CC BY
0
международная научно-практическая конференция , t „Молоко 2050: наукоемкие РЕШЕНИЯ
Научная статья
УДК 637.04 637.047
DOI: 10.52653/РР1.2022.3.3.006
Аэрированные продукты с производными белков молочной сыворотки
Евгения Юрьевна Агаркова
внии молочной промышленности, москва, e_agarkova@vnimi.org
Аннотация. Сывороточные белки в значительной степени проявляют различные технологические свойства, в частности способность образовывать пены, которые можно регулировать различными способами, например, при помощи гидролиза. Гидролиз сывороточных белков приводит к изменению суммарного заряда пептидных молекул, что в конечном счете изменяет их свойства, в том числе и пенообразующие. При этом изначально высокая пенообразующая способность как концентратов, так и гидролизатов белков молочной сыворотки, не гарантирует в итоге получение пены с высокой стойкостью. Целью исследования является изучение пенообразующих свойств (ПС) концентрата сывороточных белков, а также его гидролизатов и пермеата, включенных в рецептуру ранее разработанного аэрированного продукта - мусса, с отслеживанием динамики структурно-механических свойств. По результатам эксперимента установлено, что для получения стойких пенных масс в белковых растворах должно присутствовать большое количество пептидов молекулярной массой менее 5 кДа или более 10 кДа. Самые высокие значения ПС зафиксированы в образцах муссов с использованием гидролизатов, однако увеличилась и проницаемость аэрированного геля, что в совокупности приводило к снижению стабильности системы. В то время как в муссах, полученных на основе концентратов сывороточных белков и фракционированного пермеата отмечена более низкая ПС, проницаемость геля была выше. По результатам оценки реологических характеристик установлено, что наиболее стабильными в процессе хранения были образцы на основе концентратов сывороточных белков и фракционированного пермеата. Значения их динамической вязкости и тиксотропности с течением времени оставались практически на одном уровне, что позволяет сделать вывод о том, что с точки зрения создания стойких в хранении аэрированных молочных продуктов предпочтительнее использовать концентраты сывороточных белков и пермеат, содержащий максимальное количество низкомолекулярных пептидов.
Ключевые слова: белки молочной сыворотки, гидролизаты сывороточных белков, пенообразующие свойства, реология
Для цитирования: Агаркова Е.Ю. Аэрированные продукты с производными белков молочной сыворотки // Пищевая промышленность. 2022. № 3. С. 24-27.
Original article
Aerated product with whey protein derivatives
Elena Yu. Agarkova
All-Russian Dairy Research Institute, Moscow, e_agarkova@vnimi.org
Abstract. Whey proteins to a large extent exhibit different processing properties, in particular the ability to form foams, which can be regulated in various ways, for example, by hydrolysis. Hydrolysis of whey proteins leads to a change in the total charge of peptide molecules, which ultimately changes their properties, including foaming. At the same time, the initially high foaming ability of both concentrates and hydrolysates of whey proteins does not ultimately guarantee the production of foam with high stability. The aim of the study is to study the foaming properties (FP) of whey protein concentrate, as well as its hydrolysates and permeate, included in the formulation of a previously developed aerated product - mousse, with tracking the dynamics of structural and mechanical properties. According to the results of the experiment, it was found that in order to obtain stable foam masses, a large number of peptides with a molecular weight of less than 5 kDa or more than 10 kDa must be present in protein solutions. The highest values of FP were recorded in mousse samples using hydrolysates, but the permeability of the aerated gel also increased, which together led to a decrease in the stability of the system. While in mousses obtained on the basis of whey protein concentrates and fractionated permeate, a lower FP was noted, but the permeability of the gel was higher. According to the results of the assessment of rheological characteristics, it was found that the most stable during storage were samples based on whey protein concentrates and fractionated permeate. The values of their dynamic viscosity and thixotropy over time remained practically at the same level, which allows us to conclude that from the point of view of creating storage-stable aerated dairy products, it is preferable to use whey protein concentrates and permeate containing the maximum amount of low molecular weight peptides.
Keywords: whey proteins, whey protein hydrolysates, foaming properties, rheology
For citation: Agarkova E. Yu. Aerated product with whey protein derivatives // Food processing industry. 2022;(3):24-27 (In Russ.).
