CC BY
0
международная научно-практическая конференция , t „Молоко 2050: наукоемкие РЕШЕНИЯ
Научная статья
УДК 637.142:044/577.152.9
DOI: 10.52653/РР1.2022.3.3.005
Биоконверсия лактозы в модельных молочных системах с промежуточной влажностью
Елена Евгеньевна илларионова
внии молочной промышленности, москва, e_illarionova@vnimi.org
Аннотация. Органолептические характеристики и микроструктура полисахаридных комплексов систем с промежуточной влажностью, в состав которых в качестве молочной основы включены продукты переработки молока с высоким содержанием лактозы, в значительной степени обусловлены концентрацией молочного сахара. Нарушение процесса кристаллизации способствует росту крупных кристаллов, что приводит к возникновению пороков консистенции и получению некондиционной продукции. Перспективным решением этой проблемы является регулируемая биоконверсия с использованием р-галактозидазы, когда посредством расщепления лактозы на глюкозу и галактозу направленно понижают уровень насыщения в системе. Принимая во внимание ассортиментное разнообразие продуктов с промежуточной влажностью, в сырьевой состав которых в качестве молочной основы может быть включено значительное количество побочных продуктов переработки молока с высоким содержанием лактозы (сыворотки, молочные ретентаты и пермеаты), сохраняется актуальность получения новых данных в области биоконверсии молочного сахара для усовершенствования технологии производства и предупреждения пороков консистенции. В статье представлены алгоритм и результаты эксперимента по установлению оптимального режима проведения ферментативной биоконверсии молочного сахара в модельных молочных системах, обеспечивающего степень гидролиза, достаточную для сохранения остаточной лактозы в растворенном состоянии с последующим контролем микроструктуры объектов исследования. Полученные данные подтвердили эффективность предлагаемого методического подхода по достижению необходимой глубины биоконверсии лактозы с учетом требований к физико-химическим и органолептическим показателям продукта и сырьевых особенностей рецептур.
Ключевые слова: молочные системы, продукты с промежуточной влажностью, лактоза, кристаллизация, фермент р-гапактозидаза, биоконверсия, степень гидролиза
Для цитирования: Илларионова Е. Е. Биоконверсия лактозы в модельных молочных системах с промежуточной влажностью // Пищевая промышленность. 2022. № 3. С. 20-23.
Original article
Bioconversion of lactose in model milk systems with intermediate moisture
Elena E. Illarionova
All-Russian Dairy Research Institute, Moscow, e_illarionova@vnimi.org
Abstract. The organoleptic characteristics and microstructure of polysaccharide complexes of systems with intermediate moisture content (in which a certain amount of milk processing products with a high lactose content) can be included as a milk base, mostly depend on the state of milk sugar that initiates the growth of large crystals (in the case of an uncontrolled crystallization process in a supersaturated solution ), which leads to defects in consistency and the production of substandard products for direct consumption or further industrial processing. The most perspective solution to this problem is a conduction of the targeted bioconversion with the use of p-galactosidase, when lactose is cleaved into glucose and galactose and then its crystallized part is transferred into a dissolved state. Taking into account the assortment diversity of products with intermediate moisture, the raw material composition of which can include a significant amount of by-products of milk processing with a high content of lactose (whey, milk retentates and permeates) as a milk base, it remains relevant to obtain new data in the field of milk sugar bioconversion for improvement production technologies and prevention of defects in consistency. The article presents an algorithm and the experiment results to establish the optimal mode for carrying out the enzymatic bioconversion of milk sugar in model dairy systems, providing a degree of hydrolysis sufficient to maintain lactose in a dissolved state, followed by control of the microstructure of the objects of study. The data we obtained confirmed the effectiveness of the proposed methodological approach, to achieve the required depth of bioconversion of milk sugar, taking into account the requirements for the physicochemical and organoleptic characteristics of the product and the raw material characteristics of the formulations.
Keywords: milk systems, products with intermediate moisture, lactose, crystallization, enzyme p-galactosidase, bioconversion, degree of hydrolysis
For citation: Illarionova E. E. Bioconversion of lactose in model milk systems with intermediate moisture // Food processing industry. 2022;(3):20-23 (In Russ.).
