Математическое моделирование биосинтеза кефирана при производстве кисломолочных напитков Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

51-76+579.67

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОСИНТЕЗА КЕФИРАНА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КИСЛОМОЛОЧНЫХ НАПИТКОВ

Р.Р. ЕНИКЕЕВ

Самарский государственный технический университет,

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 (главный корпус); тел./факс: (846) 332-20-69,

электронная почта: [email protected]

Описана модель брожения кефиранпродуцирующего штамма L. kefiranofaciens с учетом условий производства кисломолочных продуктов. Теоретически определен максимальный выход полисахарида в заданных условиях.

Ключевые слова: кинетические характеристики биосинтеза, молочнокислые бактерии, полисахариды, L. kefirano-faciens.

Полисахариды в молочнокислых продуктах обладают рядом полезных свойств и существенно влияют на восприятие вкуса продуктов, а также выполняют ряд технологических функций в качестве загустителей, стабилизаторов, эмульгаторов, гелеобразователей и влагоудерживающих агентов [1].

Кефиран - полисахарид, производимый некоторыми бактериями, входящими в состав кефирных грибков, имеет разветвленное строение и состоит из остатков глюкозы и галактозы примерно в равном соотношении. Кефиран обладает иммуномодулирующим, противоопухолевым, противовоспалительным, ранозаживляющим, противоастматическим действием, т. е. является функциональным ингредиентом [2]. Математическое моделирование биосинтеза кефирана в условиях производства кисломолочных напитков может иметь важное прикладное значение при разработке функциональных продуктов питания.

Для определения эффективности биосинтеза при производстве кисломолочных продуктов выбрана модель гомоферментативного брожения при постоянной температуре 30°С, полученная для описания брожения кефиранпродуцирующего штамма L. kefiranofaciens ГСМ6985 на синтетической питательной среде [3]. С ее помощью можно определить максимально возможный выход кефирана при заданных условиях и количестве субстрата.

Модель включает в себя следующие взаимодействия: субстратное ингибирование, продуктное ингибирование, образование продуктов, зависимость от рН среды.

Субстратное ингибирование заключается в ингибировании роста микроорганизмов при высокой концентрации субстрата, в рассматриваемом случае выше 100 г/л, которое проявляется в уменьшении удельной скорости роста р. и удельной скорости потребления v. Уравнение Моно принимает следующий вид:

5

K

m( )

v = vm

S

K m(v) + S + S V Ki

5 (v)

где 5 - концентрация субстрата (лактозы), г/л; рт и ут - максимальная удельная скорость роста и максимальная удельная скорость потребления, ч-1; Кт(р) и Кт(у) - константы насыщения для р и V соответственно, г/л; и Кад - параметры субстратного ингибирования для р и V соответственно, г/л.

Продуктом ингибирования в данном случае является БЬ-молочная кислота, повышение концентрации которой понижает р и V.

С учетом данного взаимодействия уравнения приобретают вид

L

K

L( )

S

K

m( )

v = vm

L

K

L(v)

+ S + S2 K,

S

,S ( )

Km(v) + S + S 7K

,S (v)

где Ь - концентрация молочной кислоты, г/л; Кщр и и Код - параметры продуктного ингибирования, отражающие зависимость скорости роста и удельной скорости потребления от pH, г/л.

Образование продуктов ферментации - кефирана и молочной кислоты - описывается линейной регрессией

где рюга/, рь - удельная производительность для кефирана и молочной кислоты, г/(л • ч); аШа/, аь - связанные с ростом константы для производства общего кефирана, молочной кислоты и свободного кефирана, безразмерные; рта/, Рь - не связанные с ростом константы для производства общего кефирана, молочной кислоты, свободного кефирана, ч-1. Все параметры зависят от pH среды.

