CC BY
16
2020 Т. 50 № 2 / Техника и технология пищевых производств / Food Processing: Techniques and Technology
ISSN2074-9414 (Print) ISSN 2313-1748 (online)
https://doi.org/10.21603/2074-9414-2020-2-252-260 УДК 664.8.037.5:637.146.21
Оригинальная статья http://fptt.ru/
Моделирование кристаллизации влаги при замораживании
бактериальных заквасок
Б. В. Короткая1'* , И. А. Короткий1 , К. И. Васильев2, Л. А. Остроумов1
i
1 ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Красная, 6
2
Министерство сельского хозяйства и перерабатывающей
промышленности Кузбасса, 650000, Россия, г. Кемерово, пр. Кузнецкий, 22А
Дата поступления в редакцию: 06.04.2020 Дата принятия в печать: 29.05.2020
'e-mail: korotkayael@mailru
© Е. В. Короткая, И. А. Короткий, К. И. Васильев, Л. А. Остроумов, 2020
Аннотация.
Введение. Качество кисломолочных продуктов напрямую зависит от используемых бактериальных заквасок, содержащих молочнокислые микроорганизмы. Одним из эффективных способов хранения бактериальных заквасок является замораживание, т. к. позволяет получать культуры не только с высокой выживаемостью, но и максимально сохраненными морфологическими и культуральными свойствами. Изменение фазового состояния воды влияет на химические и биохимические процессы при замораживании заквасок. Исходя из этого, изучение особенностей кристаллизации влаги при замораживании бактериальных заквасок представляет практический интерес.
Объекты и методы исследования. Бактериальные заквасочные культуры Lactobacillus bulgaricus и Lactobacillus acidophilus. Использовали стандартные методики для определения физико-химических характеристик и первый буферный метод двух температурно-временных интервалов для определения теплофизических характеристик.
Результаты и их обсуждение. Для исследованной группы бактериальных заквасок определены массовые доли общего белка и сухих веществ, содержание молочной кислоты, а также криоскопические температуры и теплофизические характеристики. Установлено, что величины теплофизических характеристик бактериальных заквасок определяются количеством содержащейся в них влаги. Исходя из этого, предложена модель кристаллизации влаги при замораживании бактериальных заквасок, учитывающая содержание лактозы и молочной кислоты. С помощью данной модели рассчитаны криоскопические температуры, значения которых оказались близки к экспериментальным. На основании модели кристаллизации влаги рассчитана продолжительность замораживания, предложена методика расчета теплофизических характеристик и приведенных их значения, рассчитанные по данной методике. Отличия расчетных и экспериментальных значений не превышали 5,3 %.
Выводы. Сравнение экспериментальных и расчетных значений теплофизических характеристик показало их близость и позволило сделать вывод об адекватности предложенной модели кристаллизации влаги при замораживании бактериальных заквасок, а также возможности её практического использования при моделировании процессов замораживания, расчете теплофизических характеристик и продолжительности замораживания.
Ключевые слова: Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, замораживание, теплоемкость, теплопроводность, плотность
Финансирование. Работа выполнена на базе кафедры теплохладотехники Кемеровского государственного университета.
Для цитирования: Короткая, Е. В. Моделирование кристаллизации влаги при замораживании бактериальных заквасок / Е. В. Короткая, И. А. Короткий, К. И. Васильев [и др.] // Техника и технология пищевых производств. - 2020. - Т. 50, № 2. -С. 252-260. DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2020-2-252-260.
Original article Available online at http://fptt.ru/eng
Modeling of Moisture Crystallization of Bacterial Starter Cultures during Freezing
E.V. Korotkaya1* , I.A. Korotkiy1 , K.I. Vasiliev2, L.A. Ostroumov1
i
1 Kemerovo State University, 6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000, Russia
Received: April 06, 2020 Accepted: May 29, 2020
@ 0
2 Ministry of agriculture and processing industry of Kuzbass, 22A, Kuznetsky Ave., Kemerovo, 650000, Russia
*e-mail: korotkayael@mail.ru
© E.V. Korotkaya, I.A. Korotkiy, K.I. Vasiliev, L.A. Ostroumov, 2020
Abstract.
Introduction. The quality of fermented milk products directly depends on the bacterial starter cultures involved, which contain lactic acid microorganisms. One of the most effective ways to store bacterial ferments is freezing as it improves the survival rate and preserves the morphological and cultural properties. Changing the phase state of water affects the chemical and biochemical processes during freezing. The present research dealt with the issue of moisture crystallization during freezing of bacterial starter cultures. Study objects and methods. The study featured bacterial starter cultures of Lactobacillus bulgaricus and Lactobacillus acidophilus. The authors used standard methods to determine their physical and chemical properties; the first buffer method of two temperature and time intervals made it possible to describe the thermal characteristics.