Автор, ответственный за переписку: Елена Евгеньевна Илларионова, eJHanonova@vnimi.org Corresponding author: Elena E. Illarionova, ejllarionova@vnimi.org
© Илларионова Е. Е., 2022
20 3/2022 пищевая промышленность issn 0235-2486
МОЛОКО 2050: НАУКОЕМКИЕ РЕШЕНИЯ^
_BHI
FOODBiOfECHNOLOGy
Введение. Молочный сахар (лактоза) является неотъемлемым компонентом молочных и молокосодежащих продуктов с промежуточной влажностью. Их ассортиментная вариативность обусловлена совокупностью технологических приемов и применением новых пищевых ингредиентов, позволяющих производить как традиционные молочные консервы, так и разнообразные продукты на молочной основе с заданными физико-химическими, органолептическими и реологическими характеристиками [1]. Лактоза, присутствующая в их водной части в виде пересыщенного раствора, создает определенные технологические трудности в процессе охлаждения, когда при резком перепаде температур в массе продукта стремительно изменяется скалярная функция системы, что сопровождается переходом молочного сахара из насыщенного раствора в пересыщенный, а затем в кристаллическое состояние. В случае нерегулируемого протекания процесса кристаллизации в продуктах с концентрацией лактозы, превышающей 16 % при 20 °С в водной части, происходит хаотичный рост крупных кристаллов молочного сахара с образованием агломератов, что может оказывать крайне негативное воздействие на вкусовые, структурно-механические показатели и технологические свойства [2, 3].
Наиболее конструктивным решением этой проблемы является включение в производственный цикл этапа биоконверсии или ферментативного гидролиза, когда кристаллизуемую долю лактозы переводят в растворенное состояние посредством расщепления на глюкозу и галактозу, растворимость которых значительно выше. направленную биоконверсию молочного сахара осуществляют посредством применения р-галактозидаз различной природы [4, 5]. Для гидролиза лактозы в молочных продуктах с промежуточной влажностью целесообразно использовать нейтральную р-галактозидазу, получаемую преимущественно из дрожжей вида Kluyveюmyces lactis (Saccharomyces lactis), поскольку р-галактозидазы дрожжевого происхождения характеризует высокая термостабильность, а также кислотный и температурный оптимумы, наиболее соответствующие условиям производства [6, 7].
Учитывая ассортиментное разнообразие продуктов с промежуточной влажностью, в сырьевой состав которых в качестве молочной основы может быть включено значительное количество побочных продуктов переработки молока с высоким содержанием лактозы (сыворотки, молочные ретентаты и пермеаты), сохраняется актуальность получения новых данных в области биоконверсии молочного сахара для усовершенствования технологии производства и предупреждения пороков консистенции.
Цель исследования - определение оптимальных условий процесса гидролиза лактозы в продуктах с промежуточной влажностью на молочной основе. Задачей проводимого эксперимента являлось установление режимов ферментативной биоконверсии лактозы в модельных молочных системах с наиболее благоприятными температурно-временными параметрами и дозами внесения ферментного препарата, обеспечивающими эффективность гидролиза, достаточную для сохранения лактозы в растворенном состоянии, с последующим контролем микроструктуры экспериментальных моделей.
объекты и методы исследований.
В качестве объектов исследований были выбраны молоко сухое цельное, соответствующее требованиям ГОСТ 336292015, сыворотка сухая подсырная по ГОСТ 33958-2016, молочный сахар (лактоза) по ГОСТ 33567-2015, фермент ASTROLACT 5000 («Calza Clemente», Италия) - нейтральный препарат жидкой очищенной р-галактозидазы (лактазы), активностью 5000 NLU/л, произведенный путем ферментирования отобранного штамма дрожжей Kluyveromyces lactis, гидроли-зующий лактозу в смесь глюкозы и галактозы при рекомендованных параметрах активной кислотности 6,2 и температуре от 5 до 50 °С.
восстановление (гидратацию) сухого цельного молока, сухой сыворотки и растворение молочного сахара проводили в соответствии с расчетными данными дистиллированной водой с температурой (37±2) °С с использованием Homogenising System CAT-X120 и магнитного лабораторного перемешивающего устройства ММ2А при скорости 250-300 об/мин.
