CC BY
11
Физико-химические свойства концентратов структурированных напитков
на основе молочной сыворотки с добавлением злаковых культур
А.М. Попов, А.А. Попов, В.В. Гурин, Е.Е. Петушкова
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
Одна из главных задач перерабатывающих отраслей промышленности в России — обеспечение населения высококачественными, полноценными продуктами питания, а также создание и производство продуктов функционального и лечебно-профилактического назначения. Перспективными направлениями становятся пути изыскания новых источников пищевых веществ, использование ресурсосберегающих технологий и создание комбинированных продуктов из растительного и животного сырья.
В питании человека важную роль играют молочные продукты. В настоящее время практики и исследователи уделяют большое внимание вопросам переработки молочной сыворотки, в том числе казеиновой, подсырной и творожной. По оценке ВНИКМИ, проблема использования молочной сыворотки практически не решена ни в одной стране. В то же время рост объемов сыворотки в условиях увеличения
производства высокобелковых продуктов (творога и сыра), а также ее питательная и биологическая ценность позволяют рассматривать проблему рационального использования сыворотки на уровне задач первостепенной важности [1].
Наряду с питательной и биологической ценностью сыворотка и продукты из нее обладают диетическими и лечебно-профилактическими свойствами. Анализ исследований в области создания комбинированных продуктов показал, что перспективно создание продуктов на ее основе с использованием вторичных продуктов зерноперерабатывающих предприятий — пшеничных зародышевых хлопьев (ПЗХ). В пшеничном зародыше сконцентрирована основная движущая сила роста будущего растения, в нем много питательных веществ. Зародыш содержит повышенное количество жизненно важных для человека соединений: жировой состав представлен до 80 % нена-
сыщенными жирными кислотами, из которых 65 % полиненасыщенные. Особое достоинство зародышей пшеницы — повышенное содержание токоферола.
Использование полезных качеств молочной сыворотки и ПЗХ в сочетании позволяет получать гармоничные по составу и свойствам композиты. Как показали исследования, такие напитки вследствие депигментации требуют применения струк-турообразователей. Наиболее подходящие для таких напитков — полисахарид-ные комплексы, гидроколлоиды [2].
Были исследованы сывороточные системы со злаковыми добавками, в которых в качестве структурообразователей использовали крахмал, метилцеллюлозу и яблочный пектин.
Изучали влияние массовой доли сахара и злаковой добавки, а также продолжительности хранения полученных продуктов на их структурно-механические свойства.
В качестве объективного критерия было выбрано предельное напряжение сдвига, измеряемое методом пенетрации путем внедрения гладкого алюминиевого
Рис.2. Схема внедрения конуса
А
Л4
-в-
I
М \
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1, 2 — кронштейны; 3 — стойка; 4 — опора нерегулируемая; 5 — опора регулируемая; 6 — основание; 7 — винт; 8 — столик; 9 — емкость;
10 — исследуемый материал;
11 — индентор; 12 — рамка с грузом F; 13 — шток; 14 — индикатор ИЧ-10
Па
100 90
80--
70
50
20 10
0
Контр. 1
10
13
17
20
23
27
30
сут
Пектин-Сах 16 %, ПЗХ 5 % Пектин-Сах 20 %, ПЗХ 5 % Крахмал-Сах 16 %, ПЗХ 5 % Крахмал-Сах 20 %, ПЗХ 5 % Метилцел-Сах 16 %, ПЗХ 5 % Метилцел-Сах 20 %, ПЗХ 5 %
Пектин-Сах 16 %, ПЗХ 5 % Пектин-Сах 20 %, ПЗХ 5 % Крахмал-Сах 16 %, ПЗХ 5 % Крахмал-Сах 20 %, ПЗХ 5 % Метилцел-Сах 16 %, ПЗХ 5 % Метилцел-Сах 20 %, ПЗХ 5 %
Рис. 3. Динамика изменений структурно-механических характеристик
1
60
40
30 -
3
7
ПИ
НАПИТКИ А2007
20
конусного индентора углом а-60° в исследуемый продукт. Исследования проводили на приборе «Структурометр-1» (рис. 1) троекратно в разных точках образца.
