Обоснование и разработка технологии БП

В ходе аналитических исследований нами разработана модель технологического процесса в виде общей принципиальной схемы с определением решаемых задач на каждом этапе, рис.3.4.

Этап Операция Цель операции

 

 

Рис. 3.4. Модель технологического процесса производства БП

Обоснование продолжительности, температуры и гидромодуля

Ферментативного протеолиза

 

Известно, что активность ферментов может изменяться в зависимости от продолжительности ферментативного протеолиза. При этом температура оказывает влияние на изменение активности ферментов в процессе ферментативного протеолиза. Поскольку температурный оптимум композиции ферментов находится в диапазоне достаточно высоких температур и составляет 55…60°С, представляло интерес исследование влияния температуры и продолжительности ферментативного протеолиза КС на накопление растворимых продуктов гидролиза. Ферментативный протеолиз КС проводили при рН 7,0; концентрации композиции ферментов к массе сырья 0,15%, соотношении ферментов в композиции – 1,5:1. Для определения рациональных режимов проведения ферментативного протеолиза – продолжительности и температуры использовали метод полного факторного эксперимента с последующим математическим моделированием в проблемно-ориентированном пакете MathCad [111].

Параметром оптимизации был выбран показатель содержания водорастворимых продуктов гидролиза КС.

В рамках двухфакторной модели эксперимента, содержание водорастворимых продуктов гидролиза КС в зависимости от температуры и продолжительности ферментативного протеолиза рассчитывали по уравнению [111]:

(3.2)

где А – содержание водорастворимых продуктов гидролиза, мг/г белка;

τ – продолжительность ферментативного протеолиза, с;

t – температура ферментативного протеолиза, ⁰С.

В ходе последующего математического моделирования определена область рациональных значений исследованных параметров, рис.3.5.

 

а) б)

Рис 3.5. Удельное содержание водорастворимых продуктов гидролиза (А) при различных значениях продолжительности и температуры ферментативного протеолиза КС

а) – модель поверхности отклика; б) – зона рациональных значений

 

Таким образом, анализ представленных зависимостей позволил закрепить в качестве оптимальных параметров следующие значения: продолжительность ферментативного протеолиза – (50…66)×60 с и температура ферментации –53…60⁰С.

Известно, что протеолитические ферменты катализируют реакцию расщепления белковых молекул с участием воды. Однако, введение большого количества воды в КС при проведении ферментативного протеолиза приведет к увеличению влажности конечного продукта и повышению энергозатрат при его высушивании. Обоснование минимального гидромодуля, обеспечивающего эффективное проведение ферментативного протеолиза, проводили по интенсивности накопления водорастворимых продуктов гидролиза КС при различных значениях гидромодуля.

Ферментативный протеолиз КС проводили при соотношении ферментов в композиции – 1,5:1; количества композиции ферментов к массе сырья – 0,15%; рН среды – 7,0; продолжительности ферментации – (50…66)×60 с; температуре – 53…60⁰С. Результаты исследований представлены на рис.3.6.

 

Рис. 3.6. Удельное содержание водорастворимых продуктов гидролиза

коллагенсодержащего сырья (А) в зависимости от гидромодуля

1 – ферментативный протеолиз; 2 – выдерживание в воде без ферментации (контроль)

 

Согласно полученным экспериментальным данным, для эффективного протеолиза КС достаточен гидромодуль «вода:КС» – 1:3. Дальнейший рост содержания воды в среде не приводит к существенному увеличению степени протеолиза.

С учетом данных о температурной инактивации композиции ферментов

(рис. 3.3) после проведения ферментативного протеолиза для инактивации композиции ферментов, а также для обеспечения микробиологической безопасности смесь нагревают до температуры 96±2⁰С и выдерживают в течение (5±0,2)×60 с.

В связи с этим нами были изучены показатели, характеризующие состояние белкового компонента КС после проведения ферментативного протеолиза и последующей тепловой обработки, табл. 3.3.

При этом исследование показателей проводили через 6×60² с и 12×60² с хранения ферментированного КС, при температуре 4±2⁰С.

 

Таблица 3.3

Характеристика белкового компонента ферментированного КС в процессе

Сроки хранения, ×60^2 с	Содержание белка, г/100 г продукта	Содержание азота и оксипролина в водорастворимой фракции, мг/г белка
Общий белок	Белок водорастворимой фракции	Аминный азот	Небелковый азот	Общий оксипролин	Свободный оксипролин
	12,4±0,2	8,7±0,2	15,8±0,3	1,8±0,1	58,0±1,2	2,9±0,1
	12,3±0,2	8,6±0,2	15,6±0,2	1,8±0,1	58,0±1,2	2,9±0,1
	12,4±0,2	8,6±0,2	15,7±0,3	1,8±0,1	58,0±1,2	2,9±0,1

хранения

 