Ферментативный гидролиз в растворах лактозы и модельных молочных системах осуществляли в диапазоне рекомендованных производителем доз внесения ферментного препарата при экспериментально заданных температурных параметрах и постоянном перемешивании со скоростью 250-300 об/мин. Определение степени гидролиза лактозы выполняли в соответствии с методикой ФГАНУ «ВНИМИ» (Отраслевой реестр № 2-01-057-02) на основе йодометрического метода, обеспечивающей выполнение измерений степени гидролиза лактозы до 90%.
микроструктуру модельных молочных систем оценивали путем микроскопиро-
вания на микроскопе МИКМЕД-6 с камерой ТСА-5.0, с увеличением по объективу 10х, 40х (по камере 125-1000х).
результаты и их обсуждение. Форма проведения эксперимента носила классический характер. Ввиду влияния на эффективность гидролиза ряда факторов первая часть состояла в определении температурного оптимума, соответствующего максимальной интенсивности биоконверсии в совокупности с технологической спецификой производства продуктов с промежуточной влажностью.
на этом этапе проводили ферментативный гидролиз в модельных растворах лактозы с концентрацией 26% при температурах 30 °с, 40 °с и 50 °с, как наиболее подходящих к условиям подготовки молочной смеси в условиях производства, при продолжительности 30 мин, 60 мин и 90 мин.
Анализ экспериментальных данных показал, что в температурном диапазоне от 30 °с до 40 °с степень гидролиза лактозы является максимальной и заметно снижается с повышением температуры до 50 °с. Биоконверсия раствора лактозы выявила наилучший результат в присутствии трех различных дозировок фермента (0,01 %, 0,1 % и 0,2 %) при режиме (30±1) °С. Инкубирование при (40±1) °С приводило к снижению степени гидролиза в 1,1-1,2 раза, а при температуре (50±1) °С -в 2,5-3,0 раза по сравнению с максимальной, вероятно, ввиду частичной тепловой инактивации фермента.
С учетом установленного температурного оптимума (от 30 °С до 40 °С) проведение биоконверсии лактозы в модельных молочных системах в последующей работе осуществляли при средней температуре указанного диапазона (35±1) °С, благоприятной как для достижения наиболее полной гидратации дисперсной фазы сухих молочных компонентов, так и для максимальной эффективности ферменти-рования.
на втором этапе эксперимента исследовали зависимость степени гидролиза лактозы от концентрации фермента (%) и продолжительности процесса (мин) при выбранной температуре.
Контроль эффективности биоконверсии производили в образцах, моделирующих состав концентрированной смеси для производства продукта с промежуточной влажностью на молочной основе (см. таблицу),
Физико-химические показатели, дозы ферментного препарата и маркировка
экспериментальных модельных систем
Физико-химические показатели концентрированной смеси Доза ферментного преперата, %
Активная Массовая доля, % Маркировка модели
кислотность, ед. рН белка жира влаги лактозы лактозы в водной части К Ф1 Ф2 Ф3
6,2 10,0 10,3 55,4 19,5 26,0 - 0,1 0,2 0,3
Международная научно-практическая конференция Молоко 2050: НАУКОЕМКИЕ РЕШЕНИЯ
80
70
60
g.
50
40
.10
U
20
10
* // //
/ /
j /
f / / * / / !t
60
120
180
рНФ1
-Ф1
Продолжительность гидролиза, мин
Д рНФ2 Ф2
240
рНФЗ
---ФЗ
6,25
6,20
6,15
6,10
6,05
6.00
5,45
5,90
Рис. 1. Изменение степени гидролиза лактозы и активной кислотности в модельных молочных системах в процессе ферментирования
Рис. 2. Микроструктура контрольной пробы и экспериментальных образцов после 60 мин гидролиза
ПИЩЕВАЯБИОТЕХИОЛОГИЯ
перед внесением остальных компонентов полисахаридного комплекса, таких как сахар, различные олиго- и полисахариды, в том числе гидроколлоиды.
В дистиллированную воду с температурой (35±1) °С вносили сухое цельное молоко и сухую сыворотку в расчетном количестве, гомогенизировали в течение 1 мин, выдерживали 15 мин при указанной температуре и перемешивании. Перед добавлением ферментного препарата отбирали 100 г смеси в качестве контроля, пастеризовали при температуре (85±1) °С без выдержки и охлаждали до температуры (20±1) °С (образец К).
