На правах рукописи


Быковченко Татьяна Вениаминовна

технологии жидких дрожжей и хлебобулочных изделий в условиях дискретного производства

Специальность 05.18.01 -

Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Государственный научно-исследовательский институт хлебопекарной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ГОСНИИХП Россельхозакадемии)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ

Поландова Раиса Дмитриевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Дубцов Георгий Георгиевич
кандидат технических наук,

Роговских Ирина Валентиновна
Ведущая организация: НОУ ДПО «Международная промышленная академия» (МПА)

Защита состоится « 15 » октября 2009 г. в _13.00_ ч на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.03 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, 11, ауд. 302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

Автореферат разослан « » сентября 2009 г.

Ученый секретарь Совета, к.т.н., доц. И.Г. Белявская

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В начале XX века в крупных городах России – Петербурге, Москве, Киеве, Екатеринбурге и других промышленных центрах функционировали кустарные пекарни малой мощности с трудоемкими процессами хлебопекарного производства. В 20-х гг. СНК СССР принял решение о создании хлебопекарной промышленности. Была поставлена задача о бесперебойном обеспечении населения страны хлебобулочными изделиями промышленного производства и механизации предприятий. Для выполнения государственной были привлечены отечественные инженеры и ученые. В 1929 г. в Москве построен первый механизированный хлебозавод по проекту инженера Г.П. Марсакова. Отечественными учеными была разработана уникальная технология, обеспечивающая на хлебопекарных предприятиях производство хлеба высокого качества: профессор А.И. Островский разработал рациональную схему производства жидких дрожжей для хлебозаводов, работающих при круглосуточном непрерывном технологическом процессе.

Жидкие дрожжи являются начальной стадией технологического процесса, их готовят из натурального сырья – муки на хлебопекарных предприятиях и применяют в качестве биологического разрыхлителя при производстве хлеба из пшеничной, смеси пшеничной и ржаной муки. Жидкие дрожжи в технологии хлебопечения обеспечивают высокую пищевую ценность хлебобулочных изделий, обогащая их биологически активными и пребиотическими компонентами, синтезируемыми молочнокислыми бактериями Lactobacillus delbrueckii и дрожжами Saccharomyces cerevisiae. Хлеб, выпеченный на жидких дрожжах, содержит незаменимые аминокислоты, витамины, молочную кислоту, способствующие повышению иммунитета и улучшению микрофлоры организма, в котором не развиваются болезнетворные микроорганизмы и инфекционные желудочно-кишечные заболевания. Хлеб на жидких дрожжах приобретает приятный вкус и аромат, длительное время сохраняет свежесть. При переработке муки с пониженными хлебопекарными свойствами жидкие дрожжи стабилизируют технологический процесс, ингибируют развитие «картофельной палочки», содержащейся в муке, и предотвращают картофельную болезнь хлеба. Применение жидких дрожжей в производстве формовых сортов хлеба из пшеничной муки позволяет значительно сократить расход прессованных дрожжей, в результате улучшаются техноэкономические показатели хлебопекарных предприятий.

Большой вклад в совершенствование процесса приготовления жидких дрожжей и их внедрение на хлебопекарных предприятиях внесли ученые: В.А. Николаев, М.И. Ратнер, М.П. Плотников, А.Я. Пумпянский, Э.С. Канель, Р.С. Баширова, Н.В. Запенина, Г.М. Смирнова, В.И. Калинина, Л.Я. Ауэрман, Л.И. Пучкова, Р.Д. Поландова, Т.Г. Богатырева, Л.П. Пащенко и другие.

В современных экономических условиях хлебопекарные предприятия в основном работают в одно-, двухсменном режиме с перерывами до 8-16 ч, при этом проблемой является сохранение биотехнологических свойств жидких дрожжей. В настоящее время жидкие дрожжи применяют на отдельных хлебозаводах большой мощности, работающих без перерывов в технологическом процессе. Анализ производственной деятельности хлебопекарных предприятий показал отсутствие научно обоснованной технологии, обеспечивающей микробиологическую чистоту и сохранение биотехнологических свойств жидких дрожжей в условиях работы хлебопекарных предприятий с перерывами.

В связи с этим актуальной задачей является разработка технологий приготовления жидких дрожжей для дискретной работы хлебопекарных предприятий и обеспечения стабильности технологического процесса, производства хлебобулочных изделий повышенной пищевой ценности и микробиологической чистоты; создание технологий, позволяющих оперативно перестраивать организацию производства для более эффективного использования основного и вспомогательного сырья, технологического оборудования, трудовых и материальных ресурсов; что обеспечит снижение себестоимости продукции и улучшит техноэкономические показатели хлебопекарных предприятий, особенно малой мощности.

Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований является разработка технологии производства жидких дрожжей и их применения в технологическом процессе приготовления хлебобулочных изделий в условиях работы хлебопекарных предприятий с перерывами до 8-16 ч.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать дифференциальную технологию приготовления жидких дрожжей с увеличенной продолжительностью их выращивания (до 16 ч):

- провести оптимизацию составов питательных сред и разработать режимы приготовления жидких дрожжей в зависимости от продолжительности их выращивания;

- разработать математическую модель процесса приготовления жидких дрожжей.

2. Разработать технологию приготовления жидких дрожжей с пропионовокислыми бактериями (ПКБ) для повышения микробиологической чистоты хлебобулочных изделий:

- исследовать взаимодействия ПКБ Propionibacterium freudenreichii, дрожжей S. cerevisiae и спорообразующих бактерий рода Bacillus;

- разработать способ культивирования ПКБ в мучной среде;

- оптимизировать состав питательной среды и разработать режим приготовления жидких дрожжей с ПКБ.

3. Разработать технологию приготовления жидких дрожжей с хмелем для повышения пищевой ценности и микробиологической чистоты хлебобулочных изделий, вырабатываемых на хлебопекарных предприятиях малой мощности:

- исследовать влияние хмеля на ферментативную активность дрожжей и селекционировать хмелеустойчивые штаммы;

- оптимизировать состав питательной среды и разработать режимы приготовления жидких дрожжей с хмелем в зависимости от продолжительности выращивания.

4. Исследовать влияние жидких дрожжей с различной продолжительностью выращивания на качество и микробиологическую безопасность хлебобулочных изделий.

5. Разработать документацию по приготовлению и применению жидких дрожжей в условиях дискретной работы хлебопекарных предприятий.

6. Промышленная апробация и внедрение результатов исследований.

Структурная схема исследований приведена на рис. 1.

Научная новизна. Научно обоснованы и разработаны технологии приготовления жидких дрожжей и хлебобулочных изделий в условиях дискретной работы хлебопекарных предприятий.

Оптимизированы составы мучных питательных сред (в том числе с применением хмеля и пропионовокислых бактерий), стабилизирующие биотехнологические свойства жидких дрожжей в условиях одно- и двухсменной работы хлебозаводов, сформулированы принципы культивирования дрожжей и молочнокислых бактерий (МКБ) L. delbrueckii при различной продолжительности их выращивания.

Разработана математическая модель технологического процесса приготовления жидких дрожжей, описывающая совокупность микробиологических и биохимических процессов при различной продолжительности их выращивания.

Исследовано совместное культивирование в мучных средах дрожжей, пропионовокислых, молочнокислых бактерий L. delbrueckii. Выявлено ингибирующее влияние пропионовокислых бактерий на спорообразующие бактерии рода Bacillus во взаимосвязи с составом питательных сред для выращивания ПКБ. Показан наибольший прирост биомассы ПКБ на мучной заварке, заквашенной L. delbrueckii, используемой для приготовления жидких дрожжей.

Проведены исследования по селекции высокопродуктивных штаммов чистых культур хмелеустойчивых дрожжей и выявлено повышение ферментативной активности дрожжей при их выращивании на мучной осахаренной заварке с хмелем в оптимальных условиях.

Исследованиями хлебобулочных изделий, приготовленных на жидких дрожжах по разработанным технологиям, подтвержден эффект улучшения качества хлеба и повышения его пищевой ценности и микробиологической чистоты.

Научное обоснование и разработка дифференциальной технологии ЖД с увеличением продолжительности выращивания дрожжей (до 16 ч)

Оптимизация составов питательных сред и режимов приготовления ЖД в зависимости от продолжительности их выращивания

Разработка документации - инструкции по приготовлению и применению ЖД в условиях дискретной работы хлебопекарных предприятий; промышленная апробация и внедрение

Технологии жидких дрожжей и хлебобулочных изделий в условиях дискретного производства

Рисунок 1 - Структурная схема исследований

Практическая ценность. Разработаны и научно обоснованы дифференциальная технология приготовления жидких дрожжей с увеличением продолжительности их выращивания (до 16 ч) в условиях дискретного производства (патент № 2326937 от 15.11.2006); технология приготовления жидких дрожжей с пропионовокислыми бактериями для повышения микробиологической безопасности хлебобулочных изделий (положительное решение по заявке на изобретение № 2008146213 от 25.11.2008); технология приготовления жидких дрожжей с хмелем для обеспечения микробиологической чистоты хлебобулочных изделий на предприятиях малой мощности.