Как видно из данных таблицы, после ферментативного протеолиза, нагревания и выдерживания КС при температуре 96±2⁰С в течение (5±0,2)×60 с, содержание белка в водорастворимой фракции составляет 70% от общего содержания. При этом содержание аминного азота составляет 15,7 мг/г белка, а содержание небелкового азота – 1,8 мг/г белка. Полученные данные свидетельствуют о том, что основная часть азота водорастворимой фракции белка находится в составе пептидов и аминокислот, а, следовательно, ферментативный протеолиз КС композицией ферментов не приводит к глубоким деструктивным изменениям коллагена. Содержание общего оксипролина в водорастворимой фракции гидролизата КС составляет 58,0 мг/г белка, содержание свободного оксипролина – 2,9 мг/г белка, т.е. 95% оксипролина, находящегося в водорастворимой фракции белков находится в составе пептидов. В процессе хранения ферментированного КС не происходит увеличения содержания белка в водорастворимой фракции, а также не наблюдается изменений в содержании аминного, небелкового азота и свободного оксипролина. Это свидетельствует об отсутствии ферментативной активности композиции ферментов и ее полной инактивации при нагревании гидролизата до температуры 96±2⁰С и его выдерживании в течение (5±0,2)×60 с.

 

 

3.2.2 Обоснование режимов сушки, измельчения, условий

и сроков хранения БП

 

Задачей исследований, представленных в данном подразделе, явилось обоснование заключительных этапов технологического процесса производства БП – сушки и измельчения. Сушка применялась для получения более стабильного при хранении, менее подверженного бактериальной порче и удобного для транспортировки продукта.

Белковый полуфабрикат, полученный путем ферментативного протеолиза КС композицией ферментов, высушивали до остаточной влажности 5±1% на сушильной установке, разработанной на кафедре физики и энергетики ХГУПТ (СТП-сушке) [132].

На первом этапе исследований были обоснованы и разработаны рациональные режимы сушки БП смешанным теплоподводом: продолжительность и температура высушивания.

Зависимости содержания влаги в БП от продолжительности высушивания при различных температурах сушильного агента представлены на рис.3.7.

Рис. 3.7. Кинетика сушки БП при различных температурах

сушильного агента

Температура сушильного агента: 1 – 90⁰С; 2 – 75⁰С; 3 – 60⁰С

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что скорость сушки при температуре 90⁰С в 1,2 раза больше, чем при температуре 75⁰С и в 1,6 раза, чем при температуре 60⁰С.

Исследования подтвердили, что увеличение температуры сушильного агента приводит к сокращению продолжительности сушки, однако незначительное отличие продолжительности сушки при температуре 75⁰С и 90⁰С (18%), позволяет считать, что с точки зрения энергозатрат более рациональной является сушка при температуре 75⁰С. Подтверждением этому являются расчеты количества тепла для нагрева сушильного агента до 90⁰С, которое в 1,25 раза превосходит показатели, необходимые для нагрева сушильного агента до температуры 75⁰С.

Таким образом, рациональным режимом СТП-сушки БП являются: температура сушильного агента – 75⁰С, продолжительность сушки до конечного влагосодержания 5,0±0,2% – (90…95)×60 с.

Поскольку, продукт, высушенный по разработанным режимам, представляет крупные гранулы, для обеспечения рациональных условий фасовки, хранения и дальнейшего использования необходим этап измельчения.

Нами исследована продолжительность регидратации высушенного и измельченного БП в зависимости от диаметра частиц. Полученные данные приведены на рис. 3.8.

Рис.3.8. Изменение влажности БП в процессе регидратации при различных диаметрах частиц

Диаметр частиц: 1 – (0,1…0,5)×10^-3м; 2 – (0,5…1,0)×10^-3м; 3 – (1,0…1,5)×10^-3м

Как видно из данных рисунка, продолжительность регидратации высушенного БП зависит от размера частиц. Наиболее быстро регидратируется порошок с диаметром частиц (0,1…0,5)×10^-3м. Продолжительность регидратации составляет (5±0,2)×60 с. С увеличением диаметра частиц продолжительность регидратации увеличивается до (7,5±0,4)×60 с при диаметре частиц (0,5…1,0)×10^-3м и до (10±0,5)×60 с при диаметре частиц (1,0…1,5)×10^-3м. Следовательно, для полного восстановления сухого БП требуется (5…10)×60 с, что является приемлемым условием, как с технологических, так и с санитарно-эпидемиологических позиций, поскольку не существенно удлиняет технологический процесс производства и не оказывает отрицательного влияния на микробиологическую характеристику БП.

Для обоснования сроков хранения были изучены показатели окислительных изменений липидов БП в зависимости от продолжительности хранения и степени измельчения: перекисное и тиобарбитуровое числа, а также показатели, характеризующие белковый компонент: содержание белков водорастворимой фракции, аминного и небелкового азота. Продолжительность хранения составила 180 суток, при этом, измельченный БП хранили в вакуумной упаковке при температуре 18±2⁰С. Исследованы образцы порошка БП с диаметром частиц (0,1…0,5)×10^-3м, (0,5…1,0)×10^-3м, (1,0…1,5)×10^-3м. Полученные данные представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Средний диаметр частиц БП, 10^-3м	Показатели окислительных изменений липидов
Пероксидное число, мкмоль активного кислорода на 1 г БП	Тиобарбитуровое число, нмоль МДА на 1 г БП
Продолжительность хранения, сутки
<0,5	4,0±0,1	6,4±0,3	7,9±0,5	8,9±0,4	4,2±0,1	98±2	156±4	235±5
0,5…1,0	4,0±0,1	4,4±0,2	4,9±0,3	5,3±0,2	4,2±0,1	63±1	93±3	135±4
1,0…1,5	4,0±0,1	4,1±0,1	4,4±0,2	4,7±0,2	4,2±0,1	60±1	88±2	124±3

