В настоящее время в России из-за наличия социальных стрессовых ситуаций отмечается постоянное увеличение общей заболеваемости населения, повышение смертности, сокращение средней продолжительности жизни. Поэтому для компенсации их негативного воздействия необходимы доступные дополнительные меры по оздоровлению населения. Такой путь возможен за счет правильно подобранных продуктов питания, среди которых особую значимость имеют кисломолочные продукты, т.к. они содержат достаточное количество основных компонентов для полноценного питания (незаменимые аминокислоты; витамины А, D, Е; соли фосфора, кальция, магния и др.) [7].
В настоящее время интенсивно развивается производство молочнокислых продуктов с расширением ассортимента, повышением их качества, лечебных свойств и пищевой ценности. Однако, несмотря на высокую степень разработки технологических приемов их получения, продолжаются исследования по интенсификации процесса производства кисломолочной продукции с одновременным повышением ее качества [6].
Из ряда известных молочнокислых заквасок для получения молочнокислых продуктов наиболее широко применяются многокомпонентные симбиотические образцы. Для кефира и кумыса – это кефирные грибки, в состав которых входят мезофильные молочнокислые стрептококки (Streptococcus lactis, Streptococcus cremoris), ароматобразующие бактерии (Leuconostoc citrovorum, Leuconostoc dextranicum), молочнокислые палочки (Lactobacillus casei, Streptobacterium), уксуснокислые бактерии и дрожжи [1, 5].
Известно, что традиционной сырьевой составляющей для получения кисломолочных продуктов являются индивидуальные микробиологические закваски, обеспечивающие в продукте необходимый вкус, запах, консистенцию. Они должны иметь следующие технологические характеристики:
- время образования сгустка – 20 часов;
- допустимое время хранения при температуре 3–6 °С – 24 часа.
Из этого следует, что закваски при своей высокой себестоимости имеют малый срок хранения и длительное время образования сгустка, т.е. являются недостаточно эффективными и недостаточно стабильными системами. Поэтому существует проблема увеличения их биологической активности и увеличения стабильности во времени. В настоящее время ведутся постоянные поиски активации молочнокислых заквасок с использованием реагентов – активаторов различной степени сложности и с применением различных физических воздействий. Нами в качестве активирующего воздействия предлагается микроволновая обработка заквасок с частотой микроволн 2,45 ГГц. Микроволновая технология и возможность ее использования для различных технологических процессов в химической промышленности, в сельском хозяйстве, в фармакологии, медицине и биологии интенсивно изучается. Наибольшие успехи в области микроволнового воздействия на микробиологические системы принадлежат академику Н.Д. Девяткову и его сотрудникам, а также доктору биологических наук Т.В. Денисовой [2, 3].
Исходя из этого, целью работы является нахождение простых и доступных энергосберегающих технических приемов, позволяющих уменьшить время производства и увеличить длительность хранения молочнокислой закваски.
1. Необработанные молочнокислые грибкиМетодика эксперимента.
Для приготовления закваски использовались сухие кефирные грибки, которые перед экспериментом «оживлялись» по методике Н.С. Королевой [4]. Изучалась кинетика микробиологического процесса без микроволнового воздействия, представленная графически на рис. 1. Кривая кислотообразования АВСДЕ имеет несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной последовательности: начальную или лаг-фазу (АВ), экспоненциальную, или логарифмическую, (ВС) фазу, стационарную фазу (СД) и фазу отмирания (ДЕ).
Рис. 1. Кинетика микробиологического процесса без микроволнового воздействия
Начальная фаза АВ (лаг-фаза) охватывает промежуток времени между посевом и достижением максимальной скорости деления, она длится ~ 14 ч и достигает кислотности 33 °Т.
Экспоненциальная (логарифмическая) фаза ВС характеризуется установившейся максимальной скоростью деления клеток и занимает промежуток от 15 до 24 ч (9 часов).
Стационарная фаза (СД) наступает тогда, когда явление нарастания числа клеток прекращается. Стационарная фаза традиционно и в нашем эксперименте занимает промежуток времени от 36 до 48 ч (12 часов).
Фаза отмирания (ДЕ). Характеризует гибель клеток и занимает временной промежуток от 60 до 72 ч (12 часов). Известно, что время этой фазы определяется физиологическим состоянием микроорганизмов.
Результаты наблюдений можно дополнительно представить в виде временной траектории биологического цикла микроорганизмов (рис. 2).