На основе разработанных принципов культивирования дрожжей и МКБ L. delbrueckii разработана методика расчета приготовления жидких дрожжей для хлебопекарных предприятий и прикладная программа для управления процессом приготовления жидких дрожжей в различных условиях производства при изменении ассортимента и объема вырабатываемой продукции, продолжительности смены, типов и суточной мощности технологического оборудования (печей).

На основании результатов исследований и производственных испытаний разработана и утверждена «Технологическая инструкция по приготовлению и применению жидких дрожжей в условиях дискретной работы хлебопекарных предприятий» («Сборник современных технологий хлебобулочных изделий», 2008 г.).

Определен ожидаемый экономический эффект по отрасли хлебопечения, который составит 155 млн. руб. (от 30 до 450 тыс. руб. на одно предприятие) в результате снижения себестоимости продукции: эффективного использования основного и вспомогательного сырья (за счет замены прессованных дрожжей жидкими), технологического оборудования (снижения расхода топлива, электроэнергии), сокращения технологических и производственных потерь и работы хлебопекарных предприятий в одно- или двухсменном режиме.

Технологии приготовления жидких дрожжей в условиях дискретного производства хлеба апробированы и внедрены на 9 хлебопекарных предприятиях, в том числе в ОАО «Хлебозавод №9», г. Москва, ОАО «Хлебозавод №2», г. Ижевск, ОАО «Хлебозавод», г. Брянск и др.

Результаты научных исследований и внедрения включены в учебные программы повышения квалификации специалистов хлебопекарной промышленности при Российском Союзе пекарей (РСП) и Международной промышленной академии.

Работа проводилась в соответствии с научно-технической программой Россельхозакадемии (РАСХН): «Разработать современные ресурсосберегающие методы и технологии высокоэффективной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных продуктов адекватного питания» в рамках Концепции Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на III Международной конференции «Современное хлебопечение-2003» (МПА, Москва, 2003), Всероссийской научно-практической конференции «Качество и безопасность сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» (РАСХН, Углич, 2004), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Биотехнология микробов» (МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, 2004), Всероссийском симпозиуме «Автотрофные микроорганизмы (МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, 2005), II Международной конференции «Индустрия пищевых ингредиентов XXI века» (МПА, Москва, 2007), Международном научно-практическом симпозиуме «Микробные биокатализаторы и их роль в нано- и биотехнологиях» (ВНИИПБТ, Москва, 2008), региональном научно-практическом семинаре «Микробиологические аспекты хлебопекарного и кондитерского производств» (ОАО «Хлеб», Тверь, 2008), Всероссийской конференции «Научно-практические аспекты экологизации продуктов питания» (РАСН, Углич, 2008), X Межрегиональной научно-практической конференции «Современное хлебопекарное производство: перспективы развития» (Уральский государственный экономический университет, Екатеринбург, 2009 г.); XII Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии» (МГУ приборостроения и информатики, Москва. 2009), Конференции X юбилейного международного форума «Высокие технологии XXI века» (ЦВК «Экспоцентр», Москва, 2009), Ученом Совете ГНУ ГОСНИИХП Россельхозакадемии (Москва, 2003-2009), научно-практических семинарах Российского Союза Пекарей (Москва, 2003-2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, получены патент и положительное решение на выдачу патента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений. Диссертационный материал изложен на 185 страницах основного текста, включает 19 рисунков и 33 таблицы. Список литературы состоит из 110 источников российских и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Обзор литературы

В обзоре научно-технической литературы проведен анализ существующих схем приготовления жидких дрожжей, способов повышения их микробиологической чистоты и стабилизации биотехнологических свойств. Приведено описание свойств пропионовокислых бактерий и их применение в хлебопечении. Обобщены данные о методах регулирования процессов созревания полуфабрикатов в условиях работы хлебопекарных предприятий с перерывами; применении жидких дрожжей при различных способах тестоприготовления и их влиянии на качество и микробиологическую чистоту хлебобулочных изделий. В результате проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследований.

2. Экспериментальная часть

Исследования проводили в ГНУ ГОСНИИ хлебопекарной промышленности Россельхозакадемии; Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова на кафедре микробиологии; Московском государственном университете приборостроения и информатики на кафедре прикладной математики.

