Технология получения сухих заквасок

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СУХИХ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ЗАКВАСОК

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СУХИХ ФОРМ ПРОБИОТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ

• Сублимационная (лиофильная сушка)
• Выработка биомассы в производственных условиях

См. также:

• Способ получения сухой закваски бифидобактерий
• Жизнеспособность бифидобактерий после сушки
• Сублимация как способ сохранения жизнеспособности молочнокислых бактерий в кисломолочных продуктах
• Технология получения бактериальных препаратов

В условиях возрастающей интенсификации техногенного воздействия цивилизации происходят значительные микроэкологические нарушения в человеческом организме, имеющие серьёзные последствия, как для отдельных индивидуумов, так и для общества в целом. Решение этого вопроса уходит в сторону широкого потребления биологически активных добавок – нутрицетиков. Пребиотики – обладают пищевой ценностью и являются по своей сути природными ингредиентами пищи (витамины и их предшественники), полиненасыщенные жирные кислоты, отдельные минеральные вещества и микроэлементы (железо, кальций, селен, цинк, йод, фтор), незаменимые аминокислоты, некоторые моно- и дисахариды, пищевые волокна (целлюлоза, пектин, гемицеллюлоза и др.).

Наряду с пребиотиками широкое распространение получили «пробиотические продукты» − живые микроорганизмы или ферментированые ими продукты, которые оказывают благотворный эффект на здоровье человека, за счёт нормализации его микробной экосистемы.

Промышленной формой выпуска пребиотиков и пробиотиков являются:

• фармацевтические препараты;
  
• биологически активные добавки (БАД);
  
• закваски.

В последние годы большое внимание исследователей привлекают пропионовокислые бактерии (ПКБ), отличительной особенностью которых является широкий синтез витамина В12 и высокие иммуногенные и антимутагенные свойства. В связи с этим является актуальным создание препаратов – пробиотиков и пребиотиков на основе ПКБ и его симбиозов с разными видами молочнокислых бактерий (МКБ), для выявления их способности к накоплению биомассы бактерий и витамина В12.

Данные препараты являются перспективными, их производство является актуальным. Поэтому ниже приведем небольшое исследование по наработке опыта получения данных препаратов.

Целью проекта является:

1. Отработка технологии и условий культивирования ПКБ с накоплением максимального количества биомассы бактерий и витамина В12;

2. Разработка технологии и аппаратурного оформления обезвоживания полученной живой формы и получение ее в сухом виде, методом распылительной сушки.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

• оптимизировать состав питательной среды и условий культивирования для накопления биомассы и витамина В12 пробиотическими бактериями;
• использование различных видов симбиоза ПКБ с МКБ, для выявления их способности к накоплению биомассы и витамина В12;
• изучить органолептические и физико – химические показатели жидкой закваски;
• провести сравнительный анализ продукта, полученного разными способами обезвоживания;
• изучить условия проведения обезвоживания заквасок распылительной сушкой;
• подобрать защитные среды для заквасок в условиях распылительной сушки;
• рассмотреть влияние условий введения защитных сред на качество получаемой сухой закваски;
• получение пробиотических продуктов, в частности кисломолочных, на основе полученных заквасок и анализ их качества.

Проведенная работа подходит к одному из направлений развития науки и техники. Индекс приоритетного направления: 4 – Технология живых систем. Индекс критической технологии: 4.5 Химический и биологический синтез лекарственных и пищевых продуктов.

В соответствии с поставленными задачами был составлен план проведения работ:

• поиск оптимальной питательной среды, с определением компонентного состава;
• отработка условий проведения процесса культивирования, с целью максимального накопления биомассы бактерий и витамина В12;
• изучение влияние добавок интенсифицирующих развитие и накопление витамина В12.

Достоинством сухих препаратов следует считать:

• увеличение срока хранения;
• повышенная стабильность при хранении;
• меньшая чувствительность к перепадам температур.

К недостаткам сухих препаратов относится:

• снижение жизнеспособности микроорганизмов;
• использование дорогих защитных сред при обезвоживании;
• использование дополнительного оборудования для проведения процесса обезвоживания.

СУБЛИМАЦИОННАЯ СУШКА (о ней в конце страницы). В промышленности преобладающее распространение для получения сухих заквасок и БАДов получили сублимационные сушилки. При сублимационной сушке обезвоживание продукта происходит в процессе его заморозки в условиях разряженной атмосферы. При этом удаление влаги из замороженного продукта происходит при низких температурах.