Автор, ответственный за переписку: Евгения Юрьевна Агаркова, e_agarkova@vnimi.org
Corresponding author: Elena Yu. Agarkova, e_agarkova@vnimi.org
© Агаркова Е.Ю., 2022
24 3/2022 пищевая промышленность issn 0235-2486
МОЛОКО 2050: НАУКОЕМКИЕ РЕШЕНИЯ^
_BHI
AND TECHNOLOGY
Введение. Наряду с высокой биологической ценностью сывороточные белки в значительной степени проявляют различные технологические свойства, в частности способность образовывать пены [1, 2, 3]. При получении газодисперсных белковых систем необходимо добиваться не только высокой степени взбитости, но и стойкости пены, как определяющего фактора качества потенциального продукта. Регулировать стабильность белковых пен можно различными способами, включая использование дополнительных структурообразователей, изменение условий среды и молекулярной структуры белков за счет биокаталитической конверсии [4]. Известно, что гидролиз сывороточных белков приводит к изменению суммарного заряда пептидных молекул, что в конечном счете изменяет их свойства, в том числе и пенообразующие [5]. Стабильность пены, полученной на основе сывороточных белков и их гидролизатов, достаточно показательно отслеживается по динамике изменения реологических свойств. В частности, высокая поверхностная вязкость коррелирует с прочностью пены, поскольку она характеризует сильное взаимодействие между пленкообразующими молекулами [6].
Цель исследования - изучение пено-образующих характеристик концентрата сывороточных белков, а также его гидро-лизатов и пермеата, включенных в рецептуру ранее разработанного аэрированного продукта - мусса, с отслеживанием динамики структурно-механических свойств.
объекты и методы исследований.
Объектами исследований являлись концентрат белков молочной сыворотки (КСБ), гидролизат на его основе (ГСБ), ферментный препарат А1са^е® 2.4 L, концентрированный гидролизат (ГСБ-Уф) и перме-ат, образующийся при выработке ГСБ-Уф (П-Уф), и аэрированные продукты -муссы, выработанные на их основе.
Молекулярно-массовое распределение в концентрате и продуктах гидролиза оценивали методом гель-проникающей хроматографии на колонке В^ер^ЕС^ 2000 фирмы «Р1тепотепех» (США) при базовой длине волны 214 нм. Стойкость пенной массы (Стп) определяли визуально до полного разрушения пены (мин).
Пенообразующую способность (ПС) определяли по формуле 1.
ПС= -100,% (1),
где V0 - объем образца до взбивания, мл; V1 - объем образца после взбивания, мл.
реологические свойства экспериментальных и контрольного образцов муссов оценивали методом ротационной вискозиметрии. Степень тиксотропности
оценивалась путем вычисления разности определенных интегралов функций прямого и обратного хода кривых гистерезиса, численно равных площадям фигур, ограниченных осями абсцисс и ординат и графиками функций ^х). Прочность структуры оценивали при помощи пенетрометра PNR-10, за проницаемость геля (ПГ), выраженную в мм, была принята глубина погружения головки прибора 18-0122 за 5 сек.
рецептуры муссов (контрольного и экспериментальных) и схема их приготовления представлены на рис. 1 и в табл. 1.
В экспериментальных образцах осуществлялась 100 %-ная замена обезжиренного молока на сывороточные ингредиенты КСБ, ГСБ, ГСБ-Уф и П-Уф с массовой долей белка 5,61; 5,53; 3,37 и 1,59 % соответственно.
результаты и их обсуждение. На
предыдущих этапах была установлена связь между молекулярно-массовым распределением сывороточных ингредиентов (рис. 2) и пенообразующими характеристиками [7].