2.1. Объекты и методы исследований

Для проведения исследований использовали: муку пшеничную первого и второго сорта со средними хлебопекарными свойствами, дрожжи прессованные хлебопекарные; ферментные препараты - Глюкоамилазу очищенную AMG 800 BG, Фунгамил SG 2500 (DSM); соль поваренную пищевую; соду пищевую (натрий двууглекислый); солод ячменный пивоваренный; хмель прессованный (далее - хмель). Качество сырья и пищевых добавок соответствовало требованиям технической документации. Для приготовления жидких дрожжей использовали чистые культуры микроорганизмов из коллекции ГОСНИИХП: штаммы дрожжей S. cerevisiae - №3, 9, М-23; МКБ - L. delbrueckii № 40, 30-1; из коллекции кафедры микробиологии МГУ имени М.В. Ломоносова: ПКБ - Propionibacterium freudenreichii RVS-4-irf.

В работе применяли общепринятые и специальные методы оценки качества сырья, активности чистых культур микроорганизмов, свойств жидких дрожжей и качества хлебобулочных изделий.

Жидкие дрожжи готовили по разработанным технологиям, в том числе с добавлением пропионовокислых бактерий и хмеля. В качестве контроля использовали жидкие дрожжи, приготовленные по рациональной схеме («Методическое руководство по приготовлению жидких дрожжей на хлебопекарных предприятиях», ГОСНИИХП, 2001 г.).

Для выращивания ПКБ P. freudenreichii и исследования их совместного культивирования с дрожжами S. cerevisiae и спорообразующими бактериями B. subtilis и B. cereus использовали синтетические и полусинтетические среды, содержащие глюкозу, минеральные соли, кукурузный экстракт, триптон; экстракт мучной среды (ЭМС) с концентрацией редуцирующих сахаров 4%. Температура культивирования составляла 30^оС, начальное значение рН 6,8–7,0.

Рост жидкой культуры P. freudenreichii оценивали с помощью спектрофотометра «Specol» (λ=540 нм, l=1 см) и переводили в единицы АСБ (абсолютно сухой биомассы) - 0,301 мг/мл АСБ = 3,3 х 10⁸ КОЕ/мл. Рост бактерий в мучных средах определяли оптическим методом. Из мучной осахаренной заварки получали ЭМС – прозрачный супернатант, который готовили путем центрифугирования мучной заварки в течение 45 мин при 9000 g. Культуральные жидкости (КЖ) P. freudenreichii получали центрифугированием культур при 30000g в течение 15 мин, стерилизовали фильтрованием через мембранный фильтр «Synpor» №6 (Чешская Республика). Контроль микробиологической чистоты культур проводили с помощью микроскопа LABOVAL-4 (Carl Zeiss, Yena).

Качественный и количественный анализ летучих жирных кислот (ЛЖК) - пропионовой и уксусной проводили методом газовой хроматографии с использованием аппаратно-программируемого комплекса на базе газового хроматографа «Кристалл 2000М» (СКБ «Хроматэк», г. Йошкар-Ола). Параметры колонки НР FFAP составляли 50 х 0,32 х 0,5 мм; детектор – пламенно-ионизационный. Образцы готовили путем перевода солей ЛЖК в форму кислоты. Концентрацию молочной кислоты измеряли методом ВЭЖХ.

Качество жидких дрожжей оценивали по следующим показателям: влажность, титруемая кислотность, рН, подъемная сила; бродильная активность (на микрогазометре И.К. Елецкого); количество клеток дрожжей и термофильных МКБ (по методу подсчета в камере Горяева и посева на сусло-агар с мелом), мезофильных МКБ (методом посева на сусло-агар с мелом); спорообразующих бактерий рода Bacillus (методом посева на среду КМАФАнМ); удельная скорость роста. Исследования свойств жидких дрожжей проводили после 10-го освежения в 3-х повторностях.

Содержание редуцирующих сахаров в мучных питательных средах и жидких дрожжах измеряли перманганатным методом (по Бертрану); глюкозы - глюкозооксидазным методом; аминного азота – медным способом.

Тесто готовили опарным (на густой опаре) и безопарным способами с применением жидких и прессованных дрожжей.

Хлебобулочные изделия анализировали по физико-химическим, органолептическим показателям и микробиологической безопасности (появлению признаков картофельной болезни). Структурно-механические свойства мякиша хлеба определяли на приборе «Пенетрометр» АП-4/2 по величине общей деформации, пластичности и упругости.

При проведении экспериментов использовали математические методы обработки результатов с применением персонального компьютера IBM и программного обеспечения.

2.2. Результаты исследований

2.2.1. Разработка дифференциальной технологии приготовления жидких дрожжей с увеличенной продолжительностью выращивания.

Для разработки технологии жидких дрожжей, приготовляемых в условиях дискретной работы хлебопекарных предприятий, проведены исследования влияния биохимического состава питательных сред и начальных концентраций дрожжевых клеток при различной продолжительности выращивания на биотехнологические свойства жидких дрожжей, качество и микробиологическую чистоту хлеба.