Прибор состоит из основания 6, имеющего две регулируемые опоры 5 и одну нерегулируемую 4. На стойки 3 крепятся основные узлы прибора при помощи кронштейнов 1 и 2. Кронштейн 2 удерживает столик 8, на котором устанавливается емкость 9 с исследуемым материалом 10. Винт 7 позволяет достигнуть более точного касания конусного индентора 11 с материалом. Кронштейн 1 служит для фиксации индентора 11, промежуточного штока 13 и измерителя перемещений 14. Нагружение конусного ин-дентора 11 в течение 180 с производится
Таблица 1
Продолжительность хранения,сут Предельное напряжение сдвига, Па
доля сахара 16 %, доля ПЗХ 5 % доля сахара 10 %, доля ПЗХ 5 % доля сахара 20 %, доля ПЗХ 5 % доля сахара 16 %, доля ПЗХ 10 %
Контроль 44,9 43,5 46,1 54,4
1 49,1 48,4 51,2 58,6
3 49,6 48,9 52,3 59,2
7 48,4 48,0 51,0 58,1
10 55,2 54,3 56,0 62,5
13 54,0 53,2 55,1 62,9
17 51,8 50,6 52,8 60,0
20 46,6 45,5 48,7 56,3
23 46,5 45,1 47,9 55,8
27 30 — — — —
Таблица 2
Продолжительность хранения,сут Предельное напряжение сдвига, Па
доля сахара 16%, доля ПЗХ 5% доля сахара 10%, доля ПЗХ 5% доля сахара 20%, доля ПЗХ 5% доля сахара 16%, доля ПЗХ 10%
Контроль 65,2 64,9 66,7 76,6
1 68,5 67,3 69,3 77,8
3 66,3 65,8 67,5 77,5
7 64,6 64,2 65,9 76,0
10 68,4 67,4 70,0 79,4
13 67,2 66,3 69,1 78,8
17 65,4 64,9 68,4 77,1
20 63,3 63,0 67,5 76,7
23 63,2 62,2 66,9 75,2
27 62,2 61,5 66,5 74,7
30 61,9 61,0 66,1 73,5
Таблица 3
Продолжительность хранения,сут Предельное напряжение сдвига, Па
доля сахара 16%, доля ПЗХ 5% доля сахара 10%, доля ПЗХ 5% доля сахара 20%, доля ПЗХ 5% доля сахара 16%, доля ПЗХ 10%
Контроль 19,8 18,9 21,2 29,7
1 23,4 22,5 25,6 33,2
3 24,2 23,1 26,3 36,9
7 24,6 23,8 26,8 41,8
10 22,8 22,0 24,9 39,5
13 25,8 24,6 27,4 45,4
17 26,1 25,3 28,3 46,3
20 24,2 23,2 26,5 44,0
23 24,0 23,0 26,1 43,6
27 21,4 20,2 23,3 35,2
30 20,0 19,1 21,5 30,4
при помощью грузов F, подвешиваемых к самоцентрирующейся рамке 12 [3].
Предельное напряжение сдвига в как одна из важных реологических характеристик материала, служащая для оценки прочности его структуры, находили при помощи конического пла-стометра по методике Ребиндера. Идея использования конических пластоме-тров заключается в том, что по величине глубины погружения конуса в материал под воздействием вертикальной силы можно определить предельное напря-
жение сдвига материала в (Па) (рис. 2) [3] по зависимости
в = К F/А2,
а ' '
где Ка — коэффициент пропорциональности, зависящий от полного угла а при вершине конуса (Ка = 0,214); F — величина вертикальной внедряющей силы, Н; А2 — глубина погружения конуса в образец, м.
Исследуемые образцы хранили в холодильнике при температуре 4 °С в течение
30 сут. Оптимальными по потребительским свойствам и органолептической оценке оказались образцы с содержанием 16 % сахара и 5 % пшеничных зародышевых хлопьев (ПЗХ). Также исследовали образцы с содержанием сахара 10 % и ПЗХ 5 %; с содержанием сахара 20 % и ПЗХ 5 %; с содержанием 16 % сахара и ПЗХ 10 %. Результаты исследований изменений предельного напряжения сдвига в сывороточно-пектиновых системах в процессе хранения представлены в табл. 1, сдвига в сывороточно-крахмальных системах в процессе хранения — в табл. 2, в системах сыворотка — метилцеллюлоза в процессе хранения — в табл. 3.
По результатам исследования выявлено, что увеличение содержания сахара или увеличение содержания злаковой добавки повышает прочность полученных сывороточных гелей, причем предельное напряжение сдвига линейно зависит от концентрации вышеназванных компонентов. Динамика изменений предельного напряжения сдвига представлена на рис. 3.
По результатам исследований видно, что сразу после получения продуктов у всех образцов минимальное значение предельного напряжения сдвига, к концу первых суток исследуемый показатель нарастает. Образцы с пектином хранили до 23 сут, так как далее они подверглись микробиологической порче.
У систем с пектином и крахмалом кривые изменений в процессе хранения похожи. В течение первых трех суток исследуемый показатель возрастает, затем на седьмые сутки заметно некоторое снижение, после чего снова идет возрастание и стабилизация показателей системы, на 17-й день заметно снижение показателей, что, на наш взгляд, связано со старением системы и разрушением структуры.