Results and discussion. A set of experiments helped to define the mass fractions of total protein and dry matter, the content of lactic acid, as well as cryoscopic temperatures and thermophysical characteristics of the bacterial cultures in question. The values of the thermophysical characteristics of bacterial ferments proved to depend on the amount of moisture in them. The authors constructed a model of moisture crystallization during freezing of bacterial starter cultures, taking into account the content of lactose and lactic acid. The model made it possible to define the cryoscopic temperatures. Their proved close to the experimental ones. The model of moisture crystallization also provided the freezing time and a method for calculating thermal characteristics and their values. The differences between the calculated and experimental values did not exceed 5.3 %.
Conclusion. The experimental and calculated values of the thermophysical characteristics appeared similar, which means that the proposed model of moisture crystallization during freezing of bacterial ferments proved effective. The model can be used in commercial freezing to calculate thermal characteristics and freezing time.
Keywords. Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, freezing, heatcapacity, thermalconductivity, density
Funding. The research was performed on the premises of the Department of Heat and Cooling Engineering, Kemerovo State University.
For citation: Korotkaya EV, Korotkiy IA, Vasiliev KI, Ostroumov LA. Modeling of Moisture Crystallization of Bacterial Starter Cultures during Freezing. Food Processing: Techniques and Technology. 2020;50(2):252-260. (In Russ.). DOI: https://doi. org/10.21603/2074-9414-2020-2-252-260.
Введение
Существующие в настоящее время методы консервации бактериальных культур весьма разнообразны. Однако все они основаны на общем принципе - переводе клеток в анабиотическое состояние. В состоянии анабиоза жизненные процессы в организме резко замедляются, что способствует его выживанию в неблагоприятных условиях. Принцип анабиоза лежит в основе замораживания и хранения при низких температурах бактериальных культур, а также их высушивания и хранения в защитной среде.
Сухие бактериальные закваски могут храниться в течение достаточно долгого времени. Однако имеется достаточное количество исследований подтверждающих, что в результате высушивания культуры микроорганизмов утрачивают свои свойства. В настоящее время для длительного хранения бактериальных заквасок широко используются методы лиофилизации и сублимационной сушки как одни из эффективных и экономичных. Необходимо отметить, что в процессе лиофилизации микроорганизмы бактериальных заквасок подвергаются стрессовому воздействию не только низких температур, но и вакуума.
В результате возможно появление мутаций, нарушение генетической стабильности и потеря желаемых свойств. Несмотря на это, в сравнении с высушиванием, лиофилизация обеспечивает лучшую стабильность и жизнеспособность микроорганизмов бактериальных заквасок [1].
Криоконсервация - совокупность низкотемпературных методов хранения биологических объектов. Низкотемпературное консервирование бактериальных заквасок осуществляют двумя способами: при температуре -196 °С в жидком азоте и глубоким замораживанием (-30 ± -80 °С) [1]. При температуре хранения ниже -40 °С глубоко замороженные бактериальные закваски сохраняют свою активность в течение нескольких месяцев. К преимуществам данного метода консервации следует отнести удобство хранения и использования в производстве кисломолочной продукции непосредственно после размораживания на водяной бане или после непродолжительной инкубации до достижения необходимой кислотности [1, 2]. Сравнение влияния таких методов консервации, как замораживание и сублимационная сушка, на свойства бактериальных заквасок, содержащих молочнокислые бактерии, показало, что оба
метода консервации оказывают значительное влияние на жизнеспособность микроорганизмов [2-4]. Под действием низких температур скорость ферментативных процессов замедляется, а образование льда и дегидратация способствуют их ускорению. Понижение температуры приводит к частичной денатурации фермента или субстрата, вызывает изменение мембраны клетки, приводит к увеличению вязкости протоплазмы и др. [1, 5]. Особенности и характер этих изменений определяются биологической природой объекта и зависят от таких факторов, как температура, скорость ее понижения, время воздействия, присутствие криопротекторов. Подбор оптимального сочетания криопротекторов, скорости замораживания и температуры оттаивания способны в значительной степени увеличить выживаемость лактобакте-рий [6-10]. Как показали исследования авторов, после 6 месяцев хранения замороженные бактериальные культуры показали высокую выживаемость и высокую внутриклеточную ферментативную активность по сравнению с культурами сублимационной сушки [3].
Учитывая важность качества используемых в молочной промышленности бактериальных заквасок, которые определяют органолептические и физико-химические свойства, а также биологическую ценность получаемого продукта, задача исследователей состоит в разработке и совершенствовании способов консервации, которые позволят снизить долю отмерших и поврежденных клеток. В этой связи замораживание является одним из эффективных способов хранения бактериальных заквасок. Присутствие воды как основного компонента бактериальных заквасок влияет на теплофизические процессы при их замораживании. Основным фактором, влияющим на химические и биохимические процессы при замораживании бактериальных заквасок, является изменение фазового состояния воды. В процессе замораживания вода, находящаяся внутри бактериальных заквасок, превращается в лед не сразу. Сначала она охлаждается до тех пор, пока температура не станет равна криоскопической, далее начинается замораживание. Изменение фазового состояния воды включает две стадии - зарождение и рост кристаллов. Различают два типа образования зародышей кристаллов льда. Самопроизвольное образование нового кристалла в чистом растворе (гомогенное образование кристаллических зародышей) и образование кристаллических структур вокруг центров кристаллизации (гетерогенное образование кристаллов) [10-12]. Форма и размер образующихся кристаллов льда определяют свойства замороженного продукта. Поэтому контроль образования и роста кристаллов льда является очень важным для определения микроструктуры
и качества замороженных пищевых продуктов, в том числе бактериальных заквасок [11-13]. Изучение особенностей кристаллизации влаги при замораживании биоматериалов и пищевых продуктов будет способствовать разработке наиболее эффективных технологий, оказывающих минимальное воздействие на замораживаемый объект, и приведет к повышению качества готового продукта [10].