Оставшуюся молочную смесь распределяли на три части, вносили фермент в количестве 0,1 %, 0,2 % и 0,3 % и оставляли при температуре (37±1) °С и непрерывном перемешивании для проведения гидролиза. Через 60, 120, 180 и 240 мин производили контроль активной кислотности и от каждого из образцов отбирали 100 г смеси. Пробу помещали в водяную баню с температурой (85±1) °С на 10 мин для инактивации фермента, охлаждали до (20±1) °С, после чего осуществляли контроль степени гидролиза лактозы. Результаты эксперимента представлены на рис. 1.
Как следует из полученных данных, выраженное влияние на величину степени гидролиза лактозы оказывают оба исследуемых фактора (доза ферментного препарата и продолжительность гидролиза). При этом наибольшая разница в эффективности биоконверсии отмечена между пробой Ф1 и пробами Ф2 и Ф3. Повышение дозы ферментного препарата с шагом 0,1 % показало, что его концентрация более 0,2 % не оказывает значительного влияния на степень гидролиза, в особенности в первые 60 мин, поэтому увеличение дозировки используемой Р-галактозидазы сверх указанного параметра представляется нерациональным с точки зрения экономической целесообразности, а также во избежание избыточной глубины биоконверсии.
Фактор продолжительности гидролиза оказывал положительный линейный эффект на глубину биоконверсии. Однако, учитывая корреляцию этого показателя с динамикой снижения активной кислотности во всех образцах, нежелательно устанавливать длительность биоконверсии более 60-90 мин без рН-статирования системы.
По окончании гидролиза все пробы, полученные от образцов Ф1, Ф2 и Ф3, отправляли на хранение при температуре (4±2) °С. По истечении 48 ч был проведен их микроструктурный мониторинг. Результаты микроскопирования подтвердили расчетные и экспериментальные данные, показав отсутствие кристаллов лактозы в образцах Ф2 и Ф3 уже после 60 мин ферментирования, когда степень
гидролиза, достигнув 40 %, являлась достаточной для предупреждения кристаллизации в продукте с 26 %-ной концентрацией молочного сахара в водной части (рис. 2). В образце Ф1 с аналогичной продолжительностью ферментирования и степенью гидролиза около 25 % отмечено начало процесса кристаллообразования, свидетельствующее о недостаточной эф-
фективности биоконверсии. Кристаллы молочного сахара не обнаруживались в пробах Ф1 только после 180 мин фер-ментирования, что указывает на достижение необходимой степени гидролиза для этих образцов при значительном увеличении продолжительности выдержки.
Анализ представленных данных подтвердил, что направленный гидролиз
22
3/2022 пищевая промышленность issn 0235-2486
МОЛОКО 2050: НАУКОЕМКИЕ РЕШЕНИЯ^
_BHI
FÖÖDBIÖfECHNÖLÖGy
лактозы позволяет избежать образования крупных кристаллов. Для использованных модельных систем и вносимого ферментного препарата оптимальными условиями биоконверсии лактозы следует считать степень гидролиза на уровне 40 % продолжительностью 6090 мин, при температуре (35±1) °С с дозой ASTROLACT 5000 в количестве 0,2 %, при начальной величине активной кислотности 6,2 ед. рН.
Заключение. Направленная биоконверсия молочного сахара в производстве продуктов с промежуточной влажностью позволяет избежать пороков консистенции, связанных с нерегулируемым ростом кристаллов.
Расчет оптимальных условий проведения гидролиза лактозы в молочных полисахаридных системах должен быть соотнесен с растворимостью лактозы в водной фазе и основан на достижении степени гидролиза, обеспечивающей концентрацию неферментированной лактозы в водной части продукта в пределах 16 % при охлаждении до (20±1) °С. Температурно-временные параметры и максимальная глубина биоконверсии вариативны и устанавливаются в соответствии с требуемыми физико-химическими и органолептическими показателями, как, например, кислотность или интенсивность протекания реакции меланоидинообразования.
Представленный методический подход является универсальным и может быть использован для усовершенствования технологии любых продуктов с промежуточной влажностью на молочной основе, поскольку допускает учет специфики каждого конкретного производства и сырьевых особенностей рецептур.
Список источников
1. Galstyan A. G., Aksenova L. M., Lisitsyn A. B., Oganesyants L. A., Petrov A. N. Modern
approaches to storage and effective processing of agricultural products for obtaining high quality food products // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2019. Vol. 89. No. 2. P. 211-213. DOI: 10.1134/S1019331619020059.
