-95 оТ, которые подтвердили результаты исследований органолептических свойств с использованием профильного метода (рис. 5). Применение сиропа шелковицы позволяет исключить сахар из рецептуры и получать готовый продукт, характеризующийся гармоничным кисломолочным, умеренно сладким вкусом и ароматом шелковицы, однородной консистенцией, приятным кремовым цветом, обусловленным цветом внесенного на- полнителя.

Рисунок 4. Поверхность отклика и контурный график зависимости органолептических показателей продукта от исследуемых факторов

Рисунок 5. Влияние доли сиропа шелковицы на органолептические свойства продукта

На основании проведенных исследований разработана технологическая схема получения обогащенных кисломолочных продуктов с применением резервуарного способа производства (рис. 6).

Приемка и опенка качества сырья (сыворотка, обезжиренное молоко, сироп шелковицы! предварительная обработка (очистка, пастеризация: сыворотка - Т= (76°=2) С. т= 15-20 с; рбедалрежре мм^                                    Т = (4±2)°С: резервирование)
+
Ультрафильтрация сыворотки, получение БУО, Т = (55±2)°С, Р = (0,4=0,02) МПа
Составление молочно-сывороточной смеси: соотношение между обезжиренным молоком и сывороткой - (65-70:35-30). между обезжиренным молоком и БУО -(60-65:40-35)
Пастеризация, Т = (76=2) °C. т= 15-20 с
Сквашивание. М. = 5% (состав закваски: пропионовокислые бактерии, кефирная закваска и ацидофильная палочка в соотношении 2,5:2:0,5), Т = (30=1) ^С, т= 7-8 ч: К = 80-85°Т (для продукта без наполнителя); К = 85-95°Т (для продукта с наполнителем)
Охлаждение, внесение сиропа шелковицы, Т=(20±2)°С, доля внесения сиропа- 8-9 ° о
Фасование, упаковывание, маркирование. Т=(20±2)°С ХААААААААААААААААААГ ^                        •     *     *             -       X         <\АЧА/У
Доохлаждение, хранение, Т = (4±2)ЧД

Рисунок 6. Технологическая схема производства обогащенных кисломолочных продуктов

Анализ аминокислотного состава продуктов подтверждает их достаточно высокую биологическую ценность. Включение в рецептуру продуктов БУО способствует повышению биологической ценности за счет обогащения их сывороточными белками, не имеющими лимитирующих аминокислот (табл. 2). Так, аминокислотный скор в напитках с БУО (массовая доля в молочной основе БУО – 35‒40 %) по сумме валина, метионина и цистина увеличился на 34,5‒37,2 %, по лейцину – на 51,0‒55,5 %, по изолейцину – 39‒42 %, по треонину – на 52,0‒56,2 %, по лизину – на 43,0‒46,4, %, по триптофану – на 61,3‒88,4 %.

Таблица 2. Биологическая ценность молочно-сывороточных продуктов

Аминокислота	Аминокислотный скор, %
	сыворотка+обезжиренное молоко		БУО+обезжиренное молоко
	без сиропа	с сиропом	без сиропа	с сиропом
Валин+метионин+цистин	91,8	84,5	129,0	119
Лейцин	133,3	122,0	188,0	173
Изолейцин	102,0	94,0	144,0	133
Треонин	135,8	124,0	192,0	176
Лизин	112,6	103,0	159,0	146
Триптофан	214,3	196,0	302,7	278

Аминокислота	Аминокислотный скор, %
	сыворотка+обезжиренное молоко		БУО+обезжиренное молоко
	без сиропа	с сиропом	без сиропа	с сиропом
Фенилаланин+тирозин	163,2	149,7	230,1	211

Сравнительная оценка показателя «индекс незаменимых аминокислот», учитывающего количество всех незаменимых аминокислот в продукте, показала, что он повышается в напитках с использованием БУО на 0,06-0,07 по сравнению с напитками, содержащими натуральную сыворотку.

Исследовано изменение органолептических, физико-химических, структурномеханических и микробиологических показателей в процессе хранения и установлен срок годности обогащенных кисломолочных продуктов в герметичной упаковке при температуре (4±2) ° С - 5 суток (без сиропа шелковицы) и 7 суток (с сиропом шелковицы).

Содержание жизнеспособных клеток пробиотической микрофлоры в опытных образцах на конец срока годности составляет: пропионовокислых бактерий ‒ (7,24‒7,65) lg КОЕ/см3 , ацидофильных молочнокислых палочек – (7,35‒7,72) lg КОЕ/см3, что свидетельствует о достаточно хорошей их выживаемости и обеспечивает пробиотические свойства продуктов. В течение всего срока хранения обогащенных кисломолочных продуктов количество жизнеспособных клеток лактококков составляло (7,49-8,01) lg КОЕ/см3, условно-патогенных, патогенных микроорганизмов и плесеней не было обнаружено.

Сравнительная оценка структурно-механических свойств продуктов показала, что внесение сиропа шелковицы повышает тиксотропные свойства (коэффициент потерь вязкости уменьшается на 10‒13 %, относительная степень восстановления структуры увеличивается на 12-13 %) и влагоудерживающую способность сгустка (на 3‒5 %), что, по-видимому, обусловлено проявлением его гелеобразующих свойств.

На новые виды обогащенных кисломолочных продуктов разработаны СТО 00493250-006-2014 и ТИ СТО 00493250-006-2014. Расчет экономической эффективности подтвердил целесообразность использования подсырной сыворотки, а также БУО, полученной методом ультрафильтрации сыворотки, в производстве обогащенных кисломолочных продуктов. Включение их в рецептуры продуктов, получаемых на основе обезжиренного молока, позволит снизить себестоимость 1 т продуктов на 1,87‒2,07 тыс. руб. и повысить рентабельность производства на 15,87‒17,92 %.

Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

‒ одобрана микрофлора и установлен состав поликомпонентной закваски для ферментированных молочно-сывороточных продуктов. Определены закономерности совместного развития пропионовокислых бактерий, кефирной закваски и ацидофильных молочнокислых палочек и наиболее благоприятное соотношение между ними (2,5:2:0,5, соответственно).

- выявлена целесообразность совместного использования подсырной сыворотки и обезжиренного молока в качестве молочной основы кисломолочных продуктов. Установлен состав двух вариантов молочно-сывороточной основы для кисломолочных продуктов (первый вариант ‒ обезжиренное молоко и подсырная сыворотка, второй вариант - БУО и обезжиренное молоко) и определены рациональные технологические параметры.

Установлена целесообразность использования сиропа плодов шелковицы белой для получения обогащенных кисломолочных продуктов и определена массовая доля внесения сиропа (8‒9 %) .

Установлен срок годности продуктов в герметичной упаковке при температуре 2‒6 оС, равный 5 суткам (для продуктов без сиропа шелковицы) и 7 суткам (для продуктов с сиропом шелковицы).