Современные технологии низкотемпературного консервирования пищевых продуктов должны быть энергосберегающими и научно обоснованными. Знание особенностей низкотемпературного воздействия на пищевые продукты позволяет правильно спроектировать, рассчитать и подобрать технологическое оборудование. Для осуществления таких расчетов необходимо знать как изменяются теплофизические характеристики продуктов во всем диапазоне низкотемпературного воздействия [1, 14]. Исходя из этого, разработка расчетных методик, позволяющих моделировать и прогнозировать изменения значений теплофизических свойств бактериальных заквасок в ходе низкотемпературного воздействия, представляется весьма интересным.
Целью работы является разработка модели замораживания бактериальных заквасок, позволяющая описать процессы кристаллизации влаги, рассчитать теплофизические характеристики и продолжительность замораживания.
Объекты и методы исследования
Исследования проводились в ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет» на базе кафедры теплохладотехники. В качестве объектов изучения были выбраны бактериальные заквасочные культуры Lactobacillus bulgaricus и Lactobacillus acidophilus. Определение физико-химических показателей проводили по стандартным методикам. Массовую долю органических кислот устанавливали методом капиллярного электрофореза, содержание белка - методом Дюма на анализаторе общего азота/белка RAPID N cube. Методом гравиметрии определяли содержание сухих веществ и влаги.
Бактериальные заквасочные культуры замораживали в специальных низкотемпературных камерах на воздухе и в среде хладоносителя (антифриз на основе пропиленгликоля) при температуре -45 °С [14].
Для измерения температур бактериальных заквасок в процессе замораживания использовали хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи (термопары), сигнал которых воспринимался аналоговым модулем ввода МВА-8, преобразователем интерфейса АС-4 и фиксировался персональным компьютером.
Изучение процессов кристаллизации при замораживании бактериальных заквасок проводили калориметрически, используя специализированный
лабораторный комплекс, предназначенный для определения криоскопических температур растворов, автоматически поддерживающий заданную разность температур между исследуемым объектом и окружающей средой, что позволяет управлять процессом кристаллизации [1].
Экспериментальное определение теплофизи-ческих характеристик бактериальных заквасок проводили первым буферным методом двух температурно-временных интервалов [14].
Удельную теплоемкость бактериальных заквасок (с) рассчитывали по правилу аддитивности:
' = ЁС «k )
(1)
к=1
где юк - массовая доля компонента;
ск - теплоемкость компонента: воды (св = 4,19 кДж/ (кг-К)), лактозы (слак = 1,315 кДж/(кг-К)), молочной кислоты (смк = 1,295 кДж/(кг-К)), льда (сл = 2,3 кДж/ (кг-К)), прочих компонентов (спр = 1,214 кДж/(кг-К)).
Для расчета коэффициента теплопроводности использовали формулу Лихтнекера, в основе которой лежит правило аддитивности. Неприменимое в общем случае для расчета коэффициента теплопроводности правило аддитивности для пищевых продуктов позволяет получить расчетные данные с достаточной достоверностью, т. к. коэффициенты теплопроводности компонентов, входящие в состав бактериальных заквасок, являются величинами одного порядка, а сами продукты изотропными [1, 14].
(2)
к=\
где X - коэффициент теплопроводности продукта; Хк - коэффициент теплопроводности компонента;
V, - объем, занимаемый компонентом;
к ' '
V - полный объем продукта.
Расчетную физическую плотность закваски находили по уравнению [1]:
р=Ё «v Ё^
0=\ / k=\ р k
(3)
где р - плотность компонента.
Математическое описание динамики кристаллизации влаги основано на явлении теплопередачи. Доминирующим механизмом образования кристаллов льда в пищевых системах является гетерогенный [10, 15]. В основу решения поставленной задачи была положена классическая формула расчета продолжительности замораживания Р. Планка (т), с учетом того что замораживаемое тело имеет форму бесконечного прямого цилиндра [16]:
( с \
т = К ■ р •
Фд
V
К
R_
21
(4)
где К - внешний радиус цилиндра;
q - удельная теплота замораживания; Ф - коэффициент, учитывающий форму, равный для цилиндра 0,5;
а - коэффициент теплоотдачи от поверхности тела;
t и t - температуры криоскопическая и
кр хл А
хладоносителя соответственно.
