CC BY
77
УДК 637.13
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПОДГОТОВКА КАК ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОССТАНОВЛЕННОГО ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОКА
Б. С. Шершенков, Е. П.Сучкова, Н. Г.Лаптева *
ULTRASONIC PREPARATION AS AN INSTRUMENT FOR INCREASING OF RECONSTITUTED SKIM
MILK PRODUCTION QUALITIES
B.S.Shershenkov, E.P.Suchkova, N.G.Lapteva*
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Институт холода и биотехнологий, boris.shershenkov@list.ru *Институт сельского хозяйства и природных ресурсов НовГУ, laptevang@yandex.ru
Рассматриваются возможности применения ультразвуковой обработки восстановленного обезжиренного молока, обеспечивающие повышение его производственных качеств для получения функциональных кисломолочных продуктов с сохранением и улучшением их потребительских свойств. В результате проведённого исследования определены зависимости изменения степени дисперсности белковых частиц и значения активности воды восстановленного обезжиренного молока от продолжительности и мощности ультразвуковой обработки низкой частоты и высокой интенсивности, соответствующие режимам работы промышленных ультразвуковых гомогенизаторов, которые находят всё более широкое применение на молокоперерабатывающих предприятиях. Подобран режим ультразвуковой обработки, позволяющий совместить процессы восстановления сухого молока и ультразвуковой интенсификации ферментационного процесса и тем самым значительно сократить длительность выработки кисломолочных продуктов на основе восстановленного молока.
Ключевые слова: ультразвуковая обработка, сухое обезжиренное молоко, восстановление, интенсификация, ферментация
This aricle reviews the possibilities of the use of ultrasonic processing of the reconstituted skim milk, providing the increase of its production qualities for receiving functional fermented milk products with the preservation and improvement of their consumer properties. The present research determined the dependences of the change of protein particles dispersion degree and water activity of the reconstituted skim milk on the duration and power of the ultrasonic treatment of low frequency and high intensity, corresponding to operating modes of industrial ultrasonic homogenizers which have ever-growing use on dairy plants. Also the research defined the mode of ultrasonic treatment allowing to combine the processes of milk powder reconstitution and ultrasonic intensification of the fermentative process and thus to reduce substantially the duration of the production of fermented milk food on the basis of the reconstituted milk.
Keywords: ultrasonic treatment, skim milk powder, reconstitution, intensification, fermentation
Ферментированные молочные продукты являются одним из важнейших источников незаменимых аминокислот, витаминов, микроэлементов и других биологически активных веществ, поддерживающих активность иммунной системы человека и снижающих воздействие вредных факторов окружающей среды, поэтому рекомендуется их ежедневное присутствие в рационе питания. Однако в связи с высокой затратностью транспортировки больших объёмов молока или готовой кисломолочной продукции на дальние расстояния это условие не всегда выполнимо, особенно для населения регионов страны, удалённых от основных мест производства молока-сырья.
Поэтому в последние годы влияние таких факторов, как сезонность получения, снижение общих объемов производства и общая неравномерность качества молочного сырья, а также необходимость в уменьшении зависимости предприятий по выработке кисломолочной продукции от поставок молока, привели к резкому увеличению объемов производства молочных продуктов на основе восстановленного молока [1].
Его использование позволяет создать резерв молочного сырья, необходимый для обеспечения бесперебойного производства молочной продукции, однако в настоящее время отечественное производство сухого молока не может удовлетворить спрос на него. Это приводит к увеличению импорта из-за рубежа и создаёт трудности в регулировании его качества, что сказывается и на качестве восстановленного молока как сырья для производства функциональной кисломолочной продукции [2].
Перспективным инструментом для повышения качества ферментированных молочных продуктов на базе восстановленного молока является ультразвук — упругие, механические колебания с частотами, лежащими за пределами человеческого слуха, в диапазоне от 20 кГц и до 1 ГГц, способные распространяться в газообразных, жидких и твёрдых средах [3]. Нижняя граница перехода звуковых колебаний в ультразвуковые условна, так как верхний предел частоты слышимого звука индивидуален для каждого человека и в среднем колеблется от 15 до 20 кГц, а многие физические явления, свойственные низкочастотному ультразвуку, при достаточной мощности проявляются уже у наиболее высоких звуков слышимого диапазона [4].