Для включения в математическую модель влияния pH используется аналогия с ферментативными реакциями

PARA

PARA

m,pH

S( )

1+ (kpARA l/[H+ ]+ kpARA 2[H+ ])

1

m

1

L

L

L

m

dB

VBH

ApH =

[H+] dB dpH

Буферную емкость й©/ДрН будем определять по графику 1 рис. 1, а.

Понижение кислотности обусловлено накоплением молочной кислоты, для которой теоретическое значе-

Рис. 1

Здесь PARA обозначает параметр, значение которого рассчитывается для заданного значения pH.

Коэффициенты для расчета параметров, описывающих брожение L. kefiranofaciens JCM6985, приводятся в оригинальной работе [3].

Для более полного и корректного описания процесса необходимо ввести в модель влияние производимой молочной кислоты на активную кислотность с учетом буферной емкости молока, также зависящей от кислотности.

Определение буферной емкости осуществляется по регистрации изменения pH при добавлении раствора кислоты или основания. При этом могут быть использованы различные протоколы: сначала титрование кислотой, потом щелочью и наоборот.

Для определения буферной емкости при заданных значениях pH используют отношение dB/ApH [4], которое определяет взаимосвязь между количеством добавленной кислоты или основания B и изменением pH:

т, ч

Рис. 2

ние концентрации ионов водорода рассчитывается по формуле [5]

[H+ ] =

[-Ka +(k] + 4Kа с)0 5 ]/2.

dpH УДрН

где Ув - объем добавленной кислоты или основания; Н - нормальность кислоты или основания; У - объем образца; ДрН - изменение pH.

На практике зависимость dB/ДpH от pH изображают графически. Характерная зависимость получена для молока (рис. 1: а - при подкислении HCl до pH 2,0 и затем подщелачивании NaOH до pH 11,0; б - подщела-чивании до pH 11,0 с последующим подкислением до pH 2,0; стрелками показано направление титрования [2]).

Для расчета буферной емкости приведем формулу к виду

При небольшом начальном содержании кефиран-продуцирующих молочнокислых бактерий кислотона-копление происходит не так стремительно, следовательно, влияние на pH не столь резкое - рис. 2: рассчитанные pH-профили при включении в модель влияния молочной кислоты на активную кислотность при начальной концентрации бактерий: 1 - 0,2 г/л (1 • 107 КОЕ/мл); 2 - 0,5 г/л (2,5 • 107 КОЕ/мл); 3 - 1 г/л (5 • 107 КОЕ/мл); 4 - 2 г/л (108 КОЕ/мл).

Однако при небольшом содержании бактерий производство всех метаболитов, в том числе кефирана, понижено. Результат расчета математической модели с шагом х 0,1 ч представлен в виде графиков на рис. 3 (зависимости содержания молочной кислоты (а), свободного полисахарида (б), субстрата (в), биомассы бактерий (г) от времени брожения при начальной концентрации бактерий - кривые 1-4 аналогичны рис. 2).

Т, Ч в

5 10 15 20 25 30 35 40

т,ч

Рис. 3

Необходимо учитывать, что данная модель описывает брожение высокопродуктивного штамма Ь. kefiranofaciens ГСМ6985 на питательной среде особого состава при изменении значения pH как для молока. В условиях эксперимента для достижения pH 4,5 при начальной концентрации кефиранпродуцирующих бактерий 1,1 • 108 КОЕ/мл требуется 18 ч [6], что превышает расчетные значения. Это может объясняться продолжительной лаг-фазой, сравнительно более низкой продуцируемостью используемого штамма и неоптимальной средой для культивирования.

Таким образом, при приготовлении кисломолочных напитков с использованием одной кефиранпродуци-рующей культуры микроорганизмов, согласно данной модели, содержание полисахаридов ограничивается 120-140 мг/л независимо от начальной концентрации клеток.

ЛИТЕРАТУРА

1. Duboc P., Mollet B. Applications of exopolysaccharides in the dairy industry // Intern. Dairy Jour. - 2001. - Vol. 11. — № 9. -P. 759-768.