Результаты и их обсуждение
Как уже отмечалось выше, при замораживании бактериальных заквасок не только угнетается их рост и размножение микроорганизмов, но и изменяются скорости протекания физиологических процессов. Авторы [5, 18] показали, что культуры Lactobacillus bulgaricus при замораживании испытывают не только холодовой, но и осмотический стресс. В результате происходит деградация клеток. Поэтому соблюдение условий замораживания имеет первостепенное значение для сохранения не только жизнеспособности микроорганизмов, но и для сохранения их морфологических и культуральных свойств. Исследуемые бактериальные закваски содержат молочнокислые бактерии Lactobacillus bulgaricus и Lactobacillus acidophilus, которые являют термофилами. Термофильные бактерии по-разному переносят действие низких температур, в частности L. bulgaricus и L. acidophilus достаточно хорошо переносят глубокое замораживание [1-3, 5, 18-20]. Исходя из этого, для замораживания бактериальных заквасок была выбрана температура -45 °С.
Бактериальные закваски представляют собой сложную многокомпонентную систему, поэтому предварительно был изучен их химический состав, который играет важную роль в формировании молочного сгустка, а также необходим при изучении процессов замораживания бактериальных заквасок. Значения основных показателей химического состава бактериальных заквасок представлены в таблице 1.
Как видно из данных таблицы 1, общее содержание органических кислот в пересчете на молочную кислоту в бактериальных заквасках L. acidophilus было незначительно выше, чем в бактериальных заквасках L. bulgaricus. В среднем на 2,5 мг/см3. Близкие значения массовой доли общего белка и сухих веществ (отличия в переделах погрешности измерений) также были отмечены в исследуемых бактериальных заквасках.
Таблица 1. Некоторые показатели химического состава бактериальных заквасок
Table 1. Chemical composition of bacterial starter cultures
Показатель Бактериальная культура
L. acidophilus L. bulgaricus
Массовая доля общего белка, % (X ± 0,5)
3,1 3,0
Массовая концентрация
молочной кислоты, мг/см3 18,7 16,1
(X ± 0,5)
Массовая доля сухих веществ, % (х ± 0,1) 12,5 12,3
a
лиасетесе, ° С 1 с с с к
а
н -ос
ос ее тс ту 1сс 1вс
Враля, лие
Таблица 2. Теплофизические характеристики (экспериментальные/расчетные) бактериальных заквасок до замор ажования
Table 2. Thermophysical characteristies (experimental/calculated) of bacterial starter cultures before freezing
Бактериан ь-ная культу ра Уд елвнаa тепл оем -кость с, Лж/Сет-К) (X ± 5 %) Ко эффициент теплопроводности X, Вт/(м-Ке (X ± 5 %) Плотность р, кг/ме (X ±6 %)
L.a cidopMIuc зт ес/зт2о У,ТУ2/У, 5(сР 10с 2,1/1У49
L. bulgaricus 3Т34/Се9Р У,541/У,56У 1У29,7/1У63
Рисунок 1. Кривые охлаждения: 1 - бактериальной закваски Laclobacillus acidophilus1 2 - хладоносителя
Figure 1. Cooling curves: 1 - bacterial starter culture
Laatobacillus acidophilus; 2 - coolant
Криаскопические температуры бактериальных заквасок определяли термографически по кривым охлакдения (рис. 1 и 2). Температуры замерзания Тактериальных заквасок, содоржащих L. acidophilus и L. bulgaricus, составили -1,80 °С и -1,65 °С со отвеуасвенно.
Экспериментальные значения теплофизических хлрактеристик исследуемых заквасок, определенные первым буферным методом двух температурно-врем енных интервалов, приведены в таблице 2 [14].
Определенные экспериментально теплофизические характеристики исследуемых бактериыльных заквасок имеют близкие значенем, т. к. их аеличина упределяется содержанием основных компонентов, наибольшую часть из которых составляет влага.
Учитывая вышескиасннсе, прсразработке модехш з амо ражи вения боттериаовных заквасок,с одержащих молочнокислые микроорганизмы, исходили из аове, что кристаллизацию влаги можно предстевить
1С
о
0-Ю
-ос
-ее
ее тс ту
Враля, лие
1вс
Рисунок 2. Кривыелхааждоная: 1 - бактериальной зауваски Lactobacillus bulgaricus; 2 - хладоносителя
Figure 2. Cooling curves: 1 - bacterial starter culture
Lactobacillus bulgaricus; 2 - coolant
как кристаллизацию тройной системы: молочная кислота - лактоза - вода. Фазовые диаграммы состояния для бинарных растворов (молочная кислота - вода и лакто за - вода) будут иметь схожий вис, отличающийся значениями эвтектических концентраций и температур. Для раствора молочной к-слоты эвтектическая концентрация равна 40 %, а эвтектическая температура -5,3 °С, для росевора лактозы - 5и,4 % и -2С °С с оответстве нно.
