CC BY
35
КАЧЕСТВО И БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 637.5223/.528.055:579.67
Иммобилизация защитных культур
для биоконсервации термически обработанных мясных изделий
Е.А. Баранова, аспирант, В.В. Хорольский, д-р техн. наук, проф., Н.Г. Машенцева, д-р техн. наук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии А.В. Бухаров, канд. техн. наук, доц.
«Центр высоких технологий» Московского энергетического института (Технического университета)
Улучшение органолептических характеристик, микробиологическая безопасность и стойкость при хранении мясных ферментированных продуктов достигается использованием в технологии стартовых культур, в подавляющем большинстве представленных го-моферментативными молочнокислыми бактериями. Стартовые культуры влияют на развитие биохимических процессов, изменяют физико-химические параметры мясного фарша в течение ферментации.
Применение в производстве мясопродуктов защитных культур основано на способности некоторых молочнокислых бактерий образовывать специфические метаболиты (молочную кислоту, диацетил) и синтезировать бак-териоцины - антимикробные вещества пептидной или белковой природы. Для использования в пищевой промышленности наиболее интересен IIa класс бактериоцинов и среди них педиоци-нов, ингибирующих рост грамположи-тельных бактерий порчи, и патогенов типа Bacillus cereus, Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus и Listeria monocytogenes. Эффективность очищенных или частично очищенных бактериоцинов IIa класса в предотвращении порчи пищевых продуктов сравнима с действием низина или низина Z, соответственно, или превосходит его [1].
Перспективным представляется введение чистой культуры жизнеспособного продуцирующего бактериоцин штамма - косвенный путь включения бактериоцинов в мясные изделия, зависящий от способности добавленного штамма расти и продуцировать бакте-риоцины в течение процесса ферментации в промышленных условиях. Альтернативный механизм применения бактериоцинов в пищевых продуктах -нанесение их на упаковочные материа-
лы в очищенном виде. Эффективность упаковочного материала с антимикробным покрытием ClearTite™ (7,75 мкг педиоцина/см2) была изучена при хранении свежей бескостной говядины и свежего мяса птицы в течение 12 нед при 4 °С. Наличие педиоцина привело к полному ингибированию роста L. monocytogenes (начальная концентрация 103 КОЕ) уже через 2 нед, в то время как в контрольных образцах (упаковочный материал, не содержащий педиоци-на) концентрация патогенного микроорганизма достигла 106 КОЕ [2].
Бактериоцины или бактериоцинсин-тезирующие культуры могут стать альтернативой химическим консервантам, уменьшить интенсивность тепловой обработки, естественно сохраняя полезные свойства пищевых продуктов. Использование бактериоцинов в промышленном масштабе ограничивает их низкий синтез в течение производства пищевых продуктов. Задача состоит в том, чтобы повысить продуцирование бактериоцинов бактериями, увеличить активность и стабильность этих соединений.
Применение стартовых и защитных культур в мясной промышленности ограничивается производством сырых ферментированных мясопродуктов и изделий с длительной осадкой. Это связано с потерей жизнеспособности стартовых культур, являющихся мезофильными микроорганизмами, после термической обработки. При нагреве продукта до температуры 70±2 °С в процессе тепловой обработки практически полностью прекращается рост мезофильной микрофлоры и частично термофильных и спорообразующих бактерий в вегетативной форме.
Температура - один из важнейших внешних факторов, определяющих
Ключевые слова: микрокапсулиро-вание; иммобилизация; защитные культуры; биоконсервация; бактериоцины; мясные изделия; термоденатурация.
жизнедеятельность микроорганизмов на всех стадиях их развития. С практической точки зрения наиболее важны две области температур: температур, при которых происходит рост и размножение микроорганизмов, и температур, вызывающих летальные изменения в них.
Из всех механизмов термоинактивации микроорганизмов наиболее широкое распространение получили механизмы термоинактивации, обусловленные термоденатурацией белков клетки, а также нарушением целостности (проницаемости) клеточной мембраны.
Термоденатурация белков и нарушение проницаемости клеточной мембраны в целом равноправно могут претендовать на роль основного механизма термогибели клетки. Таким образом, критическим центром, термоповреждение которого ведет к гибели микроорганизма, является белковая структура, управляющая проницаемостью клеточной мембраны. Кроме того, термоинактивация микроорганизмов обусловлена рядом внешних (сухой или влажный нагрев, температура роста и инкубации клеток, рН и химический состав среды роста и нагрева) и внутренних (фаза роста, химический состав клеток, роль свободной воды) факторов [3].