У системы с метиллцелюлозой механизм структурообразования и динамика изменений в процессе хранения несколько иные. Показатель предельного напряжения сдвига увеличивается в течение
первой недели хранения, далее следует небольшой спад, после чего на 17-е сутки заметны нарастание показателей и стабилизация системы. Через три недели происходит старение геля.
В образцах с массовой долей сахара 20 % старение геля выражено сильнее, чем у других образцов. У образцов с содержанием сахара 10 % изменение величин предельного напряжения сдвига наступает раньше по сравнению с образцами, в которых массовая доля сахара составляла 16 %. Таким образом, установлено, что колебания содержания сахара влияют как на скорость, так и на интенсивность механизма старения сывороточных гелей.
В результате проведенных нами исследований можно сделать вывод о том, что крахмал не только быстрее структурирует продукт, но и дольше препятствует его старению по сравнению с остальными, динамика изменений не имеет ярко выраженных скачков, а также образует более плотную структуру геля.
Проведенные исследования позволили нам поставить задачу по моделированию и разработке продуктов нового поколения — гранулированных киселей и завтраков на основе сухой молочной сыворотки, которые обладают значительно большими сроками хранения без потери основных показателей качества при восстановлении.
Получение гранулированных быстрорастворимых концентратов напитков — одна из задач практики и науки на современном этапе. Исследования показывают, что с помощью изменения физических свойств различных порошкообразных продуктов можно превратить их в быстрорастворимые концентраты высокого качества [4,5].
Научную основу приготовления быстрорастворимых продуктов (в зарубежной литературе — инстант-продукты) составляет физико-химическая механика дисперсных систем. Эта наука, основоположником, которой является академик П.А. Ребиндер, возникла на стыке физи-ко-химии, механики дисперсных систем, коллоидной химии и молекулярной физики. В настоящее время ее широко применяют в разных областях получения дисперсных систем с заданными свойствами и структурой.
Разработана технология гранулированного плодово-ягодного киселя, обогащенного сывороткой, которая позволяет упростить наиболее сложный этап при получении сухой сыворотки — этап сушки. Данный этап сопряжен с рядом трудностей, в том числе и с сохранением пищевой активности получаемого продукта. По предложенной технологии концентрированная сыворотка гранулируется вместе с ягодной мукой в тарельчатом грануляторе с активатором. Ввиду большой влагоемкости ягодной муки и, следовательно, высокой рабочей влаж-
ности гранулирования можно вырабатывать композиции с содержанием сыворотки (в пересчете на сухое вещество) от 10 до 50 %. Полученный гранулят имеет однородный состав, хорошую сыпучесть и прочность, достаточную для реализации процесса сушки в сушилках любых типов. При этом легко удается добиться щадящего режима сушки и максимального сохранения пищевой ценности продукта. Изучены органолептические и микробиологические показатели гранулированной молочной сыворотки и композиций с ее содержанием (киселей, шрота) в процессе хранения и установлены сроки хранения. Экспериментально изучена кинетика инстантирования гранулированных концентратов напитков в зависимости от температуры и состава и разработаны инструкции по их восстановлению.
Для гранулирования сухой сыворотки необходимо, чтобы она образовала относительно прочные гранулы, способные противостоять воздействию внешних механических воздействий, возникающих при движении их по технологическому пути. Анализ исследований показывает, что в определенных условиях (определяющее из которых — влагосодержание) сыворотка способна образовывать прочную с механической точки зрения структуру — блок — за счет связывания части свободной воды в виде кристаллогидратов при кристаллизации лактозы, а также ге-леобразования белковых веществ.
Известно, что получение полидисперсных продуктов базируется на закономерностях физико-химической технологии, изучающей наиболее экономичные методы переработки исходного сырья в целевые продукты и процессы изменения свойств, строения и состава веществ в результате физико-химических преобразований. Особенность и условие осуществления пищевых технологий — наличие в дисперсных системах исходных твердых веществ в тонкоизмельченном, дисперсном состоянии. Поэтому протекание ряда технологических стадий или операций пищевой технологии материалов на основе дисперсных систем предопределяется в большей степени не химическими реакциями, а характером физико-химических процессов и явлений, присущих данной технологической стадии.
В дисперсных системах структурой называют расположение и взаимосвязь составляющих ее элементов в пространстве. Каждый вид структуры обладает определенным набором и уровнем структурных характеристик.
Если структурные характеристики системы не изменяются во времени, то такие структуры и системы являются стационарными.
Технологическая целесообразность предполагает перевод структур с низким уровнем организации и прочности в струк-
туры более высокого порядка и прочности. Такой перевод возможен при единичном или комплексном воздействии пяти факторов: теплового, химического, механического, электрического, а также изменения свободной поверхностной энергии, или величины межфазной поверхности. Если в результате внешнего или внутреннего энергетического воздействия происходит изменение структурных характеристик системы, то такие структуры и системы являются динамичными.
