CC BY
0
УДК 637.055
DOI 10.52231/2225-4269_2023_1_182
Исследование консорциума микроорганизмов при культивировании в низколактозных молочных смесях
Носкова Вера Ивановна, кандидат технических наук, доцент
e-mail: Noskovaarev@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молоч-нохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Ключевые слова: (3-галактозидаза, температура ферментации, консорциум микроорганизмов, активная кислотность, титруемая кислотность, окислительно-восстановительный потенциал.
Аннотация. В статье приводятся результаты исследования динамики молочнокислого процесса в молочных смесях с повышенным содержанием сухих веществ и частичным гидролизом лактозы. Для оценки активности обменных процессов у микроорганизмов в ферментированных образцах определялись электрохимические показатели.
Актуальным направлением развития пищевых биотехнологий на современном этапе является разработка технологий производства «продуктов с добавленной стоимостью», то есть продуктов с направленными свойствами - регулируемым углеводным, жирнокислотным и аминокислотным составом. К таким пищевым продуктам можно отнести ферментированные пищевые продукты с пониженным содержанием лактозы, которые показаны людям с непереносимостью данного компонента молока.
Для ферментирования молочных смесей традиционно применяются молочнокислые микроорганизмы, свойства которых хорошо изучены и доказана их биологическая безопасность, тем не менее, представляет интерес изучение биохимических характеристик молочнокислых микроорганизмов при развитии их в смесях с направленно измененным составом основных нутриентов молока с целью регулирования технологии [1].
Технология получения низколактозных продуктов предполагает несколько способов. Наиболее известными считаются следующие:
получение сквашенных (кисломолочных) продуктов с использованием заквасочных культур молочнокислых бактерий; ферментативное расщепление лактозы, технология мембранной фильтрации [2]. В предлагаемой технологии осуществляется частичный ферментативный гидролиз лактозы с последующим культивированием в молочной основе микроорганизмов закваски, которые трансформируют оставшуюся лактозу.
Важными условиями для проявления жизнедеятельности микроорганизмов являются такие электрохимические характеристики среды как активная кислотность, степень окисления и восстановления среды и окислительно-восстановительный потенциал, которые влияют на рост и развитие микроорганизмов. Даже незначительные изменения рН заметно влияют на рост и развитие микроорганизмов, так как от величины рН зависят активность белка и его конформация. Данный параметр оказывает существенное влияние на процессы клеточного транспорта, скорости ферментативных реакций, а следовательно, и на скорость роста клеток. Молочнокислые бактерии растут в диапазоне рН 3,5-4,2 [1].
Микроорганизмы также могут менять эти характеристики в процессе метаболизма для создания наиболее оптимальных условий для своего развития. Известно, что в биологических системах, таких как кисломолочные продукты, основой для всех процессов, происходящих в клетке, служат окисление и восстановление. По изменению окислительно-восстановительного потенциала ферментированной среды можно судить об интенсивности развития микроорганизмов и направленности вызываемых ими биохимических процессов [1, 3].
Окислительно-восстановительный потенциал при культивировании микроорганизмов принято выражать через гН2, которые изменяются в диапазоне от 0 до 41 и характеризуют степень насыщения раствора водородом и кислородом, то есть степень аэробности среды.
Микроорганизмы в определенной степени способны изменять гН2 питательной среды, на которой они растут, доводя его до наиболее подходящего для их роста значения посредством выделения восстановителей. Окислительно-восстановительный потенциал имеет особенно важное значение при производстве продуктов с применением технологии брожения, к таким продуктам относятся ферментированные молочные продукты, технология производства которых основана на молочнокислом брожении лактозы заквасочной микрофлорой [4].
Микроорганизмы образуют в среде культивирования сложные биоценозы, при которых каждый микроорганизм находится в отношении стимулирования или угнетения со стороны других микроорганизмов. Поэтому актуальным является изучение консорциума микроорганизмов
закваски при культивировании их в молочных средах с измененным составом - молочных смесях с повышенным содержанием сухих веществ молока и частично гидролизованной лактозой как основы для производства низколактозных кисломолочных напитков [5].