Воздействие ультразвуковых колебаний на жидкие среды проявляется в виде так называемого «ультразвукового ветра» — постоянного перемещения частиц обрабатываемой среды под воздействием акустических потоков в этих средах, что приводит к их интенсивному перемешиванию и ускорению диффузионных процессов и может значительно ускорить многие химические и биотехнологические процессы
[5].
Кроме того, одним из важнейших ультразвуковых явлений, проявляющимся при облучении различных жидких сред ультразвуком мощностью более 1 Вт/см2, является ультразвуковая кавитация — обусловленное ультразвуковым давлением возникновение пульсирующих и захлопывающихся полостей
размером менее 0,1 мм, называемых кавитационными пузырьками, заполненных парами этой среды и содержащимися в ней газами [3]. Под воздействием ультразвуковой кавитации интенсифицируются различные механохимические реакции, имевшие место в среде до воздействия ультразвука, а также инициируются специфические звукохимические реакции, в основе которых лежит механизм разрыва химических связей и образования свободных радикалов [4].
Получение механических колебаний ультразвуковой частоты чаще всего осуществляется с помощью специальных пьезокерамических материалов, изменяющих свои геометрические размеры под действием прикладываемого к ним переменного высокочастотного электрического напряжения. На этом принципе основана работа различных универсальных ультразвуковых агрегатов, которые получают всё более широкое применение на молочных предприятиях [6]. В настоящее время чаще всего используются ультразвуковые гомогенизаторы проточного типа, которые представляют собой пьезоизлучатели, вмонтированные в трубу из пищевой стали, что позволяет устанавливать и применять их для различных целей на любом этапе технологического потока [7]. Кроме того, каскадные ультразвуковые излучатели для обработки молока могут быть смонтированы прямо в резервуарах для растворения и ферментации молока [8].
Применение таких излучателей при обработке смеси сухого молока и воды позволяет значительно ускорить процессы растворения сухого молока, повысить его растворимость за счет измельчения его агломератов и, тем самым, снизить оптимальную температуру растворения до 25 °С [9]. Озвучивание молока также способствует набуханию белков и изменению соотношения свободной и связанной воды [10], что особенно важно при использовании восстановленного молока в качестве питательной среды для культивирования пробиотических микроорганизмов. Ещё одним положительным эффектом ультразвука при восстановлении сухого молока является разрушение пены, которое происходит в результате пульсации пузырьков пены и воздействия на их поверхность турбулентных вихрей, вызываемых акустическими течениями [11].
Кроме того, исследования Н. В.Поповой показали, что применение ультразвуковой обработки интенсифицирует процесс выщелачивания лактозы с поверхности белковых частиц, что повышает долю лактозы в жидкой фазе восстановленных молочных продуктов [10], а значит, увеличивает её доступность для микроорганизмов.
Но самой перспективной областью применения ультразвука является направленная интенсификация биохимических и ферментативных реакций. В настоящее время известно, что воздействие ультразвука ускоряет обмен между клетками и питательной средой, уменьшает длительность ферментного гидролиза и поддерживает активность некоторых ферментов, что позволяет обеспечить сокращение длительности адаптации клеток к новым условиям, а также ускорить накопление биомассы и синтез микроорганизмами биологически активных веществ [5, 8].
11 минута 2 минуты Ъ минуты
Мощность ультразвуковой обработки, Вт
Рис. Изменение показателя активности воды в образцах восстановленного молока при различных режимах ультразвуковой обработки
Средний частичный вес казеиновых мицелл в пробах восстановленного молока, 10 Дальтон
Таблица
Мощность обработки, Длительность обработки, мин.
Вт 1 2 3
0 45,68
2 45,55 44,69 44,37
4 44,76 43,80 42,47
6 44,10 43,28 42,31
8 43,21 42,38 41,57
Ультразвуковые методы могут применяться и в молочной промышленности для интенсификации процессов молочнокислого брожения и ускорения кислотонакопления в производстве различных ферментированных молочных продуктов, для чего можно использовать и уже существующее на молочных предприятиях ультразвуковое оборудование [3, 7].