2. Farnworth E.R. Kefir - a complex probiotic // Food Science and Technology Bulletin: Functional Foods. - 2005. - Vol. 2. -№ 1. - P. 1-17.

3. Cheirsilp B., Shimizu H., Shioya S. Modelling and optimization of environmental conditions for kefiran production by Lactobacillus kefiranofaciens // Applied Microbiology and Biotechnology. - 2001. - Vol. 57. - № 5-6. - P. 639-646.

4. Salaun F., Mietton B., Gaucheron F. Buffering capacity of dairyproducts//Inter. DairyJour.-2005.-Vol. 15.-№2.-P. 95-109.

5. Detailed investigation of lactic acid extraction with tributylphosphate dissolved in dodecane / A. Labbaci et al. // Jour. of Chemical & Engineering Data. - 2010. - Vol. 55. - № 1. - P. 228-233.

6. A new fermented milk using capsular polysaccharide-producing Lactobacillus kefiranofaciens isolated from kefir grains / T. Toba, H. Uemura, T. Mukai et al. // Jour. of Dairy Research. - 1991. -Vol. 58. - № 4. - P. 497-502.

Поступила 11.05.11 г.

MATHEMATICAL MODELING OF KEFIRAN BIOSYNTHESIS IN FERMENTED MILK

PRODUCTS PRODUCTION

R.R. ENIKEEV

Samara State Technical University,

244, Molodogvardeiskaya st., Samara, 443100; ph./fax: (846) 332-20-69, e-mail: [email protected]

The kefiran producing strain L. kefiranofaciens fermentation model is described subject to production of cultured milk products. Maximal yield of the polysaccharide in proposed conditions is theoretically determined.

Key words: kinetic performance of biosynthesis, lactic acid bacteria, polysaccharides, L. kefiranofaciens.

663.223.2

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СРОКА ХРАНЕНИЯ ВИНОМАТЕРИАЛОВ НА ИХ ПЕНООБРАЗУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ

М.В. МИШИН \ И.Е. ОРЛОВ2, О.Р. ТАЛАНЯН1

1 Кубанский государственный технологический университет,

350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; тел.: (861) 255-79-97, электронная почта: [email protected]

2 ЗАО «Абрау-Дюрсо»,

353995, г. Новороссийск, с. Абрау-Дюрсо, ул. Промышленная, 19; тел.: (8617) 271-316

Исследована динамика изменения пенообразующей способности виноматериалов для шампанских и игристых вин в процессе хранения. Установлено, что молодые виноматериалы обладают высокой пенообразующей способностью благодаря природному комплексу поверхностно-активных веществ, который существенно изменяется в процессе хранения, что влечет за собой изменение физико-химических показателей, ответственных за формирование типичных свойств игристых вин.

Ключевые слова: виноматериалы для шампанских и игристых вин, пенообразующая способность, поверхностно-активные вещества, пеногаситель.

Формирование физико-химических свойств вино- стых вин, а заводы по переработке винограда проводят

материалов для шампанских и игристых вин в процес- их хранение и отгрузку. В настоящее время нет строго

се их приготовления зависит от применяемых техноло- регламентированных ограничений по времени хране-

гических операций. Поэтому отдельные приемы перед ния молодых виноматериалов перед отгрузкой их на за-

проведением вторичного брожения могут быть эффек- воды шампанских вин или передачей их на обработку,

тивно использованы для улучшения типичных свойств Основными правилами производства винодельческой

будущего игристого вина. продукции [1] устанавливаются только конечные сро-

Согласно принятым правилам производства вин пе- ки отгрузки виноматериалов, которая должна быть за-

ресыщенных диоксидом углерода, обработку винома- кончена не позднее мая месяца следующего за сезоном

териалов производят на заводах шампанских и игри- переработки винограда года. Молодые столовые вино-