Окислительные изменения липидов высушенного БП в процессе хранения

 

 

Как видно из приведенных данных, с увеличением продолжительности хранения возрастают численные значения изученных показателей. Диаметр частиц также оказывает влияние на данные показатели: чем меньше размер частиц, тем интенсивнее протекают процессы окислительных изменений липидов во времени. Так, при диаметре частиц (1,0…1,5)×10^-3м пероксидное число увеличивается к концу хранения в 1,2 раза, а тиобарбитуровое – в 3,7 раза. При диаметре (0,5…1,0)×10^-3м пероксидное число увеличивается в 1,3 раза, а тиобарбитуровое – в 3,9 раза. В порошке БП диаметром частиц (0,1…0,5)×10^-3м пероксидное число увеличивается в 1,8 раза, а тиобарбитуровое – в 4,5 раза к концу сроков хранения.

Таким образом, измельчение высушенного БП до размера частиц 0,5×10^-3м и менее, приводит к более выраженному усилению окислительных изменений липидов в процессе его хранения. Следовательно, для измельчения высушенного БП могут быть рекомендованы размолочные машины и механизмы, обеспечивающие помол до размера частиц основной фракции (1,0…1,5)×10^-3м.

Показатели, характеризующие состояние белкового компонента высушенного БП в процессе хранения, приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5

Характеристика белкового компонента сухого БП

Сроки хранения, сутки	Содержание белка, г/100 г продукта	Содержание азота в водорастворимой фракции белка, мг/г белка
Общий белок	Белок водорастворимой фракции	Аминный азот	Небелковый азот
	88,1±1,7	61,1±1,2	112,3±2,5	13,2±0,2
	88,0±1,6	61,1±1,2	110,9±2,3	13,1±0,2
	88,1±1,6	61,0±1,1	111,6±2,2	13,3±0,2

 

Данные таблицы свидетельствуют о том, что в течение всего срока хранения содержание водорастворимого белка и небелкового азота не увеличивается, что подтверждает отсутствие деструктивных процессов в белке при хранении.

Важной характеристикой продовольственного сырья, полуфабрикатов и продуктов питания являются показатели безопасности. Микробиологические показатели свежеприготовленного и высушенного БП при хранении представлены в табл. 3.6. БП с влажностью 86±1% хранили при температуре 4±2⁰С, а с влажностью 5±0,2% (в вакуумной упаковке) при температуре 18±2⁰С, в течение 180 суток.

Таблица 3.6

Микробиологические показатели БП

Наименование показателя	Норматив	Фактическое содержание
W=86±1%	W=5±1%
Сроки хранения
	12 ч		180 сут
КМАФАМ, КОЕ/г, не более	5,0×10^4	1,2×10^2	1,8×10^2	3,9×10^4	3,7×10^4
БГКП (колиформы), в 1 г	не допускаются	не выявлены в 1 г	не выявлены в 1 г	не выявлены в 1 г	не выявлены в 1 г
Сульфитредуцирующие клостридии, КОЕ/г, не более		не выявлены в 1 г	не выявлены в 1 г	не выявлены в 1 г	не выявлены в 1 г
Патогенные микроорганизмы в т.ч. сальмонеллы, в 25 г	не допускаются	не выявлены в 25 г	не выявлены в 25 г	не выявлены в 25 г	не выявлены в 25 г
L. Monocytogenes, в 25 г	не допускаются	не выявлены в 25 г	не выявлены в 25 г	не выявлены в 25 г	не выявлены в 25 г

 

Как видно из данных таблицы уровень микробной загрязненности свежеприготовленного БП составляет 1,2×10² КОЕ/г, что объясняется эффективной тепловой обработкой КС после проведения ферментативного протеолиза. В процессе его хранения при температуре 4±2⁰С в течение 12 часов уровень содержания микроорганизмов несколько увеличивается, но не превышает допустимых значений. Высушивание и измельчение приводит к некоторому повышению микробной загрязненности БП, которое находится также в пределах допустимых значений. Повышение микробной загрязненности сухого БП в процессе хранения не происходит, что очевидно, связано с низкой влажностью продукта, которая составляет 5±0,2%.

Проведенные исследования подтверждают, что белковый полуфабрикат полностью отвечает регламентированным санитарно-микробиологическим требованиям, установленным для данного вида продукции в Украине. Это обосновывает возможность его хранения при влажности 86±1% и температуре 4±2⁰С в течение 12 часов, а при влажности 5±0,2% (в вакуумной упаковке) и температуре 18±2⁰С – в течение 180 суток.