Иммобилизация клеток микрокапсу-лированием - один из возможных способов защиты клеток молочнокислых бактерий от неблагоприятных факторов внешней среды, повышения стабильности внехромосомных носителей информации - плазмид, кодирующих важные технологические характеристики (сбраживание углеводов, синтез бактериоцинов), стимуляции производства и секреции вторичных метаболитов в процессе изготовления мясных продуктов. Например, установлено, что иммобилизация клеток культуры Pediococcus acidilactici UL5 позволила защитить штамм от влияния низких значений рН и способствовала стабильному синтезу педиоцина 5 в питательной среде MRS в отличие от свободных клеток. Кроме того, у свобод-
QUALITY AND SAFETY
ных клеток снижалась антилистериаль-ная активность педиоцина 5, исследованная методом отсроченного антагонизма. Несмотря на то, что сравнение плазмидных профилей свободных и иммобилизованных клеток не показало никаких различий, уменьшение активности бактериоцина в отношении Listeria объясняется снижением копий-ности плазмид в свободных клетках в процессе ферментации [4].
В настоящее время технология мик-рокапсулирования находит очень широкое применение в самых разнообразных отраслях, в том числе для производства лекарств и пищевых добавок. Для формирования микрокапсул с иммобилизованными клетками существует два основных метода: диспергирование и микрогранулирование. Что касается самой мембранной оболочки микрокапсул, то для ее создания либо проводят известные процедуры формирования полимерных мембран (межфазная поликонденсация, межфазная коацервация, гелеобразование в тонком слое), либо применяют методы получения полужидких мембран для искусственных липосом [5]. В качестве носителей можно использовать целлюлозу, декстран, агарозу, каппа-каррагинан, альгиновые кислоты и их соли, хитин, желатин, сывороточные белки и др.
В настоящее время доступное оборудование для микрокапсулирования не способно производить большие объемы микро- и нанокапсул единого размера. Поэтому существует потребность в проектировании и разработке оборудования для микрокапсулирования, чтобы вывести его производство на промышленный уровень.
В МГУПБ совместно с «Центром высоких технологий» Московского энергетического института (Технического университета) была выработана партия иммобилизованных клеток смеси штаммов-продуцентов педиоцинов Pediococcus acidilactici 38 и 27 в соотношении 1 : 1 на установке для микрокапсулирования и микрогранулирования лекарственных и витаминных препаратов методом вынужденного капиллярного распада струи на капли с последующим их отвердением. В качестве материала для иммобилизации использовали 1,5 %-ный водный раствор аль-гината натрия и кросс-агент - 0,1 М СаС12. Размер полученных капсул составил менее 600 мкм, что в 2-4 раза меньше размеров капсул, указанных в литературе.
Результаты исследования влияния тепловой обработки иммобилизованных и свободных клеток штаммов
P. acidilactici 27 и 38 при температуре 70±2 °С показали, что количество жизнеспособных клеток снизилось от начальной концентрации 9 до 5,11 lg КОЕ/мл через 60 мин в случае для иммобилизованных клеток и до 1,32 lg КОЕ/мл для свободных клеток уже через 30 мин (рис. 1).
Анализ просвечивающей электронной микроскопии с помощью просвечивающего электронного микроскопа LEO912 AB OMEGA свидетельствует об отсутствии морфологических изменений клеток штаммов после тепловой обработки (рис. 2).
Влияние температуры на изменение количества молочнокислых микроорганизмов и общего числа микроорганизмов в процессе тепловой обработки мясных продуктов исследовали на модельных фаршевых системах. В ходе эксперимента было приготовлено пять модельных фаршевых систем, в четыре из которых внесли свободные и микрокапсулированные штаммы P. acidilactici 27 и 38 концентрациями 6 и 9 lg КОЕ/г для каждого вида клеток соответственно. Термообработку проводили в течение 15 мин после достижения в центре образца температуры 70±2 °C.
Изменение числа жизнеспособных клеток штаммов P. acidilactici 27 и 38 в свободном и иммобилизованном виде учитывали до тепловой обработки (фон), сразу после тепловой обработки (0), в 1-, 3-, 5-е сут хранения при температуре 4±2 °C. В образцах определяли общее число микроорганизмов с использованием питательной среды МПА, не содержащей глюкозы и дрожжевого экстракта (табл. 1).
По результатам исследования была выбрана концентрация иммобилизованных клеток 9 lg КОЕ/г и разработан бактериальный препарат - биоконсервант «Витасфер» для производства термически обработанных мясных изделий, состоящий из микрокапсулиро-ванных клеток бактериоцинсинтезиру-ющих штаммов P. acidilactici 27 и 38.
Для подтверждения целесообразности использования биоконсерванта «Витасфер» в производстве мясопродуктов были выработаны контрольные и опытные образцы колбас в соответствии с рецептурой вареной колбасы высшего сорта «Докторская» ГОСТ Р 52196 и МУК 4.2.1847 «Санитарно-эпидемиологическая оценка обоснования сроков годности и условий хранения пищевых продуктов». В опытные образцы вносили бактериальный препарат «Витасфер» в количестве не более 0,5 % от массы колбасного фарша.
