CC BY
16
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Рецептурная модель процесса
размножения и метаболизма бродильной микрофлоры
А.Е.Краснов, Д.Л.Злобин
Московский государственный университет технологий и управления
Процессы размножения микроорганизмов и накопления метаболитов особенно важны при приготовлении полуфабрикатов. При этом накапливаются продукты метаболизма дрожжей и молочнокислых бактерий (МКБ) -спирт, углекислый газ, органические кислоты и другие, формирующие структуру, вкус и аромат хлебобулочного изделия.
Формирование газообразной фазы обеспечивает разрыхление теста. Благодаря накоплению продуктов метаболизма и биологически активных веществ
процесс брожения значительно влияет на процессы набухания, пептизации, реологию и ферментативный гидролиз.
Операторная модель процессов размножения и метаболизма бродильной микрофлоры в полуфабрикате приведена на рис. 1.
Ориентировочная схема составления математической модели процессов биосинтеза [1] специфична для микробиологических процессов, протекающих в хлебном полуфабрикате. Она основана на уравнении материального баланса для основных компо-
Рис. 1. Операторная модель процессов размножения и метаболизма бродильной микрофлоры
Рис. 2. Динамика скорости роста микроорганизмов: 1 - концентрация дрожжевых клеток, млн/г; 2 - концентрация молочнокислых бактерий, млн/г; 3 - удельная скорость роста дрожжевых клеток, ч-1, 4 - удельная скорость роста молочнокислых бактерий, ч-1
нентов, участвующих в биохимических преобразованиях (концентрация растворенного в среде кислорода, концентрация биомассы, аминного азота и фосфора), и уравнении скорости различных стадий биохимических преобразований (роста биомассы, энергетического обмена, автолиза биомассы, образования ингибитора). Здесь углеводы в моно- и диформах используются дрожжевой клеткой вне зависимости от роста. Автолиз дрожжевых клеток происходит в результате воздействия клетки с ингибирующими продуктами метаболизма. Рост биомассы описывают уравнением Моно.
С учетом широкого потребления ржано-пшеничных сортов хлеба (ржа-но-пшеничный, орловский и др.) на Подольском хлебокомбинате проведено исследование процесса брожения жидкой закваски, приготовленной из ржаной обдирной муки (50 %) и ржа-но-пшеничной муки (50 %). Разводоч-ный цикл закваски вели по унифицированной инструкции с применением сухого лактобактерина и чистых культур дрожжей Бсегву/Б/ие и Б.т/пог «Чернореченский».
В процессе брожения жидкой ржаной закваски определяли интенсивность брожения, газообразование и кислотонакопление - общепринятыми методами, амминный азот - фор-мольным титрованием, нелетучие органические кислоты - методом Княгиничева, спирт - методом Мартена и методом йодометрической модификации, сахара - методом Бертрана. Микроорганизмы подсчитывали по методу Бургвица. Удельную скорость роста и ее изменение во времени находили расчетным путем. Оптимальную степень готовности определяли по величинам ПС, БА, ГО (подъемная сила, бродильная активность, газообразование). Измерения этих показателей проводили в 12-кратной повторности и по средним значениям построили графики (рис. 2 и 3).
Экспериментальные данные обработали на ЭВМ. Анализ экспериментальных данных (см. рис. 2 и 3) и эмпирических уравнений вида ц = "(х), где ц - удельная скорость роста микроорганизмов, х- факторы, влияющие на ц (величины рН титрируемой кислотности, концентрация этилового спирта, аминного азота, усвояемые углеводы и др.) показал, что в основном на накопление дрожжевых и молочнокислых бактерий оказывают влияние концентрация углеводов в виде моно-и дисахаридов, продуктов метаболизма и в виде молочной кислоты и диоксида углерода.
В основу математической модели процесса брожения было положено
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
мультипликативное уравнение для описания роста молочнокислых стрептококков [2]
ц = -
,SK„
(1)
{S + KJ1 + (—)s]}(kp + P)
где цт - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов, ч-1; 5, Р- соответственно концентрация усвояемых углеводов и продуктов метаболизма, %; 5т- максимальная концентрация усвояемых сахаров в среде, %; к5 и кр- постоянные коэффициенты.
В уравнении (1) коэффициенты цт и 5т соответствуют экспериментально определенным величинам, а к5 и кр подобраны эмпирически.
Для математического описания процесса культивирования дрожжей и МКБ включены уравнения материального баланса и постоянные коэффициенты:
Ь- количество продукта метаболизма, продуцируемой единицей микробной массы, г/млн; У- прирост микроорганизмов в результате усвоения единицы массы среды культивирования, млн/г.
В качестве продукта метаболизма при построении модели для дрожжей принят диоксид углерода, а для МКБ -молочная кислота.
Согласно приведенным уравнениям и экспериментально определенным значениям коэффициентов, математическая модель процесса культивирования микроорганизмов в жидких ржаных заквасках будет иметь вид:
для МКБ
dx Ydx 1 dP
" = Ik »x =
0.16ц SK„
{S + K[+(S)s]}(kp + P)
цх = dT'^x = 'цх = bdT
ц = -
(2)
где цт = 0,5474-1, У = -| = 4,35-107 млн/г, Ь = -Р = 2,78-Ю-9 г/млн, 5 = 4,81 %, к = 5,78, к= -1,47;
для дрожжей
цх = dT 'цх = ¿г 'цх = bdT ■
dx Уdx 1 dP
= ¿Т ^ =
0,17ц
{5 + К,[1 + ф!Шр + Р)
т
где цт= 0,5474-1,
У = —5 = 4,35-107 млн/г, dp
Ь = -^р = 2,56-10-8 г/млн,
(3)
Рис. 3. Динамика показателей качества ржаной закваски в процессе брожения: К - титрируемая кислотность, град; рН - величина активности кислотности, ед; ПС - подъемная сила, мин; БА - бродильная активность, мл; С - массовая доля спирта, %; ДР - количество дрожжевых клеток, 106/г; МКБ - количество молочнокислых бактерий, 107/г; ГО - газообразование, мл/100г; АА - массовая доля аминного азота, %; РС - массовая доля редуцирующих сахаров, %
5 = 5,99 %, к = 7,44, к= -1,57,
т р 5
здесь х- концентрация микроорганизмов, млн/г.
При этом оптимальная готовность ржаной закваски наступает примерно через 3 ч (рис. 3).
Следовательно, совокупность литературных данных и результатов проведенного исследования позволяет получить математические модели культивирования МКБ и дрожжей в процессе созревания жидкой ржаной закваски с учетом их взаимного влияния друг на друга. При этом можно прогнозировать готовность жидкого полуфабриката, что имеет большое значение в процессе производства хлебобулочных изделий. Данная методика будет полезна при производстве широкого ассортимента хлебобулочных изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тулякова Т.В., Семиха-това Н.М. Разработка системы автоматического регулирования подачи мелассы в дрожжераствори-мый аппарат в зависимости от содержания растворенного кислорода при выращивании хлебопекарных дрожжей. - М.: ЦНИ-ИТЭИПищепром, 1973.
2. Степанова Н.В., Романовский Ю.М., Иерусалимский Н.Д. Математическое моделирование роста микроорганизмов при непрерывном культи-вировании//Доклады АН СССР. 1965. Т. 163. № 5. С. 1266-1269.