При этом также становятся возможными процессы восстановления молока и прямое внесение лиофилизированных заквасок без предварительного оживления, так как ультразвуковая обработка обеспечивает равномерное распределение закваски по всему объему молока и её активизацию [6], что обеспечит значительное сокращение трудоёмкости производства. Однако при этом нельзя использовать высокие интенсивности ультразвука, чаще всего применяемые для восстановления сухого молока [2], так как при усилиях механического сдвига, сравнимого с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения и гибели клеток [4].
С целью определения оптимальных режимов подготовки восстановленного обезжиренного молока, обеспечивающих повышение потребительских
свойств восстановленных молочных продуктов и активацию процессов молочнокислого брожения, был проведён ряд опытов.
Для ультразвуковой обработки использовался лабораторный ультразвуковой диспергатор с системой обеспечения равномерного озвучивания проб и возможностью плавного изменения мощности в диапазоне от 2 до 8 Вт.
В качестве контрольных показателей были выбраны индекс растворимости сухого обезжиренного молока, активность воды и средний частичный вес казеиновых мицелл в восстановленном молоке, а также измерение нарастания активной кислотности в образцах озвученного молока в процессе сквашивания молочнокислыми микроорганизмами.
Индекс растворимости в пробах без озвучивания составлял порядка 0,2 см3, при этом обработка ультразвуком даже на небольших мощностях и длительностях вызывала в среднем 50%-ное уменьшение этого показателя, а для режимов обработки мощностью более 4 Вт и длительностью 2—3 мин индекс растворимости составил 0,05 см3 и менее.
Активность воды (Л'Я') — один из важнейших показателей пищевых продуктов, указывающий на
степень связи воды с неводными компонентами [12]. Определение активности воды проводилось криоско-пическим методом после растворения и озвучивания проб восстановленного молока. Результаты определения показаны на рис.
Для определения непосредственного влияния ультразвуковой обработки на структурные свойства белков методом светорассеяния определялся средний частичный вес казеиновых мицелл (табл.).
По результатам опытов был определен оптимальный режим обработки молока длительностью 3 мин и мощностью 5 Вт, при котором достигается наиболее равномерное распределение частиц сухого молока и лиофилизированной закваски в воде, а также обеспечивается максимальная доступность питательных веществ для молочнокислых микроорганизмов.
Правильность подбора режима была подтверждена микробиологическим контролем. Так максимальный эффект на кислотонакопление термофильной культуры в диапазоне исследуемых режимов также наблюдался при мощности обработки 5 Вт и длительности озвучивания 3 мин; при этом титруемая кислотность образца превысила кислотность контроля, не подвергающегося обработке, более чем на 8%.
В результате проведённых исследований можно сделать вывод, что применение совмещённого метода восстановления сухого молока и активации ферментационного процесса позволит значительно сократить процесс производства кисломолочных продуктов с положительным влиянием на их потребительские свойства.
Кроме того, применение данной технологии позволит получать различные виды традиционной и инновационной молочной продукции на основе сухого обезжиренного молока, нативно обогащённые функциональными веществами и не требующие применения специальных добавок, что снизит их себестоимость и увеличит доступность некоторых видов лечебного питания для рядового потребителя.
1. Грунская В.А., Корзюк Я.В. Разработка технологии обогащенных кисломолочных напитков с использованием СОМ // Молочнохозяйственный вестник. 2011. № 2. С. 29-33.
2. Попова Н.В., Потороко И.Ю. Инновационные технологии формирования качества восстановленных продуктов переработки молока // Вестник ЮУрГУ. Экономика и менеджмент. 2014. № 2. Т. 2. С. 16-26.
3. Хмелёв В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: монография. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. 160 с.
4. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: Учеб. пособие / Под ред. С.И.Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. 224 с.
5. Rokhina E.V., Lens P., Virkutyte J. Low-frequency ultrasound in biotechnology: state of the art // Trends in Biotechnology. 2009. № 27. Р. 298-306.