Экспериментальвым путем определили температуры начала кристаллизации в тройной системе молочная ыиьлоьа - лактоза - вода в зомис имости от концентрации растворов. Полученные данные обработали с помощью метода наименьших коедратов и получили уравнение регрессии для росче та криоскопической температуры (/ °С):
Яа = с,31бя - с,1бяшк + 1,7Т2х1с -3 ш- - т,сеехт-2 шК (5)
где ю - массовая доля растворенных компонентов (аолотоая кисиста, лакоо за), %.
Среднеквадрааиьноы отылонение температуры замер7Тоие, ра-счстансое пс уравнению (5), от остсериментальных значений в диапазоне измерений от Т до -21 °С состав ооо 3,11.
Массовую долю льда (юл), образующегося в результате замораживаьнис бытериальных заквасок, в ассссимости =т темиера^ры, определяли по формуле:
И е (Ы) = Иве-Ис х(1/=Ик (И)-1И)
(0)
гдя юл(0 - массовая доля обоозовавшегося льда при осмп=ротурс (0;
аел - массовая доля влаги в исходной закваске; СО= - Моссовая доля лакоозы и МслочноЙ оОСЛЗТЫ. Формуло Кб) м ожем Иыто использо вана в диапазон е тдмпктатур ои началк кристаллизации раствора ро свтектиоеской темпоратусы раствора лактозы. При проведении расчетов необходимо учитывать изменение ккнцентрацоо молосной киолоты и ыактозы в растворе. Наьеивом ттаре замораживанш! до достижения перво- эвтектической температуры в састворе присутствуют оба компонента и сотому в формулу подставляют концентрацию
«
и Е
« ч « я
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-24
-16 -12 Температура. °С
Рисунок 3. Зависимость массовой доли замерзшей влаги
от температуры в бектериальных заквасках: 1 - Lactobacillus acidophilus; 2 - La ctoba cUlus bufearicus
Figure 3. Effect of temperature on the mass fraction of frozen moisture in ba-1erial starter cultu-та 1 - L-itebacillus acidophilus; T - Lactobacillus bulgaricus
молочной кис лоты и лактозы. На втором этапе при температурах ниже; -5,3 °С вся молочная кислота криоталлизуется о в раотворе присуоствует только лактозр. При досоижении оторыо эвтоктичссоой температуры в жидком виде остается еще 1-3 % незамер зж) щей влаги.
Используя фор]°лы (5) и (6), была построена зависимосоь изменения массовой доли замерзшей влаги в диапазоне температур от 0 до -24 °С (рис. 3).
С помощью Тормул (1 )_(0) были рассчитаны удельные теплоемкости, коэффициенты теплопро-водно4ти и злоттость ис4лсдутмых тшстериальных оаюаоок в дпалазоне темпорстур ос 25 до -45 °С. Полузлтшые зависимости гфедставлены на рису нках 4т6.
Для 2ценки адекватнооти разрабоктнной оетоо дики были тассчттаны втличинт! теплофизических
« 2,0
н
S я
S 33 Е) °
К о -е* Я •ен 33
вз о n с
£3 -
о
О
1,5
1,0
0,5
-4:5
-зе
-15
TuMnui]ii5Tfpa. °Ы
1:
Рисунок 4.еависимость коэффемщента тешыопроводности от температуры: К - Lactobacillus acidophilus; 2 - iMctobaаIlus bulgaricus
Figure 4.E ffect of temperature on the coefficient of thermal coa0uctivTy: le Lactobacillus acidophilus; 2 - Lactobacillus bulgaricus
A 4,0
О -
и S ,-a 3,6
щ V о ■ -
ч ^ С 5 3,2
и ^
¡З 2,8
Л
<D И 2,4
>1
-45
-30
-15 0
Температура, °Ы
15
Рис0нок 5. 0ависимость yдeJП>нoйтеплоеaко2ти от темпер ату ры: К - Lactobacillus acidophilus;
2 - LacPobacillus bulgaricus
Figore 5. Effect of temperature; gn specific heat:
1 — Pactobacillus pcidophiles; 2 - Laptobacillus bulgaricus
харыктеристик бактериальных заквасок (табл. 2) и прoведepa сравнение расчемных и экспери-мег^а^;ш]2Рых -2ачени2^. Отл2^аия Э2епериментальных и расчятных еначений составили: яля коэф-фециензе е^пеап^снзерносте - 3,--5,3 %; удельной 0еплобмкости 1- 0,05-41,15 %; плкмтбюсти м-1,613чР %, 1201 криоскопических температур - 5,2 %.
Решенпе вопроса о продолжительности замо-ажиоания является однем 13 самых сложньи в тешюфызик0 замо0аживания nxa ыольшого числа фамтмров, млияющих на процесс завораживания. Дт решения задачи о продолжительном™ замораживакия нами была испс^льзована формула Р. Планка (4)- Расчетные знтчения продолжитель-нозтк замораяшваниж бакзериахшных заквасок соигакили 2,8 мин, 0ТО ]:ы>aктичocки С0впадает со средними экспериментальными значеииями - 2,9 мин.