Оптимизация составов питательных сред и разработка режимов приготовления жидких дрожжей.

Жидкие дрожжи готовили на мучной осахаренной (ОЗ), заквашенной заварке (ЗЗ) и смеси осахаренной и заквашенной заварки.

Для осахаривания мучной заварки использовали ферментные препараты (ФП) альфа- и глюкоамилазы в оптимальных дозировках (Фунгамил SG 2500 в количестве 65 ед. АС/100 г муки и Глюкоамилаза очищенная AMG 800 BG в количестве 100 ед. ГлС/100 г муки). При продолжительности осахаривания 1,5 ч содержание редуцирующих веществ в мучной заварке составило 23,7% на сухие вещества (СВ); глюкозы – 3,2% на СВ. На основе осахаренной заварки готовили заквашенную заварку и смесь осахаренной и заквашенной заварки.

Продолжительность выращивания дрожжей варьировали от 4 до 16 ч.

Установлено, что применение питательных сред, содержащих редуцирующие вещества (РВ) – 31,6-39,7 % на СВ, аминный азот – 152,6-253,4 мг% на СВ, обеспечивает хорошие биотехнологические свойства жидких дрожжей (при продолжительности выращивания 4 ч и соотношении ЖД и питательной среды 1 : 1); количество клеток дрожжей – 135-150 млн/г; удельная скорость размножения – 0,20-0,23 ч^-1; подъемная сила 15-17 мин; бродильная активность 18,5-19,0 см³ СО₂; кислотность 8,5-10,5 град.

При увеличении продолжительности выращивания дрожжей до 6-10 ч (соотношение ЖД и питательной среды 1 : 1) содержание сахаров и аминного азота снижается, бродильная активность и подъемная сила жидких дрожжей ухудшаются.

В связи с этим проведено количественное определение времени биохимического цикла, лимитирующего деление, – периода удвоения дрожжевых клеток на заквашенной заварке (рис. 2) для установления начальных концентраций дрожжевых клеток (соотношений ЖД и питательной среды) при увеличении продолжительности выращивания.

Рисунок 2 – Экспериментальные (1, 2, 3) и расчетные (4, 5, 6) данные количества дрожжевых клеток на заквашенной заварке при соотношении ЖД и питательной среды (ЗЗ) 1 : 1 (1, 4), 1 : 2 (2, 5), 1 : 3 (3, 6).

Установлено, что при различных начальных концентрациях клеток дрожжей период их удвоения составляет не менее 3-х ч. Для разработки режимов приготовления жидких дрожжей с учетом производственных условий период удвоения дрожжевых клеток принят равным 4 ч. На основании разработанной математической модели (стр. 11) получены расчетные данные количества клеток дрожжей при их выращивании на заквашенной заварке (рис. 2). Отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет для соотношения ЖД и заквашенной заварки 1 : 1 и 1 : 2 - 10-14%, 1 : 3 - 5-33%.

Получена зависимость количества добавляемой питательной среды от продолжительности выращивания дрожжей, описывающая режим приготовления жидких дрожжей с учетом многостадийности трансформации субстрата и клеточного развития (рис. 3).

Для подтверждения данной зависимости и выявления оптимальной питательной среды исследовано влияние увеличения количества питательной среды (осахаренной, заквашенной заварки и их смеси 1 : 1) на свойства жидких дрожжей при следующих соотношениях ЖД и питательной среды и продолжительности выращивания: 1 : 2-4 - 8 ч; 1 : 6-8 - 12 ч и 1 : 10-20 - 16 ч.


Рисунок 3 - Зависимость количества частей питательной среды, добавляемой к одной части ЖД от продолжительности их выращивания в интервале 4-16 ч.

Исследованиями установлено, что при продолжительности выращивания дрожжей 8 ч оптимальной питательной средой является мучная заквашенная заварка и соотношение ЖД и питательной среды 1 : 3, начальное количество дрожжевых клеток составляет 25±2 млн./г; при продолжительности выращивания

Рисунок 4 - Влияние составов питательных сред на ПС жидких дрожжей при их выращивании в ЗЗ, ОЗ и их смеси (1 : 1) при оптимальной начальной концентрации дрожжевых клеток.
Для сохранения биотехноло-гических свойств заквашенной заварки в условиях работы хлебопекарных предприятий с перерывами разработан режим ее приготовления: установлен период удвоения молочнокислых бактерий L. delbrueckii при их выращивании на мучной осахаренной заварке (5 ч), и определены соотношения заквашенной и осахаренной заварки ( начальные концентрации МКБ

следующая страница>