Такой способ обезвоживания обладает рядом достоинств:

• сушка термолабильных препаратов;
• образование развитой поверхности сухого продукта;

и рядом недостатков:

• затраты значительного количества тепла;
• высокая себестоимость получения единицы продукта;
• вероятная порча продукта при оттаивании;
• дорогостоящее оборудование процесса.

РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СУШКА. Альтернативным методом обезвоживания является распылительная сушка, проводимая в токе горячего сушильного агента, в результате тонкого диспергирования образуется развитая поверхность контакта, что способствует кратковременному нахождению продукта в контакте горячим воздухом. Распылительную сушку не используют как способ обезвоживания веществ содержащих живые микроорганизмы.

Достоинства расплительной сушки:

• возможность высушивания непосредственно из раствора;
• развитая поверхность диспергирования капель;
• интенсивный тепло- и массобмен;
• кратковременность сушки в закрученном потоке теплоагента;
• максимальная температура частиц в зоне высоких температур не превышает температуры мокрого термометра;
• возможность сушки термолабильных продуктов.

Недостатки распылительной сушки:

• снижение жизнеспособности бактерий;
• большой удельный расход сушильного агента.

КОММЕРЦИАЛИЗАЦИЯ. Основной задачей коммерциализации данного проекта является создание сухих пробиотических заквасок и БАД на основе ПКБ и его симбиозов с МКБ.

Основными объектами коммерциализации являются:

− поливитаминные комплексы;
− БАД;
− сухие закваски обогащенные витамином В12.

Закваска и БАД обладают рядом достоинств, которые обуславливают конкурентные преимущества данной разработки:

• сырьем является сыворотка, которая является побочным продуктом производства в молочной промышленности, обладающая низкой себестоимостью;
• основой питательной среды является молочная сыворотка содержащая необходимый набор питательных элементов, в связи с этим минимизируется количество добавляемых ростовых компонентов;
• в состав заквасок входит высокое содержание витамина В12, а так же другие витамины;
• сухая закваска содержит большое количество жизнеспособных микроорганизмов.

Планируемое практическое назначение пробиотических заквасок обогащенных витамином В12 и БАД включает в себя:

− производство кисломолочной продукции;
− производство напитков функционального назначения;
− применение в производстве хлебобулочных изделий;
− использование в качестве препаратов прямого внесения;
− приготовление сыров.

ИССЛЕДОВАНИЕ. На первом этапе работы проводилась оптимизация состава ростовых компонентов питательной среды для культивирования Propionibacterium freudenreichii. Установлено, что пропионовокислые бактерии и бифидобактерии относятся к актиномицетной группе микроорганизмов. Так для количественного учета этих бактерий применяются идентичные среды, в следствии чего, для накопления биомассы пропионовокислых бактерий, была взята фоновая среда на основе сыворотки с добавлением ростовых компонентов дрожжевого автолизата и гидролизованного молока с последующей оптимизацией.

Пропионовокислые бактерии являются активными продуцентами витамина В12. Следует отметить, что синтез витамина зависит от условий культивирования. Известно, что для лучшего синтеза витамина В12, является наличие в питательной среде ионов Со²⁺. Так же в некоторых литературных источниках указано, что ионы Со²⁺ могут являться предшественниками витамина В12. Однако в естественных питательных средах, содержание кобальта минимально, поэтому в фоновую питательную среду мы так же добавляли ионы Co²⁺, которые влияют на выход биомассы и синтез витамина В12.

  

Рисунок 1 – Динамика накопление витамина В12 бактериями Propionibacterium freudenreichii

Из рисунка 1 видно, что оптимальной фоновой питательной средой на данном этапе для накопления биомассы Рr. freudenreichii является среда следующего химического состава: ТС + 5 % дрожжевого автолизата + 5 % гидролизованного молока + CoCl2 (20 мг/л), поскольку позволяет бактериям накапливать значительное количество витамина В12, в количестве 15,4 мкг/мл.

Определение количества витамин В12 осуществлялось спектрофотометрическим методом, а биомассу методом взвешивания. Поскольку, важным фактором для культивирования бактерий, является температура, поэтому на следующем этапе, мы рассматривали влияние температур в диапазоне от 27 до 31 °С на исследуемые бактерии Propionibacterium freudenreichii.  

Рисунок 2 – Динамика накопление витамина В12 бактериями Propionibacterium freudenreichii при разных температурах культивирования

Из рисунка 2 видно, что лучшим температурным режимом культивирования для Propionibacterium freudenreichii является 30°С, при котором происходит значительноенакопление витамина В12 − 22,911 мкг/мл.

