Подбор состава молокосвертывающих ферментов для сыроделия

Созревание сыра это сложный и длительный биохимический процесс, базирующийся на первичных реакциях протеолиза казеина коагулирующими ферментами и ферментами молочнокислых бактерий, развивающихся в сыре. Молочнокислые бактерии имеют ограниченный спектр внутриклеточных протеолитических ферментов.
Большая часть этих ферментов является вводимыми. Они синтезируется в клетке по мере необходимости и при наличии соответствующего субстрата. При расширении спектра низкомолекулярных продуктов протеолиза под действием сложных смесевых композиций молокосвертывающих ферментов, становится очевидной возможность усиления микробиологических процессов.
Эта возможность возникает в связи с наличием легкодоступного для клетки азотистого питания в виде низкомолекулярных пептидов, которые легко транспортируются пермеазой в цитоплазму. Наряду с этим, за счет изменения конструктивного обмена в клетках молочнокислых бактерий, развивающихся в сырной массе, и синтеза ими дополнительных протеолитических ферментов, интенсифицируются протеолитические процессы в сыре.
Задача подбора состава молокосвертывающих препаратов является одной из наиболее важных проблем встречающихся сыродельной практике. Наличие  биологического действующего начала предопределяет высокую, по сравнению с химико-технологическими процессами, вариабельность объекта. Ферментативный характер и сложные биохимические механизмы регулирования реакции, ее автокаталитичность, иными словами влияние продуктов реакции на скорость протекания  процесса, значительно усложняют решение задачи.
В своей работе мы планировали получение математические модели связывающей качественные (органолептические) показатели сыра с начальными концентрациями различных молокосвертывающих ферментов (сычужный фермент (СФ), говяжий (ГП), куриный (КП) и свиной (СП) пепсины) в смеси для выработки сыра. С этой целью мы выбрали метод аддитивно-решетчатого описания процесса и использовали его в задаче оптимизации. Хотя этот метод и является не точной моделью объекта, а лишь его приближенной аппроксимацией, при работе с биологическими объектами он дает неплохие результаты и позволяет учесть влияние каждого фактора, не зависимо друг от друга.
В соответствии с разработанным планом были составлены многокомпонентные смеси молокосвертывающих препаратов, которые исследовались по показателям молокосвертывающей (МА) и протеолитической (ПА) активностей (табл. 1).

 
Показатели молокосвертывающей активности у экспериментальных композиций были близкими (отличия не превышали 33,5 тыс. у.е./г). В тоже время, протеолитическая активность смесей имела значительные различия.
Выработки сыра проводились из пастеризованного молока по действующей НТД в 5000 л ваннах. Дозу молокосвертывающего препарата, необходимую для коагуляции смеси, определяли в соответствии с действующей методикой с использованием кружки ВНИИМС. В возрасте кондиционной зрелости сыры дегустировались совместно со специалистами ОАО "Алтаймолпром".
При проведении моделирования в качестве выходных параметров были использованы: общая органолептическая оценка сыра (Y1) в баллах и отдельно оценка за вкус и запах (Y2), также в баллах.
Математическое выражение аддитивно-решетчатого описания модели имеет следующий вид:

Функция, описываемая уравнением (1), определяет общий результат процесса как сумму эффектов различных факторов.
Поскольку мы применили симметричный ортогональный многоуровневый план, это позволяет нам найти точечные оценки эффектов для всех уровней каждого фактора по простым соотношениям:

Поскольку аппроксимирующее описание складывается из суммы эффектов различных факторов (иными словами аддитивно), оптимум процесса определяется как сочетание частных оптимумов по каждому исследованному фактору. Такой способ оптимизации наиболее приближен к простым и привычным для биологов однофакторным зависимостям. Разница лишь в том, что в качестве таких однофакторных зависимостей принимаются эффекты аддитивно- решетчатого описания, полученные с помощью многофакторного плана, который «усредняет» однофакторные зависимости по фону остальных факторов.
Оптимизация процесса теперь заключается в выборе уровней каждого фактора, обеспечивающих наибольший эффект. Такими уровнями являются 3 для сычужного фермента, 3 для говяжьего пепсина, 1 для куриного пепсина и 3 для свиного пепсина. Это сочетание уровней дает увеличение органолептической оценки около 4 баллов.
Использование этой модели для оптимизации состава многокомпонентного молокосвертывающего препарата по максимальной общей балльной оценке сыра позволило нам рассчитать смесевую композицию представленную в таблице 3.

Результаты моделирования состава молокосвертывающих препаратов показывают, что для получения максимальной общей органолептической оценки сыра необходимо иметь в составе препарата не менее 1/3 сычужного фермента и 2/3 пепсинов, причем куриный пепсин в составе препарата не желателен. Для получения максимальной оценки сыра за вкус и аромат желательно в составе препарата иметь не менее 1/2 сычужного фермента, вторую половину должны составлять говяжий и свиной пепсины. При этом их соотношение должно быть в пределах 1:2.
Однако истинная модель объекта заранее неизвестна, выбор аппроксимирующей модели и метода оптимизации является произвольным, а различные методы оптимизации базируются на аппроксимации объекта различными математическими моделями. В этой связи, наряду с приведенной выше моделью с аддитивно- решетчатым описанием, мы, в наших экспериментах, дополнительно применили аппроксимирующую модель в виде полиномиального уравнения с линейными членами и двухфакторными взаимодействиями.
После обработки данных по общей органолептической оценке сыров и оценке за вкус и аромат, приведенных в таблице 1, была получены следующие аппроксимирующие модели:

Использование этого уравнения для моделирования состава молокосвертывающего препарата содержащего сычужный фермент и пепсины показывает (вероятность 83,5%), что минимальный, расчетный уровень протеолитической активности смеси (оптическая плотность 0,365 при 280 нм) достигается тогда, когда в состав препарата включается не менее половины сычужного фермента. Вторую половину препарата должны составлять смесь говяжьего и свиного пепсина, причем соотношение компонентов должно быть 1:2.
Это положение согласуется с приведенными выше результатами расчетов состава препарата по общей органолептической оценке и вкусовым показателям сыра.
На основании этих расчетов была составлена смесевая композиция, которая содержала 3 части сычужного фермента, 1 часть говяжьего и 2 части свиного пепсинов. Проверку оптимального варианта композиции молокосвертывающего препарата проводили при выработке радонежского сыра. Результаты органолептической оценки показали, что сыры, выработанные с новой смесевой композицией молокосвертывающих препаратов по общей балльной оценке, в среднем, на 3 балла превосходят контрольные. Причем улучшение органолептических показателей сыров происходит как за счет улучшения вкуса и запаха (2 балла), так и за счет улучшения консистенции (1 балла).
Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности использования методов математического моделирования в системе направленного подбора смесевых композиций молокосвертывающих препаратов для регулирования процессов созревания и улучшения качества сыров.

Белов А.Н.
ГНУ СИБНИИ СЫРОДЕЛИЯ СО РАСХН, Барнаул