Цель исследования - изучение динамики молочнокислого процесса при развитии консорциума молочнокислых микроорганизмов в молочных смесях с направленно измененным составом с целью разработки технологии кисломолочных напитков с пониженным содержанием лактозы для группы потребителей с непереносимостью лактозы молока.
Методика исследования
При проведении исследований применяли общепринятые методики определения титруемой и активной кислотности [6], окислительно-восстановительного потенциала [7], давление молекулярного водорода [7].
Исследовали характер молочнокислого процесса в молочных смесях с массовой долей сухих обезжиренных веществ 12% и степенью гидролиза лактозы 66±1% [8]. При изучении метаболических процессов микроорганизмов в качестве заквасочных культур были выбраны болгарская палочка и термофильный стрептококк. Молочнокислые микроорганизмы характеризуются высокой р-галактозидазной активностью, так как основным источником углеводов для них является лактоза. Косвенным признаком р-галактозидазной активности молочнокислых бактерий является их кислотообразующая активность в молоке. Наибольшая активность р-галактозидазы обнаружена у болгарской палочки, которая превышает данный показатель термофильного стрептококка и бифидобактерий на 15 и 64% соответственно [1]. Фермент р-галактозидаза, синтезируемый болгарской палочкой и термофильным стрептококком может продуцироваться микроорганизмами независимо от того, в каких условиях находится клетка [3]. Поэтому при выборе состава микроорганизмов закваски для низколактозного продукта были выбраны именно эти лактобактерии.
Величина активности р-галактозидазы данных микроорганизмов согласуется с количеством бактериальных культур [1, 5]. В связи с этим исследовали различные соотношения термофильного стрептококка (Т) и болгарской палочки (Б). При подборе были рассмотрены следующие варианты: 1Б:4Т - 1% - (Б), 4% - (Т); 2Б:4Т; 3Б:4Т. Выбрана оптимальная температура ферментации для данного консорциума микроорганизмов - 40±2°С, продолжительность 4 ч.
Для оценки активности процессов обмена веществ у микроорганизмов в ферментированных образцах определяли в динамике окислительно-восстановительный потенциал (Е^, активную (рН) и титруемую
кислотности (К). Рассчитывали показатель гН2 - давление молекулярного водорода, характеризующий окислительно-восстановительные условия среды [7, 9].
гН2 = ЕЬ|/0,03 + 2рН
Исходная смесь до внесения закваски имела следующие показатели: рН = 6,3±0,1; Еh = 250±10мВ; гН2 = 20,9; титруемую кислотность 25±1°Т. Результаты исследования представлены в таблице.
Таблица 1 — Динамика молочнокислого процесса
Экспозиция, ч рН Еh, мВ гН2 К, °т
при соотношении болгарской палочки к термофильному стрептококку 1:4
0 6,3±0,1 +220±10 19,9 31±1
1 6,3±0,1 +200±10 19,3 34±1
2 5,9±0,1 +140±10 16,5 61±1
2,5 5,7±0,1 +135±10 15,9 62±1
3 5,3±0,1 +57±10 12,5 70±1
3,5 4,9±0,1 -72±10 7,4 71±1
4 4,7±0,1 -90±10 6,4 72±1
при соотношении болгарской палочки к термофильному стрептококку 2:4
0 6,3±0,1 +220±10 19,9 32±1
1 6,3±0,1 +200±10 19,3 33±1
2 6,0±0,1 +140±10 16,7 61±1
2,5 5,8±0,1 +130±10 15,9 62±1
3 4,7±0,1 +60±10 11,4 69±1
3,5 4,6±0,1 -102±10 6,1 75±1
4 4,5±0,1 -195±10 2,5 79±1
при соотношении болгарской палочки к термофильному стрептококку 3:4
0 6,3±0,1 +220±10 19,9 34±1
1 6,3±0,1 +200±10 19,3 36±1
2 5,9±0,1 +142±10 16,5 61±1
2,5 5,3±0,1 +50±10 9,1 70±1
3 4,7±0,1 -190±10 3,07 78±1
3,5 4,4±0,1 -202±10 2,1 83±1
4 4,3±0,1 -217±10 1,37 90±1
Приведенные в таблице исходные значения Eh оказались меньше, чем в смеси без внесения закваски (соответственно 220±10 и 250±10мв), что, по-видимому, вызвано введением в среду дополнительных компонентов, влияющих на Е^ с закваской: это аскорбиновая кислота, цистеин, рибофлавин, коферменты дегидрогеназ и оксидаз и другие.