Перемешивание сухих компонентов * Составление эмульсионной смеси
X
Пастеризация > Нагрев и диспергирование
1 = (75±2) °С, т = 5 мин 1 = (40±2) °С, V = 500 об/мин
*
Охлаждение и аэрирование Структурирование
t = (10±2) °С, V = 1500 об/мин, т = 3 мин 1 = (10±2) °С, т = (6±2) ч
Рис. 1. Схема приготовления аэрированных продуктов
Таблица 1 рецептуры образцов муссов
Наименование компонента Количество компонента, г/100 г
Контрольная рецептура Экспериментальные рецептуры
Творог 2 %-ной жирности 40,0 40,0
Сливки 10 %-ной жирности 11,65 11,65
Молоко обезжиренное 34,14 -
КСБ/ ГСБ/ГСБ-Уф/П-Уф - 34,14
Сахарный песок 10,6 10,6
Молоко сухое обезжиренное 2,0 2,0
Желатин 0,83 0,83
Гуаровая камедь 0,42 0,42
Пектин тыквенный 0,1 0,1
Регулятор кислотности 2,6 2,6
Продукты фракционирования -5,0 кДа "5,1-10,0 кДа иБо
Рис. 2. Молекулярно-массовое распределение в сывороточных продуктах
Анализ моле-кулярно-массового распределения (рис. 2) показал, что в ГСБ в результате гидролиза по сравнению с исходным КСБ до 59 % увеличилась доля низкомолекулярных пептидов размером менее 5,0 кДа. В процессе дальнейшего фракционирования в КГСБ было установлено схожее с ГСБ молекулярно-массовое распределение, при этом в пер-меате доля пептидов с молекулярной массой
Международная научно-практическая конференция
Молоко 2050: наукоемкие решения
ТЕХНИКАИТЕХНОЛОГИ^^^
от 3,6 до 5,0 кДа составила 95 %. Оставшиеся 5 % приходились на пептиды размером до 3,5 кДа.
Несмотря на то что гидролизаты, как подвергнутые фракционированию, так и нет, имели высокие значения ПС - 66,7 и 65,5 % соответственно, стойкость пены была низкой - 11,5 и 13,0 мин. При сопоставимом значении ПС у КСБ, П-Уф и гидролизатов (67,3 и 67,7 % соответственно) стойкость пены была значительно выше -90 и 125 мин. Это свидетельствует об отсутствии корреляции между пенообра-зующей способностью и стойкостью пены, полученной на основе сывороточных белковых гидролизатов. Следовательно, для получения стойких пенных масс в белковых растворах должно присутствовать большое количество пептидов молекулярной массой менее 5 кДа или более 10 кДа.
На следующем этапе оценивались пенообразующие свойства образцов муссов, выработанных с использованием сывороточных ингредиентов. Результаты представлены в табл. 2.
Из данных таблицы можно проследить общее снижение пенообразующей способности, связанное со значительным увеличением вязкости многокомпонентной системы по сравнению с самими сывороточными ингредиентами. Наи-
Таблица 2 Пенообразующие и прочностные характеристики сывороточных продуктов
Наименование Наименование показателя
образца ПС, % ПГ, мм
Контроль 38,7±0,1 20,1±0,1
Мусс с КСБ 40,9±0,1 21,9±0,1
Мусс с ГСБ 52,5±0,1 24,4±0,1
Мусс с ГСБ-Уф 52,4±0,1 24,7±0,1
Мусс с П-Уф 40,2±0,1 22,1±0,1
более высокие значения ПС отмечены в образцах муссов с использованием ГСБ и ГСБ-Уф, но при этом увеличилась и проницаемость аэрированного геля, что в совокупности может привести к снижению стабильности системы.
Далее были проведены реологические исследования, которые позволили оценить изменение структуры с течением времени. Данные представлены на рис. 3, 4 и 5.
Анализ кривых кинетики деформации показал, что зависимость вязкости образцов мусса от скорости сдвига носит степенной характер. Наивысшее значение динамической вязкости в начальном диапазоне скоростей деформации (1,5-13,5) с-1 на первые сутки было зафиксировано у контрольного образца. С дальнейшим ростом скорости деформации в интервале 13,5-218,7 с-1 вязкость всех образцов мусса постепенно снижалась и находилась на одном уровне.
Судя по характеру изменения структурно-механических свойств, можно предположить, что с увеличением содержания в продукте низкомолекулярных пептидов (менее 5 кДа) снижается значение динамической вязкости, как в случае с образцом П-Уф.
Структурно-механические характеристики исследуемых образцов мусса на 5-е и 7-е сутки наблюдения представлены на рис. 4 и 5.