Основу технологии получения материалов из дисперсных систем составляет процесс трансформации трех типов структур — коагуляционной, конденсационной и кристаллизационной. Их индивидуальные особенности предопределяются фазовым составом системы, концентрацией и свойствами составляющих ее фаз.
Технология материалов на основе дисперсных систем представляет собой непрерывную цепь количественно-качественных изменений структурных характеристик.
Для получения материалов с максимально однородной структурой необходимо создание уже на начальных стадиях формирования структуры предпосылок бездефектного осуществления всех последующих технологических операций.
Важнейшее условие для получения материалов с оптимальными структурой и свойствами — соблюдение закона постоянства фазового состава. Закон постоянства и специфика свойств твердой фазы дают возможность использовать объемную концентрацию твердой фазы Кт в качестве критерия оптимальности формирования структуры и позволяют обозначить траекторию достижения поставленной цели на всех стадиях технологического процесса.
Специфика свойств твердой фазы, постоянно присутствующей в системе независимо от типа и свойств структуры, позволяет использовать значения Кт в качестве критерия оптимальности формирования структур и обозначить траекторию достижения заданных значений Кт на всех стадиях технологического процесса. В бинарной системе координат влияние технологических параметров на изменение фазового состава системы можно представить в виде многочисленных графических зависимостей, однако с их помощью достаточно сложно увидеть протекающие процессы во внутренней взаимосвязи. Если система содержит все три фазы, то есть основания полагать, что наибольшей информативностью будет обладать графическое изображение изменения фазового состава в тройной системе координат (Кт — КЖ — Кг — объемное содержание твердой, жидкой и газообразной фаз на соответствующей технологической стадии) и основанием для такого изображения служит закон постоянства
I2007
22
К ж
80 60
1 — формовочная масса;
1-2 — увлажнение;
2 — влажная масса;
2-3 — уплотнение гранулированием;
40
20
К
3-4 — сушка при t = 50°C после гранулирования;
4-5' — восстановление до 70 % сухого вещества; 4-6' — восстановление до 10 % сухого вещества.
Рис. 4. Фазовые диаграммы технологий гранулирования (1—2—3—4) и восстановления (4—5') муса и (4—6') арониевого киселя
К
объемного фазового состава системы. Геометрическое место точек взаимообусловленного изменения фазового состава системы при каком-либо энергетическом или технологическом воздействии на нее представляет собой фазовую диаграмму процесса (уплотнение, поризация, сушка), а сумма фазовых диаграмм отдельных стадий образует фазовый портрет всего технологического процесса.
В качестве примера на рис. 4 представлен фазовый портрет технологии гранулирования и восстановления киселя, анализ которого позволяет определить оптимальную траекторию получения полуфабрикатов и конечного продукта с заданным
значением КТ и выявить необходимый уровень внешних технологических воздействий, обеспечивающих достижение конечной цели технологии.
Фазовый портрет процесса или технологии, построенный на базе оптимальных данных, рекомендуется использовать в качестве своеобразной «паспортной» характеристики практически для всех технологий и процессов, в которых принимают участие все три фазы дисперсной системы.
Установлено, что технологический процесс получения материалов на основе дисперсных систем целесообразно рассматривать как самостоятельный химико-технологический процесс, течение
которого предопределяется в основном физико-химическими процессами и явлениями на той или иной стадии формирования структуры материала. К числу таких технологий относятся прежде всего технологии гранулирования быстрорастворимых продуктов питания и различных пищевых дисперсных продуктов. Получение их связано с последовательным осуществлением четырех технологических стадий — приготовления исходной дисперсной системы, придания ей необходимой формы, перевода коагу-ляционной структуры изделий в конденсационную и далее — в кристаллизационную, которую должен иметь готовый продукт [6].
Разработка подобных продуктов помогает не только решить проблему комплексной переработки вторичного молочного сырья — сыворотки, но и служит одним из путей решения проблемы сбалансированного питания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки: Учеб. пособие. — М.: ДеЛи принт, 2004.
2. Дунченко Н.И. Структурированные молочные продукты. — М.: Барнаул: Изд-во Алт ГТУ им. Ползунова, 2002.
3. Пирогов А.Н., Доня Д.В. Инженерная реология: Учебно-методический комплекс — Кем-ТИПП. — Кемерово, 2004.
4. Попов A.M. Научное обоснование и реализация технологических процессов производства сухих концентратов напитков с использованием молочной сыворотки: Автореф. дис... д-ра техн. наук — Кемерово, 2003.
5. Липатов Н.Н. Молочная промышленность XXI века. — М.: Агро-НИИТЭИММП, 1989.
6. Попов А.М. Физико-химические основы технологии полидисперсных гранулированных продуктов питания. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во,2002. ®