Равенство рН в молочной смеси до и сразу же после внесения закваски связано с большой буферной емкостью системы при любом соотношении термофильного стрептококка и болгарской палочки в течение 1 ч значения рН, благодаря наличию индукционного периода и высокой буферной емкости смеси, оставались неизменными. Далее эти показатели неуклонно снижались и практически не зависели от соотношения микроорганизмов в составе закваски, что также связано с большой буферной емкостью смеси.
Динамика Eh модельных образцов в процессе сквашивания приведена на рисунке. Известно, что Eh является показателем свободной энергии системы: чем ниже его значение, тем больше запас свободной энергии, система менее устойчива, и в ней легче самопроизвольно протекают различные физико-химические процессы, например, застудневание белков, синерезис и другие [5, 6, 9]. В связи с этим, менее устойчивым к синерезису является образец, при производстве которого используется закваска с соотношением болгарской палочки к термофильному стрептококку, равным 3:4.
Более полной характеристикой окислительно-восстановительных свойств молока является показатель гН2 - «давление молекулярного водорода», дающий более объективную характеристику его окислительно-восстановительных свойств.
Рисунок 1 — Динамика Eh модельных образцов в процессе сквашивания
Так, А. Тепел указывает, что в абсолютно электронейтральной среде при равновесии окислительных и восстановительных процессов гН2=28; если гН2 выше 28, то среда обладает окислительной способностью и устойчивостью; ниже 28 - восстановительной способностью и большей или меньшей неустойчивостью [7].
Значение гН2 =20,9 для исходной смеси свидетельствует об агре-гативной ее неустойчивости и необходимости применения стабилизаторов [7, 10].
Окислительно-восстановительные условия среды по показателю гН2 соответствуют оптимуму развития как молочнокислых палочек (0-20), так и молочнокислых стрептококков (0-30) [7]. Известно, что молочнокислые стрептококки при гН2 близком к нулю, образуют, в ос-
2, ЧУ
новном, молочную кислоту, а при гН2 более 6-8, наряду с молочной кислотой - и ароматические вещества [7, 11, 12]. Таким образом, окислительно-восстановительные условия протекания процесса ферментации исследуемыми видами микроорганизмов благоприятны для образования основных вкусовых и ароматических веществ в низколактозном йогурте.
Исследование динамики титруемой кислотности показало, что при увеличении концентрации болгарской палочки в сочетании с термофильным стрептококком снижалось содержание лактозы в продукте, что говорит об увеличении (3-галактозидазной активности изученной комбинации культур.
Наибольшую р-галактозидазную активность проявлял консорциум микроорганизмов - болгарская палочка в сочетании с термофильном стрептококком в соотношении 3:4. Контрольный показатель (80°Т) достигался уже через 3 ч сквашивания, в то время как в других случаях наблюдали замедленный рост этого параметра, пропорциональный увеличению доли термофильного стрептококка в составе закваски, что естественно, поскольку термофильный стрептококк является менее активным кислотообразователем, чем болгарская палочка [3, 13].