Рис. 2. Временная траектория биологического цикла необработанных микроорганизмов
Из рис. 2 следует, что подготовительные стадии цикла (лаг- и логарифмическая фазы) занимают половину времени всего биологического цикла – 24 часа. А основная стационарная фаза (продуктивный период) длится всего 12 часов. Полное отмирание происходит за 12 часов. Анализ длительности биологических стадий показал, что для повышения эффективности закваски необходимо сокращение времени подготовительных стадий и увеличение времени стационарной фазы при одновременном снижении скорости отмирания микроорганизмов.
2. Молочнокислые грибки, обработанные микроволнами
Известно, что микроволны – это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному, известные под названием сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение с наибольшей частотой волн от 1 до 300 мм. Микроволновые частоты находятся в диапазоне от 20 до 3 ГГц. В бытовых микроволновых печах выбрана частота 2,45 ГГц, что соответствует резонансной длине волны для воды, т.е. в этом диапазоне активируется молекула воды [3].
Методика эксперимента
Для приготовления закваски использовались сухие кефирные грибки, которые перед экспериментом так же «оживлялись» по методике Н.С. Королевой. Исследуемая навеска оживленных кефирных грибков подвергалась микроволновому воздействию в микроволновой печи в течение 4 секунд (оптимальное время эффективного воздействия, найденного нами ранее).
Полный цикл кинетики роста микроорганизмов в обработанной кефирной закваске представлен на рис. 3.
Рис. 3. Кинетика микробиологического процесса с использованием микроволнового воздействия
Из рис. 3 видно, что для обработанных кефирных грибков длительность их лаг-фазы (АВ) составляет 5 часов (вместо 14 ч без облучения), экспоненциальной фазы – 7 часов (вместо 9 ч без облучения), стационарной – 168 часов (вместо 12 часов без облучения), фазы отмирания – 24 часа (вместо 12 ч без облучения).
Результаты наблюдений можно представить также в виде временной траектории биологического цикла микроорганизмов на рис. 4.
Из рис. 4 видно, что время существования лаг-фазы обработанных кефирных грибков меньше почти в 3 раза, чем у необработанных; продолжительность экспоненциальной фазы ниже в 1,5 раза; период стационарной фазы увеличился в 14 раз; время отмирания увеличилось в 2 раза. Время общего биологического цикла составило 204 часа по сравнению с 48 часами (необлученные кефирные грибки), т.е. увеличилось в 4 раза.
Рис. 4. Временная траектория биологического цикла обработанных микроорганизмов
Такой эффект от кратковременного микроволнового воздействия на биологические объекты согласно современным знаниям в области микроволновой теории [2, 3] объясняется специфическим действием этих волн на мембраны клеток: волны с частотой 2,45 ГГц резонируют с собственными колебаниями мембран. Амплитуда колебаний мембран увеличивается, повышенная колебательная энергия передается внутренней структуре клеток, повышая скорость биохимических реакций. Кроме того, выбранная частота колебаний микроволн (2,45 ГГц) является резонансной и для молекул воды, которые поглощая энергию волн, начинают совершать более сотни колебаний в секунду. Молекулы воды проходят сквозь поры мембран и раскрывают их на полное сечение, что способствует интенсивному проникновению питательных веществ внутрь клетки и выводу продуктов жизнедеятельности. При этом ускоряются транспортные процессы диффузии и осмоса. Кроме того, возможно структурирование воды внутри клетки, которое дополнительно ускоряет в ней микробиологические процессы. Процессы структурирования воды под действием микроволн описаны в ряде публикаций. Проведенные исследования доказали, что микроволновое воздействие на закваски является эффективным технологическим и энергосберегающим приемом, который может быть использован при производстве кисломолочных продуктов.
Выводы
- Выявлено положительное влияние предварительного микроволнового воздействия на кисломолочные микроорганизмы (кефирные грибки). Установлено, что микроволновое воздействие на кефирные грибки изменяет кинетику их роста и соотношение между продолжительностью фаз биологического цикла при оптимальном времени и мощности облучения.
- Установлено резкое (в 3 раза) сокращение длительности предварительных стадий и резкое увеличение (в 14 раз) основной продуктивной стадии. Это создает предпосылки для повышения производительности при производстве молочнокислых заквасок.
Рецензенты:
Ульрих Е.В., д.т.н., профессор кафедры «Обогащение полезных ископаемых», ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово;
Попов А.М., д.т.н., профессор кафедры «Прикладная механика», ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», г. Кемерово.
Работа поступила в редакцию 11.04.2014.