На 5-е сутки хранения были зафик-
сированы изменения вязкостных характеристик исследуемых образцов. По сравнению с первыми сутками наблюдения для образца на основе ГСБ-Уф было зафиксировано наиболее значительное снижение значений динамической вязкости (рис. 4). Наиболее стабильное реологическое поведение с течением времени было отмечено в образце с использованием П-Уф, несмотря на достаточно низкие показатели вязкости в целом, эта тенденция прослеживается на протяжении всего периода наблюдения (рис. 5).
На 7-е сутки хранения вследствие определенного уплотнения структуры исследуемых образцов (рис. 5) было отмечено незначительное возрастание или отсутствие видимых изменений значений динамической вязкости.
Оценка степени тиксотропности исследуемых образцов, представленная на рис. 6, показала, что все исследуемые образцы способны достаточно хорошо восстанав-
350
0
0 5 10 15 20 25 30
Градиент напряжения на срез, с 1
контроль ж КСБ • ГСБ + ГСБ-Уф ♦ П-Уф
Рис. 3. Структурно-механические характеристики исследуемых образцов мусса на 1-е сутки наблюдения
300
о
О 5 10 15 20 25 30
Градиент напряжения на срез, с1
контроль * КСБ »ГСБ + ГСБ-Уф ♦ П-Уф
Рис. 4. Структурно-механические характеристики исследуемых образцов мусса на 5-е сутки наблюдения
300
о
о 5 10 15 20 25 30
Градиент напряжения на срез. С"1 контроль жКСБ «ГСБ + ГСБ-Уф *П-Уф
Рис. 5. Структурно-механические характеристики исследуемых образцов мусса на 7-е сутки хранения
26
3/2022 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
МОЛОКО 2050: НАУКОЕМКИЕ РЕШЕНИЯ^
_BHI
AND TECHNOLOGY
Контроль
¡сутки ■ 7-е сутки
Рис. 6. Оценка степени тиксотропности с течением времени
ливать структуру после механического воздействия, но в случае с аэрированными продуктами это может быть связано с уплотнением структуры. Особенно это было характерно для контрольного образца и образца мусса с ГСБ-Уф, степень тиксотропности которых на 7-е сутки хранения возросла на 14 и 26 % соответственно.
Наилучшую стабильность проявили образцы на основе КСБ и П-Уф, поскольку значения их тиксотропности возросли по сравнению с первыми сутками хранения на 8 и 9% соответственно.
Проведенные исследования доказывают, что с точки зрения создания стойких в хранении аэрированных молочных продуктов предпочтительнее использовать концентраты сывороточных белков и пер-меат, содержащий максимальное количество низкомолекулярных пептидов.
Выводы. Основываясь на полученных данных, можно сделать вывод о том, что изначально высокая пенообразующая способность как концентратов, так и ги-дролизатов, не гарантирует в итоге получение стойких пенных масс.
Проведение корреляции между молекулярно-массовым распределением сывороточно-белковых концентратов и гидролизатов позволяет констатировать, что для получения стойких пенных масс в белковых растворах должно присутствовать большое количество пептидов молекулярной массой менее 5 кДа или более 10 кДа.
Самые высокие значения ПС зафиксированы в образцах муссов с использованием ГСБ и ГСБ-Уф, однако увеличилась и проницаемость аэрированного геля, что
в совокупности может привести к снижению стабильности системы. В то время как в муссах, полученных на основе КСП и П-Уф, отмечена более низкая ПС, проницаемость геля была выше.
По результатам оценки реологических характеристик установлено, что наиболее стабильными в процессе хранения были образцы на основе КСБ и П-Уф. Значения их динамической вязкости и тиксотропности с течением времени оставались практически на одном уровне, что позволяет сделать вывод о том, что с точки зрения создания стойких в хранении аэрированных молочных продуктов предпочтительнее использовать концентраты сывороточных белков и пермеат, содержащий максимальное количество низкомолекулярных пептидов.
Список источников
1. Иванова С. А. Пенообразующие свойства концентрата белков обезжиренного молока // Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. №. 4.
2. Кручинин А. Г., Шилова Е. Е. Исследование процесса баромембранной фильтрации подсырной и творожной сывороток // Актуальные вопросы молочной промышленности, межотраслевые технологии и системы управления качеством: сборник научных трудов / Под редакцией А. Г. Галстяна. М.: ВНИМИ, 2020. Выпуск 1. С. 298-305.