Несмотря на то, что по показателю Eh образцы, в которых использовалась закваска с соотношением болгарской палочки к термофильному стрептококку 3:4, обладали меньшей устойчивостью к синерезису, в дальнейших исследованиях использовали именно это соотношение, поскольку необходимый уровень титруемой кислотности 75...85°Т и рН 4,6...4,37 [8, 14] достигался уже через 3 ч сквашивания.
Для получения низколактозного йогурта возможно применение заквасок и с соотношением болгарской палочки к термофильному стрептококку 2:4. В этом случае необходимые уровни титруемой и активной кислотности достигались через 3,5.4 ч ферментации.
Использование заквасок с соотношением болгарской палочки к
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
термофильному стрептококку 1:4 нецелесообрг
тозу, гидролизованную примерно на 70%. Возможно, что торможение развития микроорганизмов закваски в молочной смеси, содержащей гидролизованную лактозу, по сравнению со смесями, применяемыми при производстве йогуртов, связано с двумя основными факторами. Во-первых, в результате гидролиза лактозы повышается осмотическое давление среды. Во-вторых, в среде увеличивается количество гидрофильных частиц и, как следствие, понижается активность воды [12, 15]. Таким образом, молочная смесь с повышенной массовой долей сухих веществ, содержащая гидролизованную лактозу, обладает консервирующим действием по отношению к микроорганизмам закваски, и их развитие замедляется.
Литература:
1. Ганина, В.И. ß-галактозидазная активность молочнокислых бактерий и бифидобактерий / В.И. Ганина, Л.В. Калинина, Е.В. Большакова // Молочная промышленность. - 2002. - № 8. - С. 36-37.
2. Исследования в области разработки низколактозных смесей для детского питания / Т.А. Антипова, С.В. Фелик, С.В. Симоненко, А.Е. Седова // Инновационные исследования и разработки для научного обеспечения производства и хранения экологически безопасной сельскохозяйственной и пищевой продукции: сб. мат-лов III Между-нар. науч.-практ. конф. - 2019. - Ч. 2. - С. 28-33. - URL: https://www. elibrary.ru/item.asp?edn=tuioql
3. Сравнение свойств промышленных ß-галактозидаз для гидролиза лактозы в молочном сырье / А.В. Карасева, И.К. Куликова, Г.С. Анисимов, Г.В. Слюсарев // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. - 2017. - № 3 (60). - С. 17-23.
4. Скиба, Е.А. Основы промышленной микробиологии: учебное пособие / Е.А. Скиба, Н.А. Шавыркина, М.Э. Ламберова; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013. - 110 с. - URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm = 1679662920
5. Евстигнеева, Т.Н. Селекция промышленных штаммов микроорганизмов: учеб.-метод. пособие / Т.Н. Евстигнеева, Т.А. Кудрявцева. -СПб.: Университет ИТМО, 2017. - 59 с. - URL: https://docviewer.yandex. ru/view/0/
6. ГОСТ Р 54669-2011 Молоко и продукты переработки молока. Методы определения кислотности. СПС «ТехЭксперт». - URL: https:// docs.cntd.ru/document/1200089267
7. Тёпел, А. Химия и физика молока: пер. с нем. / А. Тёпел; под ред. С.А. Фильчаковой. - СПб.: Профессия, 2012. - 832 с.
8. Носкова, В.И. Исследование характера молочнокислого процесса в низколактозных смесях с повышенной массовой долей сухих
веществ / В.И. Носкова, О.В. Охрименко // Современные аспекты российского маслоделия: мат-лы науч.-практ. конф., посвящ. 165-летию со дня рождения Н.В. Верещагина. - 2004. - С. 151-153.
9. Твердохлеб, Г.В. Технология молока и молочных продуктов / Г.В. Твердохлеб, Г.Ю. Сажинов, Р.И. Раманаускас. - М.: ДелиПринт, 2006. - 616 с.