В 0Ш0ты
Предаоженнчя модель зaмppa-киаанpя риальных заквасок, емрержащих мтлочноритлые
1166
2 I
н
С: =
1144
Юме
юое
980
9бе
-45
-зе
-5 5 е
Тинзтер-^теазе, °ЫЫ
15
Рысунек 6. Завпепмость паотaoсти от т1мпературы: К - gactobaciUus acidop.ilus; 2 - Lactobacillus bulgaricus
еigure 6. Effect oЫemp-rature on density: К - Lactobacillus acidopЫЫs; 2 - L-1tabacillus bulgaricus
бактерии Lactobacillus bulgaricus и Lactobacillus acidophilus, позволяет рассчитать массовую долю образующихся кристаллов льда, температуру начала кристаллизации, а также теплофизические характеристики (удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, плотность, удельная теплота замораживания, коэффициент теплоотдачи) и продолжительность замораживания. Максимальная погрешность измерений при определении теплофизических характеристик составила 5,3 %, при определении продолжительности замораживания погрешность составила 3,6 %, что позволяет считать предложенную модель адекватной. Данная модель может быть использована при моделировании замораживания жидких бактериальных заквасок.
Критерии авторства
Авторы в равной степени участвовали в подготовке и написании статьи.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution
All the authors bear equal responsibility for the content of the article.
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.
Список литературы
I. Короткая, Е. В. Исследование генетической стабильности молочнокислых микроорганизмов при замораживании и низкотемпературном хранении: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: У5.1Т.У4 / Короткая Елена Валерьевна. - Кемерово, 2У12. - 42 с.
В. Ананьина, А. Е. Криоконсервирование производственных штаммов пробиотиков Bifidobacterium bifidum 1 и Lactobacillus bulgaricus 1Z У35У1 в различных защитных средах / А. Е. Ананьина, А. В. Щеглов, И. П. Высеканцев // Проблемы криобиологии. - 2У12. - Т. 22, № 3. - С. 359.
3. Kandil, S. Influence of freezing and freeze drying on intracellular enzymatic activity and autolytic properties of some lactic acid bacterial strains / S. Kandil, M. E. Soda // Advances in Microbiology. - 2У15. - Vol. 5, № 6. - P. 371-3Т2. DOI: https://doi. org/1y.4236/aim.2y15.5ay39.
4. Effect of acids produced from carbohydrate metabolism in cryoprotectants on the viability of freeze-dried Lactobacillus and prediction of optimal initial cell concentration / S. Cui, F. Hang, X. M. Liu [et al.] // Journal of Bioscience and Bioengineering. -2У1Т. - Vol. 125, № 5. - P. 513-51Т. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j.jbiosc.2y17.12.yy9.
5. Subcellular membrane fluidity of Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus under cold and osmotic stress / J. Meneghel, S. Passot, S. Cenard [et al.] // Applied Microbiology and Biotechnology. - 2У17. - Vol. 1У1, № 1Т. - P. 69У7-6917. DOI: https://doi. org/1y.1yy7/syy253-017-T444-9.
Т. Optimal combination of multiple cryoprotectants and freezing-thawing conditions for high lactobacilli survival rate during freezing and frozen storage / G. Q. Wang, X. Q. Yu, Z. Lu [et al.] // LWT - Food Science and Technology. - 2У19. - Vol. 99. -P. 217-223. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j.lwt.2y1T.y9.ya5.
7. Shelf-life extension of freeze-dried Lactobacillus brevis WiKim0y69 using supercooling pretreatment / I. S. Choi, S. H. Ko, H. M. Kim [et al.] // LWT - Food Science and Technology. - 2У19. - Vol. 112. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j. lwt.2y19.y5.12T.
Т. Survival and stability of Lactobacillus fermentum and Wickerhamomyces anomalus strains upon lyophilisation with different cryoprotectant agents / R. F. Stefanello, E. H. Nabeshima, B. T. Iamanaka [et al.] // Food Research International. - 2У19. -Vol. 115. - P. 9У-94. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j.foodres.2y1T.y7.y44.
9. Spray drying of Lactobacillus rhamnosus GG with calcium-containing protectant for enhanced viability / Y. W. Su, X. F. Zheng, Q. Zhao [et al.] // Powder Technology. - 2У19. - Vol. 35Т. - P. Т7-94. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j. powtec.2y1T.y9.yT2.
1с. Kiani, H. Water crystallization and its importance to freezing of foods: A review / H. Kiani, D.-W. Sun // Trends in Food Science and Technology. - 2У11. - Vol. 22, № Т. - P. 4У7-426. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j.tifs.2y11.y4.y11.
II. Modelling freezing processes of high concentrated systems / E. Lopez-Quiroga, R. Wang, O. Gouseti [et al.] // IFAC-PapersOnLine. - 2У15. - Vol. 4Т, № 1. - P. 749-754. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j.ifacol.2y15.y5.14y.
1В. Crystallisation in concentrated systems: A modelling approach / E. Lopez-Quiroga, R. Wang, O. Gouseti [et al.] // Food and Bioproducts Processing. - 2У16. - Vol. 1УУ. - P. 525-534. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j.fbp.2y1a.y7.yy7.