Отработку режимов сушки проводили на контрольной среде. В качестве контроля взята фоновая среда с максимальным накопление витамина В12 и биомассы.

Обезвоживание проводили методом распылительной сушки. Полученные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Показатели сухих и жидкой заквасок

Показатели	Виды заквасок
	Сухие			Жидкая
	Выбор температуры
	1	2	3
– витамин В12, мкг/мл	19,25	16,56	15,98	23,95
– определение общего количества пробиотиков, КОЕ/см3	10×108	8×108	9×107	10×1010

Сравнительный анализ показал, что сухая закваска незначительно уступает жидкой по наличию витамина В12 и произошло незначительное снижение КОЕ/СМ³

НА ЗАМЕТКУ

СУБЛИМАЦИОННАЯ (ЛИОФИЛЬНАЯ) СУШКА

Подробнее о лиофильной сушке и оборудовании см. в разделе:

 Сублимация и машины для сублимации →

В приведенном выше примере использовалась т.н. распылительная сушка. Но следует отметить, что на практике широко используется сублимационная сушка. Этим способом отлично консервируются различные пищевые продукты: фрукты, овощи, молочные изделия, мясо, рыба, супы и каши, грибы, приправы. Сублимированные продукты имеют широчайшие возможности для использования, как в качестве готовых продуктов быстрого приготовления, так и в качестве полуфабрикатов для дальнейшей промышленной переработки (кондитерская, пищеконцетратная, мясомолочная, парфюмерная и другие отрасли).

Что касается сублимационной сушки бактериальных препаратов, то в медицине и биотехнологии их чаще называют препаратами (заквасками, БАД, биоконцентратами) лиофильной сушки, т.е. лиофилизированными, поскольку в итоге получаются лиофильные (легкорастворимые) вещества.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Процесс сублимационной сушки по своей природе представляет собой обезвоживание замороженного материала в результате перехода вещества (льда) из твердого в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Термин «сублимационная сушка» наиболее часто применяется в отечественной литературе и практике, однако, он не единственный. Этот процесс также определяют как «молекулярная сушка», исходя из характера движения пара в порах продукта и в сушильной камере. В медицине и биотехнологии, как было отмечено выше, его называют «лиофильная сушка». В зарубежной пищевой промышленности часто употребляют термин freeze-drying (англ).

Физические основы процесса сублимационной сушки наглядно иллюстрируются диаграммой равновесия фаз для воды в координатах давление пара – температура. На диаграмме состояния в месте пересечения пограничных кривых расположена тройная точка, в которой вода может существовать одновременно во всех трех фазах: лед – вода – пар. Если подводить теплоту к замороженному материалу при давлении ниже давления тройной точки воды (4,58 мм.рт.ст. или 611,73 Па), будет иметь место процесс сублимации (возгонки).

О СУШИЛЬНОМ АППАРАТЕ

Вакуумная сушка происходит в герметически закрытом аппарате, и передача тепла конвекцией невелика. Поэтому, чтобы поддерживать значительную интенсивность сушки в вакууме, тепло, необходимое для испарения жидкости, подводится к сушимому материалу путем теплопроводности от нагретой поверхности (контактная сушка) или радиацией от нагретых экранов (сушка инфракрасными лучами). Таким образом, вакуумная сушка по способу подвода тепла к материалу является контактной сушкой или сушкой инфракрасными лучами в условиях вакуума.

ДЛЯ ЧЕГО ЗАМОРАЖИВАЮТ

Замораживание обеспечивает фиксацию важнейших свойств продукта, а последующая сублимация льда создает пористую структуру. При этом сублимационное обезвоживание предполагает мягкие режимы термообработки в вакууме и позволяют получить конечную влажность на уровне нескольких процентов. В итоге качество сублимированных продуктов очень высокое, они легко регидратируются перед дальнейшим применением.

Однако несмотря на высокое качество получаемых сухих заквасок и увеличение их сроков хранения, они все же немного проигрывают по отношению к своим аналогам, полученным (законсерированным) в жидкой форме. Для примера взгляните на фиг.4 (рисунок взят из описания изобретения к патенту РФ № 2309982), где показано изменение количества клеток пропионовокислых бактерий в закваске жидкой, замороженной и при сублимационной сушке (показатель КОЕ /см3 упал с 12 порядков до 10).

Рис.1. Изменение количества клеток при сублимационной сушке

---

Выработка биомассы в производственных условиях

Процесс получения сухих, жидких и замороженных бактериальных концентратов (заквасок) проводят в несколько этапов с использованием соответствующего оборудования: ферментёров, сепараторов, морозильных и сушильных камер.