6. Макеев В.Н., Лобанов А.В., Зверев С.В. Ультразвуковые гомогенизаторы в молочной промышленности // Переработка молока. 2006. № 8. С. 22-23.
7. Зверев С.В., Лобанов А.В. Ультразвуковая техника в молочной промышленности // Переработка молока. 2005. № 1. С. 10.
8. Chisti Y. Sonobioreactors: using ultrasound for enhanced microbial productivity // Trends in Biotechnology. 2003. № 21. Р. 89-93.
9. Обработка сырья и продуктов с помощью ультразвукового экстрактора. / ФГУП НИИ «Мир-продмаш» // Пищевая промышленность. 2005. № 12. С. 39.
10. Попова Н.В. Инновации в технологии восстановления сухого молока как фактор управления качеством восстановленных продуктов переработки молока // Вестник ЮУрГУ. Экономика и менеджмент. 2013. № 4. Т. 7. С. 181-186.
11. Дергачёв П.П., Блиадзе В.Г. Возможности ультразвуковой обработки молока // Молочная промышленность. 2009. № 5. С. 46-47.
12. Цуканов М.Ф., Черноморец А.Б. Технологические аспекты показателя «активность воды» и его роль в обеспечении качества продукции общественного питания // Технико-технологические проблемы сервиса. 2010. № 11. С. 58-63.
References
1. Grunskaya V.A., Korzyuk Ya.V. [Development of the technology of enriched fermented milk drinks with the use of skim milk powder]. Molochnokhozyaystvennyy vestnik, 2011, no. 2, pp. 29-33.
2. Popova N.V., Potoroko I.Yu. [Innovative technologies of the quality formation of reconstituted products of milk processing]. Vestnik YuUrGU. Ekonomika i menedzhment, 2014, no. 2, vol. 2, pp. 16-26.
3. Khmelev V.N., Popova O.V. Mnogofunktsional'nye ul'traz-vukovye apparaty i ikh primenenie v usloviyakh malykh pro-izvodstv, sel'skom i domashnem khozyaystve: monografiya [Multifunction ultrasonic apparatuses and their use in small business, agriculture and household: academic monograph]. Barnaul, AltGTU Publ., 1997. 160 p.
4. Akopyan V.B., Ershov Yu.A., Shchukin S.I. (ed.). Osnovy vzaimodeystviya ul'trazvuka s biologicheskimi ob"ektami: ucheb. posobie [Foundations of interaction of ultrasound and biological objects: Textbook]. Moscow, MGTU Publ., 2005. 224 p.
5. Rokhina E.V., Lens P., Virkutyte J. Low-frequency ultrasound in biotechnology: state of the art. Trends in Biotechnology, 2009, no. 27, pp. 298-306.
6. Makeev V.N., Lobanov A.V., Zverev S.V. [Ultrasonic ho-mogenizers in dairy industry]. Pererabotka moloka, 2006, no. 8. pp. 22-23.
7. Zverev S.V., Lobanov A.V. [Ultrasonic equipment in dairy industry]. Pererabotka moloka, 2005, no. 1, p. 10.
8. Chisti Y. Sonobioreactors: using ultrasound for enhanced mi-crobial productivity. Trends in Biotechnology, 2003, no. 21, pp. 89-93.
9. Federal State Unitary Enterprise Scientific and Research Institute "Mir-Prodmash". [The ultrasonic extractor treatment of raw materials and products]. Pishchevaya promyshlennost', 2005, no. 12, p. 39.
10. Popova N.V. [Innovations in the milk powder reconstitution technology as a factor of quality control of reconstituted products of milk processing]. Vestnik YuUrGU. Ekonomika i menedzhment, 2013, no. 4, vol. 7, pp. 181-186.
11. Dergachev P.P., Bliadze V.G. [The potential of milk ultrasonic treatment]. Molochnaya promyshlennost', 2009, no. 5, pp. 46-47.
12. Tsukanov M.F., Chernomorets A.B. [Technological aspects of water activity index and its role in the quality assurance of the public catering production]. Tekhniko-tekhnologicheskie problemy servisa, 2010, no. 11, pp. 58-63.