13. Aguilera, J. M. Why food microstructure? / J. M. Aguilera // Journal of Food Engineering. - 2УУ5. - Vol. 67, № 1-2. -P. 3-11. DOI: https://doi.org/1y.1y1a/j.jfoodeng.2yy4.y5.y5y.
1е. Короткий, И. А. Исследование теплофизических характеристик пищевых продуктов: монография / И. А. Короткий, А. Н. Расщепкин. - Кемерово : Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2У16. - 146 с.
15. Zaritzky, N. Physical-chemical principles in freezing / N. Zaritzky // Handbook of frozen food packaging and processing / D.-W. Sun. - Boca Raton : CRC Press, 2УУ6. - P. 3-37.
16. Консервирование пищевых продуктов холодом / И. А. Рогов, В. Е. Куцакова, В. И. Филиппов [и др.]. - М. : Колос, 1999. - 176 с.
17. Characterization of freeze-dried Lactobacillus acidophilus in goat milk powder and tablet: Optimization of the composite cryoprotectants and evaluation of storage stability at different temperature / G. W. Shu, Z. Wang, L. Chen [et al.] // LWT - Food Science and Technology. - 2018. - Vol. 90. - P. 70-76. DOI: https://doi.org/10.1016/j.lwt.2017.12.013.
18. Biophysical characterization of the Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus membrane during cold and osmotic stress and its relevance for cryopreservation / J. Meneghel, S. Passot, S. Dupont [et al.] // Applied Microbiology and Biotechnology. - 2017. - Vol. 101, № 4. - P. 1427-1441. DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-016-7935-4.
19. Fonseca, F. Operating conditions that affect the resistance of lactic acid bacteria to freezing and frozen storage / F. Fonseca, C. Béal, G. Corrieu // Cryobiology. - 2001. - Vol. 43, № 3. - P. 189-198. DOI: https://doi.org/10.1006/cryo.2001.2343.
20. A Survey on the survival of Lactobacillus paracasei in fermented and non-fermented frozen soy dessert / S. Norouzi, H. Pourjafar, F. Ansari [et al.] // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. - 2019. - Vol. 21. DOI: https://doi.org/10.1016/). bcab.2019.101297.
References
1. Korotkaya EV. Issledovanie geneticheskoj stabil'nosti molochnokislyh mikroorganizmov pri zamorazhivanii i nizkotemperaturnom hranenii [A study of the genetic stability of lactic acid microorganisms during freezing and low-temperature storage]. Dr. eng. sci. diss. Kemerovo: Kemerovo Technological Institute of Food Industry; 2012. 42 p.
2. Ananyina AE, Shcheglov AV, Vysekantsev IP. Cryopreservation of production strains of probiotics Bifidobacterium bifidum 1 and Lactobacillus bulgaricus 1Z 03501 in different cryoprotective media. Problems of cryobiology. 2012;22(3):359. (In Russ.).
3. Kandil S, Soda ME. Influence of freezing and freeze drying on intracellular enzymatic activity and autolytic properties of some lactic acid bacterial strains. Advances in Microbiology. 2015;5(6):371-382. DOI: https://doi.org/10.4236/aim.2015.56039.
4. Cui S, Hang F, Liu XM, Xu ZY, Liu ZM, Zhao JX, et al. Effect of acids produced from carbohydrate metabolism in cryoprotectants on the viability of freeze-dried Lactobacillus and prediction of optimal initial cell concentration. Journal of Bioscience and Bioengineering. 2018;125(5):513-518. DOI: https://doi.org/10.1016/jjbiosc.2017.12.009.
5. Meneghel J, Passot S, Cenard S, Refregiers M, Jamme F, Fonseca F. Subcellular membrane fluidity of Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus under cold and osmotic stress. Applied Microbiology and Biotechnology. 2017;101(18):6907-6917. DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-017-8444-9.
6. Wang GQ, Yu XQ, Lu Z, Yang YT, Xia YJ, Lai PFH, et al. Optimal combination of multiple cryoprotectants and freezing-thawing conditions for high lactobacilli survival rate during freezing and frozen storage. LWT - Food Science and Technology. 2019;99:217-223. DOI: https://doi.org/10.1016/j.lwt.2018.09.065.
7. Choi IS, Ko SH, Kim HM, Chun HH, Lee KH, Yang JE, et al. Shelf-life extension of freeze-dried Lactobacillus brevis WiKim0069 using supercooling pretreatment. LWT - Food Science and Technology. 2019;112. DOI: https://doi.org/10.1016/j. lwt.2019.05.128.
8. Stefanello RF, Nabeshima EH, Iamanaka BT, Ludwig A, Fries LLM, Bernardi AO, et al. Survival and stability of Lactobacillus fermentum and Wickerhamomyces anomalus strains upon lyophilisation with different cryoprotectant agents. Food Research International. 2019;115:90-94. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.07.044.
9. Su YW, Zheng XF, Zhao Q, Fu N, Xiong H, Wu WD, et al. Spray drying of Lactobacillus rhamnosus GG with calcium-containing protectant for enhanced viability. Powder Technology. 2019;358:87-94. DOI: https://doi.org/10.1016/j. powtec.2018.09.082.