10. Бредихин, С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин. - М.: ИНФРА-М, 2016. - 443 с. - URL: [http://www. znanium.com]. DOI: www.dx.doi.org/10.12737/17122
11. Романская, Н.Н. Биосинтез молочнокислыми бактериями внеклеточных полимеров / Н.Н. Романская, Г.С. Дымент // XXI Международный молочный конгресс. Краткие сообщения. - 1982. - Т. 1, кн. 2.
- С. 268.
12. Хамагаева, И.С. Исследование пробиотических свойств комбинированной закваски / И.С. Хамагаева, И.В. Бояринева, Н.Ю. Потапчук // Техника и технология пищевых производств. - 2013. - №. - 1. - С. 54-58. - URL: https://naukaru.ru/ru/nauka/article/27841/view
13. Особенности технологии российского йогурта / З.С. Зобкова [и др.] // Молочная промышленность. - 2017. - № 10. - С. 48-50.
14. Семенихина, В.Ф. Пробиотические культуры и их свойства. / В.Ф. Семенихина // Актуальные вопросы молочной промышленности, межотраслевые технологии и системы управления качеством. -2020. - № 1 (1). - С. 481-484. - URL: https://docs.yandex.ru/docs/ view?tm = 1679665277
15. Olejnikova E.A., Elubaeva M.E., Amangeldy' A.A., Saubenova M.G. Адгезия консорциума молочнокислых микроорганизмов к неочищенным пищевым волокнам (6-8) // Евразийский Союз Ученых - PDF архив.
- DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2019.3.66.310
References:
1. Ganina, V.I., Kalinina, L.V., Bolshakova, E.V. p-galactosidase activity of lactic acid bacteria and bifidobacteria. Molochnaya promyshlennost'. [Dairy industry], 2002, no. 8, pp. 36-37. - Text: direct. (in Russian)
2. Antipova, T.A., Felik, S.V., Simonenko, S.V., Sedova, A.E. Issledovaniya v oblasti razrabotki nizkolaktoznyh smesej dlya detskogo pitaniya. sbornik materialov III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. «Innovacionnye issledovaniya i razrabotki dlya nauchnogo obespecheniya proizvodstva i hraneniya ekologicheski bezopasnoj sel'skohozyajstvennoj i pishchevoj produkcii». [Research in the development of low-lactose infant formulas. collection of materials of the III International scientific-practical conference. «Innovative research and development for scientific support for the production and storage of environmentally friendly agricultural and
food products»]. Volume Part 2, 2019, pp. 28-33. Available at: https:// www.elibrary.ru/item.asp?edn=tuioql. - Text: electronic. (in Russian)
3. Karaseva, A. V., Kulikova, I. K., Anisimov, G. S., Slyusarev, G. V. Comparison of the properties of industrial ß-galactosidases for the hydrolysis of lactose in raw milk. Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta. [Bulletin of the North Caucasian Federal University], 2017, no. 3 (60), pp.17-23. - Text: direct. (in Russian)
4. Skiba, E.A. Osnovy promyshlennoj mikrobiologii: uchebnoe posobie. [Fundamentals of industrial microbiology: textbook]. Biysk: Alt. state tech. un-t, 2013, 110 p. Available at: https://docs.yandex.ru/docs/ view?tm = 1679662920. - Text: electronic. (in Russian)
5. Evstigneeva, T.N., Kudryavtseva, T.A. Selection of industrial strains of microorganisms: Textbook. St. Petersburg: ITMO University, 2017, 59 p. Available at: https://docviewer.yandex.ru/view/0Z - Text: electronic. (in Russian)
6. GOST R 54669-2011 Moloko i produkty pererabotki moloka. Metody opredeleniya kislotnosti. SPS «TekhEkspert». [State Standard R 54669-2011 Milk and milk processing products. Methods for determining acidity. SPS «TechExpert»]. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200089267. Text: electronic. (in Russian)