2. Рябова А. Е., Хуршудян С. А., Семипят-ный В. К. Совершенствование методологии оценки консистенции продуктов, склонных к спонтанной кристаллизации сахаров // Пищевая промышленность. 2018. № 12. С. 74-76.
3. Torres J. K. F., Stephani R., Tavaresa G. M., de Carvalhoa A. F., Costa R. G. B., de Almeid C. E. R., at al. Technological aspects of lactose-hydrolyzed milk powder // Food Research International. 2017. Vol. 101. Issue 11. P. 45-53.
4. Argenta A. B., Nogueira A., Scheer A. P. Hydrolysis of whey lactose: Kluyveromyces lactis p-galactosidase immobilisation and integrated process hydrolysis-ultrafiltration // International Dairy Journal. 2021. Vol. 117. Issue 6. No. 105007.
5. Troise A. D., Bandini E., De Donno R., Meijer G., Trezzi M., Fogliano V. The quality of low lactose milk is affected by the side proteolytic activity of the lactase used in the production process // Food Research International. 2016. Vol. 89. Part 1. P. 514-525.
6. Остроумов Л. А., Гаврилов В. Г. Биотрансформация лактозы ферментными препаратами р-галактозидазы // Техника и технология пищевых производств. 2013. № 1. С. 66-73.
7. Rjabova A. E., Kirsanov V. V., Strizhko M. N., Bredikhin A. S., Semipyatniy V. K., Chervetsov V. V., Galstyan A. G. Lactose crystallization: current issues and promising engineering solutions // Foods and Raw Materials. 2013. Vol. 1. No. 1. P. 66-73.
References
1. Galstyan A. G., Aksenova L. M., Lisitsyn A. B., Oganesyants L. A., Petrov A. N. Modern
approaches to storage and effective processing of agricultural products for obtaining high quality food products. Herald of the Russian Academy of Sciences. 2019;89(2):211-213. DOI: 10.1134/S1019331619020059.
2. Ryabova A. E., Khurshudyan S. A., Semipyatniy V. K. Improving the methodology for evaluating the consistency of products prone to spontaneous crystallization of sugars. Pischevaya promyshlennost' = Food industry. 2018;(12):74-76 (In Russ.).
3. Torres J. K. F., Stephani R., Tavaresa G. M., de Carvalhoa A. F., Costa R. G. B., de Almeid C. E. R., at al. Technological aspects of lactose-hydrolyzed milk powder. Food Research International. 2017;101(11):45-53. https:// doi.org/10.1016/j.foodres.2017.08.043.
4. Argenta A. B., Nogueira A., Scheer A. P. Hydrolysis of whey lactose: Kluyveromyces lactis p-galactosidase immobilisation and integrated process hydrolysis-ultrafiltration. International Dairy Journal. 2021;117/6(105007). https://doi. org/10.1016/j.idairyj.2021.105007.
5. Troise A. D., Bandini E., De Donno R., Meijer G., Trezzi M., Fogliano V. The quality of low lactose milk is affected by the side proteolytic activity of the lactase used in the production process. Food Research International. 2016;89(1):514-525. https://doi.org/10.1016/jfoodres. 2016.08.021.
6. Ostroumov L. A., Gavrilov V. G. Biotransformation of lactose enzyme preparations p-galactosidase. Tekhnika i tekhnologiya pischevyh proizvodstv = Food processing: techniques and technology. 2013;(1):66-73 (In Russ.).
7. Rjabova A. E., Kirsanov V. V., Strizhko M. N., Bredikhin A. S., Semipyatniy V. K., Chervetsov V. V., Galstyan A. G. Lactose crystallization: current issues and promising engineering solutions. Foods and Raw Materials. 2013;1(1): 66-73.
Информация об авторе
Илларионова Елена Евгеньевна
ВНИИ молочной промышленности, 115093, Москва, ул. Люсиновская, д. 35, к. 7, e_iLLarionova@vnimi.org
Information about the author
Elena E. Illarionova
AU-Russian Dairy Research Institute, 35, bld. 7, Lusinovskaya str., Moscow, 115093, e_illarionova@vnimi.org
Статья поступила в редакцию 20.01.2022; одобрена после рецензирования 26.01.2022; принята к публикации 28.01.2022. The article was submitted 20.01.2022; approved after reviewing 26.01.2022; accepted for publication 28.01.2022.