1. Культивирование

Культивирование (выращивание) микроорганизмов проводят на ферментере (рис. 2)

Рис. 2. Ферментёр «Биор-01», 100 л

Ферментёры или биореакторы, представляют собой камеры, в которых в жидкой или на твердой среде выращивают микроорганизмы. Процесс, происходящий в ферментере, называется ферментацией.

2. Сепарация

Полученную в ходе ферментации культуральную жидкость сепарируют на сепараторе (рис. 3).

 

Сепарация (лат.  separatio — отделение) — это различные процессы разделения смешанных объемов разнородных частиц, смесей, жидкостей разной плотности, эмульсий, твердых материалов, взвесей, твердых частиц или капелек в газе.

Культуральная жидкость – это жидкость, в которой выращивается культура микроорганизмов. В культуральной жидкости биомасса может находиться в неоднородном виде - клетки биомассы могут образовывать агломераты.

На первом этапе переработки культуральной жидкости производят отделение массы продуцента от жидкой фазы – сепарацию. Жидкость далее также подвергается переработке, если содержит метаболиты, представляющие практическую ценность.

Технологические приемы, используемые для отделения клеток от среды зависят от природы продуцента. Например, сахаромицеты (хлебопекарные дрожжи) имеют относительно большие клетки и способны флотироваться, поэтому после сгущения биомассы флотацией их отделяют на обычных барабанных вакуум-фильтрах. В дальнейшем биомассу, снятую с фильтра, подвергают прессованию и получают продукт с высоким содержанием живых клеток, имеющих высокую хлебопекарную активность.

3. Подготовка биомассы к сушке (замораживание)

Далее производится смешивание биомассы с криозащитной средой (криопротекторами).  Криопротекторы предохраняют жизнеспособные микроорганизмы от негативного влияния фазового перехода воды в лед при замораживании.

Прим.: Криоконсервация является одним из наиболее надежных способов длительного сохранения микроорганизмов в активной форме. При общем снижении температуры системы (криоанабиозе) подавляется активность ферментов, замедляется обмен веществ, развитие, рост, ослабляется чувствительность клеток к недостатку питательных веществ. Угнетение жизнедеятельности при замораживании живых организмов вызвано частичным превращением воды в лед.

Льдообразование связано с извлечением воды из протоплазмы клеток, а также уменьшением содержания свободной воды в системе. Процесс замораживания негативно сказывается на структурных компонентах клеток, что может привести к их гибели. Поэтому, обязательным требованием при осуществлении этого процесса является наличие криозащитных веществ – криопротекторов. Они способствуют понижению осмотического давления внутри клеток и тем самым препятствуют разрыву клеточных оболочек при оттаивании и замораживании.

Рис. 4. Морозильная камера NZ 280 с температурой минус 40 ºС

Затем, смешанную с защитной средой биомассу равномерно распределяют на поддонах, помещают в морозильную камеру (рис. 4) и замораживают.

4. Сублимационная сушка

Поддоны с замороженной биомассой помещают в сублимационную сушку (рис. 5).

Прим.: В большинстве случаев сублиматор снабжен нагревателями-плитами, на которых размещаются противни с продуктом.

Сублимационную сушку проводят на сушильной установке  (рисунок 4.). Сушильная установка состоит из следующих основных элементов: сушильной камеры (сублиматора), конденсатора, вакуум-насоса, нагревателя, и контрольно-измерительной аппаратуры.

Рис. 5. Сублимационная сушка LZ-45

Сублимационная сушка — это обезвоживание замороженного продукта путем возгонки (сублимации) льда. Сушка проходит при вакууме в течении нескольких часов с равномерно возрастающей температурой.

Выделяемые в процессе, сушки пары воды непрерывно удаляются из установки путем их конденсации на охлаждаемой поверхности или откачки с помощью насосов. В установках, снабженных конденсаторами, неконденсируемые газы удаляют с помощью вакуум-насосов.

Рис. 6. Внешний вид лиофильно-высушенной биомассы

Основным показателем при определении качества высушенного микробиологического препарата (бакконцентрата, закваски) является количество жизнеспособных микроорганизмов.

Видео о сублимационной (лиофильной) сушке

Дополнительно по теме см.:

• Жизнеспособность бифидобактерий после сушки
• Сублимация как способ сохранения жизнеспособности молочнокислых бактерий в кисломолочных продуктах
• Особенности технологии получения бакконцентратов
• Производство и поставка пробиотиков (обзор практики)
• Микробная ферментация (культивироание микроорганизмов)

Будьте здоровы!