3. Begunova A. V., Rozhkova I. V., Gla-zunova O. A., Moiseenko K. V., Savinova 0. S. Fermentation profile and probiotic-related characteristics of Bifidobacterium longum MC-42 // Fermentation. 2021. No. 7 (3). P. 101.
4. Zùniga R. N., Aguilera J. M. Aerated food gels: fabrication and potential applications // Trends in food science & technology. 2008. Vol. 19. No. 4. P. 176-187.
5. Tan M. C., Chin N. L., Yusof Y. A., Taip F. S. & Abdullah J. Characterisation of improved foam aeration and rheological properties of ultrasonically treated whey protein suspension. International Dairy Journal. 2015. No. 43. P. 7-14.
6. 0'Chiu E., Vardhanabhuti B. Utilizing whey protein isolate and polysaccharide complexes to stabilize aerated dairy gels //
Journal of dairy science. 2017. Vol. 100. No. 5. P. 3404-3412.
7. Spotti M. J., et al. Whey protein gelation induced by enzymatic hydrolysis and heat treatment: Comparison of creep and recovery behavior // Food Hydrocolloids. 2017. Vol. 63. P. 696-704.
8. Агаркова Е. Ю., Чиликин А. Ю. Роль протеолиза в формировании аэрированной текстуры в пищевых системах с использованием сывороточных пептидов // Пищевая промышленность. 2021. № 8. С. 44-46.
References
1. Ivanova S. A. Foaming properties of skim milk protein concentrate. Tekhnika i tekhnologiya pischevyh proizvodstv = Food Engineering and Technology. 2018;48(4) (In Russ.).
2. Kruchinin A. G., Shilova E. E. Study of the baromembrane filtration process of suds and curds whey. Aktual'nye voprosy molochnoj promyshlennosti, mezhotraslevye tekhnologii i sistemy upravleniya kachestvom: sbornik nauchnyh trudov = Current issues of the dairy industry, inter-branch technology and quality management systems: a collection of scientific papers / Edited by A. G. Galstyan]. 2020;1:298-305 (In Russ.).
3. Begunova A. V., Rozhkova I. V., Gla-zunova O. A., Moiseenko K. V., Savinova 0. S. Fermentation profile and probiotic-related characteristics of Bifidobacterium longum MC-42. Fermentation. 2021;(7)3:101.
4. Zúñiga R. N., Aguilera J. M. Aerated food gels: fabrication and potential applications. Trends in food science & technology. 2008;19(4):176-187.
5. Tan M. C., Chin N. L., Yusof Y. A., Taip F. S., Abdullah J. Characterisation of improved foam aeration and rheological properties of ultrasonically treated whey protein suspension. International Dairy Journal. 2015;(43):7-14.
6. 0'Chiu E., Vardhanabhuti B. Utilizing whey protein isolate and polysaccharide complexes to stabilize aerated dairy gels. Journal of dairy science. 2017;100(5):3404-3412.
7. Spotti M. J. et al. Whey protein gelation induced by enzymatic hydrolysis and heat treatment: Comparison of creep and recovery behavior. Food Hydrocolloids. 2017;63:696-704.
8. Agarkova E. Yu., Chilikin A. Yu. The Role of Proteolysis in Aerated Texture Formation in Food Systems Using Whey Peptides. Pischevaya promyshlennost' = Food Industry. 2021;(8):44-46 (In Russ.).
Информация об авторе
Агаркова Евгения Юрьевна, канд. техн. наук
ВНИИ молочной промышленности, 115093, Москва, ул. Люсиновская, д. 35, к. 7, e_agarkova@vnimi.org
Information about the author
Evgeniya Yu. Agarkova, Candidate of Technical Sciences
All-Russian Dairy Research Institute, 35, bld. 7, Lyusinovskaya str.,
Moscow, 115093, e_agarkova@vnimi.org
Статья поступила в редакцию 19.01.2022; одобрена после рецензирования 24.01.2022; принята к публикации 26.01.2022. The article was submitted 19.01.2022; approved after reviewing 24.01.2022; accepted for publication 26.01.2022.