—*— Иммобилизованные клетки —■— Свободные клетки
Рис. 1. Изменение количества жизнеспособных свободных и иммобилизованных в 1,5 %-ный альгинатный гель клеток штаммов Р. аасШасНа 27 и 38 в соотношении 1: 1 в процессе тепловой обработки при 70±2 °С
ш
а 6 Рис. 2. Просвечивающая электронная микроскопия образцов микрокапсулированных клеток до (а) и после (б) тепловой обработки
Таблица 1
Общее количество микроорганизмов в модельных фаршевых системах
Образец, концентрация Количество микроорганизмов, lg КОЕ/г
микроорганизмов фон 0 сут 1 сут 3 сут 5 сут
Контроль 6,21 4,05 4,10 3,30 5,05
Свободные клетки, 6 1д КОЕ/г 5,88 4,85 4,18 4,06 3,70
Свободные клетки, 8 1д КОЕ/г 5,70 4,00 5,00 4,93 -
Иммобилизованные клетки, 6 1д КОЕ/г 6,37 4,04 4,00 - -
Иммобилизованные клетки, 8 1д КОЕ/г 6,08 5,70 - - -
Примечание. «-» - не обнаружено.
Контроль микробиологических показателей проводили сразу после выработки колбас, на 3-, 5-, 7- и 10-е сут (табл. 2).
В ходе исследования микробиологических показателей в процессе хранения образцов вареных колбас обнаружено, что в контрольных образцах на 5-е сут развиваются дрожжи и, в конце срока, на 10-е сут - бактерии группы кишечной палочки.
^КАЧЕСТВО^И^БЕЗОПАСНОСТЬ
Микробиологические показатели вареных колбас
Таблица 2
Микробиологические показатели, КОЕ/г Контрольный образец Опытный образец
0 сут 3 сут 5 сут 7 сут 10 сут 0 сут 3 сут 5 сут 7 сут 10 сут
КМАФАнМ 1,2х102 7,4х102 105 1,5х104 104 3х106 1,96х107 107 1,2х107 1,5х107
БГКП (колиформы) - - - - 102 - - - - -
Сульфитредуцирую- - -- -- - - - - -щие клостридии в 0,01 г продукта
Staph. aureus - -- -- - - - - -
Молочнокислые 102 1,1х102 1,4х10 1,1х10 1,7х10 3,2х106 1,6х108 1,7х107 1,2х107 1,9х107
микроорганизмы
Дрожжи - - 101 101 102 - - - - -
Плесени - - - - - - - - - -
Микроорганизмы рода Proteus - - - - - - - - - -
Примечание. «-» - не обнаружены.
На основании полученных результатов биоконсервант можно рекомендовать для использования в производстве мясных продуктов в целях повышения качества и продления сроков годности за счет ингибирова-ния санитарно-показательной микрофлоры.
Микрокапсулирование позволяет повысить жизнеспособность молочнокислых микроорганизмов, стабиль-
ность проявления технологических свойств в ходе производства и в процессе хранения мясных продуктов. Размер микрокапсул (~600 мкм) способствует равномерному распределению их в продукте и не влияет на структуру и сенсорные характеристики готового изделия. Таким образом, иммобилизация открывает возможности расширения ассортимента мясных продуктов, вырабатываемых со стартовыми куль-
турами, и использования принципов биоконсервирования не только в технологии ферментированных продуктов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Drider D, Fimland G., Hйchard Y., McMullen L. M. and РгЙ¥ОБг H. The Continuing Story of Class IIa Bacteriocins//Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2006. V. 70. №. 2. P. 564-582.
2. Boutrou R. Utilisation des bacteriocines comme agent antimicrobien dans l'emballage des produits carnes. Hygiene et securite alimentaire/28-97.
3. Lee J. and Kaletunç G. Evaluation of the Heat Inactivation of Escherichia coli and Lactobacillus plantarum by Differential Scanning Calorimetry//Appl Environ Microbiol. 2002. V. 68. № 11. Р. 5379-5386.
4. Naghmouchi K., Fliss I., Drider D.and Lacroix C. Pediocin PA-1 production during repeated-cycle batch culture of immobilized Pediococcus acidilactici UL5 cells//J. Biosci Bioeng. 2008. V. 105. № 5. P. 513-517.
5. René H. Wijffels. Immobilized cells. - Springer, 2000.
Мурманск 29.10-1.11.2009
Ледовый дворец
ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫЙ ФОРУМ ч^х ЗАПОЛЯРЬЯ'
Производство и поставка сырья и продукции сельского хозяйства, традиционных продуктов питания и продуктов нового поколения; Производство и поставка оборудования:
- для пищевой промышленности, переработки сельскохозяйственной продукции и морепродуктов;
- для торговых центров; Производство и поставка тары, упаковки; Новые технологии по доставке и хранению сырья,
продуктов питания; Торговое, ресторанное, барное, холодильное, складское оборудование; Инновационные технологии, инвестиции.
ДОБРО
ПОЖАЛОВАТЬ/
Организатор Форума - Правительство Мурманской области. Тел. +7 (8152) 622 ООО, 486 419.