7. Tepel, A. Himiya i fizika moloka. [Chemistry and physics of milk]. St. Petersburg: Profession, 2012, 832 p. - Text: direct. (in Russian)
8. Noskova, V.I., Okhrimenko, O.V. Study of the nature of the lactic acid process in low-lactose mixtures with an increased mass fraction of solids. V sbornike: Sovremennye aspekty rossijskogo maslodeliya. Sbornik dokladov: materialy nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj 165-letiyu so dnya rozhdeniya N.V. Vereshchagina. [in the collection: Modern aspects of Russian buttermaking. Collection of reports: materials of the scientific-practical conference dedicated to the 165th anniversary of the birth of N.V. Vereshchagin], 2004, pp. 151-153. - Text: direct. (in Russian)
9. Tverdokhleb, G.Yu. Sazhinov, R.I. Ramanauskas. Tekhnologiya moloka i molochnyh produktov. [Technology of milk and dairy products]. M.: DeliPrint, 2006, 616 p. - Text: direct. (in Russian)
10. Bredikhin, S. A. Tekhnologiya i tekhnika pererabotki moloka. [Technology and technology of milk processing]. M.: INFRA-M, 2016, 443 p. Available at: http://www.znanium.com www.dx.doi.org/10.12737/17122. - Text: electronic. (in Russian)
11. Romanskaya, N.N., Dyment, G.S. Biosintez molochnokislymi bakteriyami vnekletochnyh polimerov. [Biosynthesis of extracellular polymers by lactic acid bacteria]. XXI Mezhdunarodnyj molochnyj kongress. Kratkie soobshcheniya. [XXI International Dairy Congress. Brief messages],
1982, vol. 1, book 2, P. 268. - Text: direct. (in Russian)
12. Khamagaeva, I. S., Boyarineva, I. V., Potapchuk, N. Yu. Study of the probiotic properties of combined sourdough. Tekhnika i tekhnologiya pishchevyh proizvodstv. [Technique and technology of food production], 2013, no. 1, pp. 54-58. Available at: https://naukaru.ru/ru/nauka/ article/27841/view. - Text: electronic. (in Russian)
13. Zobkova, Z.S., Fursova, T.P., Zenina, D.V., Gavrilina, A.D., Shelaginova, I.R. Features of Russian yogurt technology. Molochnaya promyshlennost'. [Dairy industry], 2017, no. 10, pp. 48-50. - Text: direct. (in Russian)
14. Semenikhina, VF Probiotic cultures and their properties. Aktual'nye voprosy molochnoj promyshlennosti, mezhotraslevye tekhnologii i sistemy upravleniya kachestvom. [Actual issues of the dairy industry, intersectoral technologies and quality management systems], 2020, 1(1), pp. 481-484. Available at: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm = 1679665277. - Text: electronic. (in Russian)
15. Olejnikova, E.A., Elubaeva, M.E., Amangeldy', A.A., Saubenova M.G. Adhesion of a consortium of lactic acid microorganisms to crude dietary fibers (6-8). Evrazijskij Soyuz Uchenyh. [Eurasian Union of Scientists]. PDF archive. DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2019.3.66.310. - Text: electronic. (in Russian)
Study of Microorganisms Consortium at Cultivation in
Low-Lactose Milk Mixtures
Noskova Vera Ivanovna, Candidate of Sciences (Technology), Associate Professor of the Department of Milk and Dairy Products Technology,
e-mail: Noskovaarev@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Vologda State Dairy Farming Academy named after N.V. Vereshchagin»
Keywords: (3-galactosidase, fermentation temperature, consortium of microorganisms, active acidity, titratable acidity, redox potential.
Abstract. The article presents the results of a study of the dynamics of the lactic acid process in milk mixtures with a high content of solids and partial hydrolysis of lactose. To assess the activity of metabolic processes in microorganisms in fermented samples, electrochemical parameters were determined.