10. Kiani H, Sun D-W. Water crystallization and its importance to freezing of foods: A review. Trends in Food Science and Technology. 2011;22(8):407-426. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2011.04.011.
11. Lopez-Quiroga E, Wang R, Gouseti O, Fryer PJ, Bakalis S. Modelling freezing processes of high concentrated systems. IFAC-PapersOnLine. 2015;48(1):749-754. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.05.140.
12. Lopez-Quiroga E, Wang R, Gouseti O, Fryer PJ, Bakalis S. Crystallisation in concentrated systems: A modelling approach. Food and Bioproducts Processing. 2016;100:525-534. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fbp.2016.07.007.
13. Aguilera JM. Why food microstructure? Journal of Food Engineering. 2005;67(1-2):3-11. DOI: https://doi.org/10.1016/j. jfoodeng.2004.05.050.
14. Korotkij IA, Rasshchepkin AN. Issledovanie teplofizicheskih harakteristik pishchevyh produktov: monografiya [A study of thermophysical characteristics of food products: monograph]. Kemerovo: Kemerovo Technological Institute of Food Industry; 2016. 146 p. (In Russ.).
15. Zaritzky N. Physical-chemical principles in freezing. In: Sun D-W, editor. Handbook of frozen food packaging and processing. Boca Raton: CRC Press; 2006. pp. 3-37.
16. Rogov IA, Kucakova VE, Filippov VI, Frolov SV. Konservirovanie pishchevyh produktov holodom [Food preservation by cold]. Moscow: Kolos; 1999. 176 p. (In Russ.).
17. Shu GW, Wang Z, Chen L, Wan HC, Chen H. Characterization of freeze-dried Lactobacillus acidophilus in goat milk powder and tablet: Optimization of the composite cryoprotectants and evaluation of storage stability at different temperature. LWT - Food Science and Technology. 20К8;90:70-76. DOI: https://doi.org/K0.K0KK/j.lwt.20K7.K2.0K3.
К8. Meneghel J, Passot S, Dupont S, Fonseca F. Biophysical characterization of the Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus membrane during cold and osmotic stress and its relevance for cryopreservation. Applied Microbiology and Biotechnology. 20К7;К0К(Н):КН27-КННК. DOI: https://doi.org/K0.K007/s00253-0KK-7935-H.
19. Fonseca F, Beal C, Corrieu G. Operating conditions that affect the resistance of lactic acid bacteria to freezing and frozen storage. Cryobiology. 200K;H3(3):K89-K98. DOI: https://doi.org/K0.K00K/cryo.200K.23H3.
mo. Norouzi S, Pourjafar H, Ansari F, Homayouni A. A Survey on the survival of Lactobacillus paracasei in fermented and non-fermented frozen soy dessert. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 20K9;2K. DOI: https://doi.org/K0.K0KK/j. bcab.20K9.K0K297.
Сведения об авторах Information about the authors
Короткая Елена Валерьевна д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры общей и неорганической химии, ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Красная, 6, тел.: +7 (983) 2K6-58-53, e-mail: korotkayael(a!mail.ru 'https://orcid.org/0000-0002-6210-3756 Elena V. Korotkaya Dr.Sci.(Eng.), Associate Professor, Professor of the Department of General and Inorganic Chemistry, Kemerovo State University, 6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000, Russia, phone: +7 (983) 216-5853, e-mail: korotkayael(S)mail.ru https://orcid.org/0000-0002-6210-3756 '
Короткий Игорь Алексеевич д-р техн. наук, профессор, директор Института электронных образовательных коммуникаций, ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Красная, 6, тел.: +7 (983) 2KK-58-5H, e-mail: krot691@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-7623-0940 Igor A. Korotkiy Dr.Sci.(Eng.), Professor, Director of the Institute of Electronic Educational Communications, Kemerovo State University, 6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000, Russia, phone: +7 (983)216-58-54, e-mail: krot691@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-7623-0940
Васильев Кирилл Иванович
канд. техн. наук, заместитель министра сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Кузбасса, Министерство сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Кузбасса, 650000, Россия, г. Кемерово, пр. Кузнецкий, 22А, тел.: +7 (96K) 727-44-20, e-mail: depselhoz@list.ru
Остроумов Лев Александрович
д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра, ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Красная, 6, тел.: +7 (3842) 39-68-73, e-mail: bionano_kem@mail.ru
Kirill I Vasiliev
Cand.Sci.(Eng.), Deputy Minister of Agriculture and Processing Industry of Kuzbass, Ministry of agriculture and processing industry of Kuzbass, 22A, Kuznetsky Ave., Kemerovo, 650000, Russia, phone: +7 (961) 727-44-20, e-mail: depselhoz@list.ru
Lev A. Ostroumov
Dr.Sci.(Eng.), Professor, Leading Researcher of the Scientific and Educational Center, Kemerovo State University, 6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000, Russia, phone: +7 (3842) 39-68-73, e-mail: bionano_kem@mail.ru
