CC BY
252
Исследование мутности и стабильности фруктовых соков
А. Ю. Колеснов, Р. Л. Филиппова, М. А. Дьяченко, И. А. Филатова, Д. Г. Задорожняя
Московский государственный университет пищевых производств
Прозрачность — один из основных ор-ганолептических показателей, который учитывается при оценке качества осветленных и/или стабилизированных соков [1]. Прежде всего, необходимо отметить различия между процессами осветления и стабилизации соков (и соответственно между осветленными и стабилизированными соками), так как очень часто в данной области возникает непонимание и искаженное представление о значении и результатах применения данных технологий. Осветление — процесс механического отделения суспендированных твердых частиц от жидкой фазы сока посредством седиментации, фильтрования или центрифугирования, применяемых отдельно или в комбинации друг с другом. Стабилизация — комплексный процесс, представляющий собой комбинацию механического отделения частиц мутной взвеси (осветления) от сока и его обработку биохимическими (ферментными) и физико-химическими способами в целях удаления высокомолекулярных соединений, находящихся в соке в растворенном состоянии и способных вызвать образование помутнений и / или осадка на дальнейших этапах изготовления продукта или при его хранении. Различия между технологиями осветления и стабилизации определяют различия в качестве получаемых продуктов — осветленные соки неустойчивы к образованию вторичных помутнений и/или осадков, так как не обладают свойствами стабилизированных соков.
Уровень прозрачности (или стабильности) зависит от количества и природы частиц мутной взвеси, а также от концентрации ряда веществ, которые находятся в соке в коллоидном состоянии. Определенное влияние на прозрачность и стабильность соков оказывают также физико-химические процессы, протекающие в продукте при его изготовлении и хранении.
Показатели мутности и стабильности не относятся к нормируемым показателям качества или безопасности соков. В настоящее время в промышленной и коммерческой практике данные пока-
затели применяются в основном только для оценки яблочного сока. Однако количественные результаты оценки мутности стабильности, полученные для одной пробы в разных лабораториях, могут иметь различные значения, что объясняется в большинстве случаев применением разных методов исследования. В связи с постоянно растущей тенденцией использования показателей мутности и стабильности как показателей качества яблочного сока, а в последнее время — показателей качества ряда других фруктовых соков, основная цель настоящей статьи — разработка рекомендаций к применению и интерпретации результатов исследования, полученных на основе единого аналитического метода.
Мутность
С физико-химической точки зрения мутность соков — снижение прозрачности жидкости, вызываемое наличием грубодисперсных частиц растительной ткани с размером частиц более 0,5 мм, обладающих преимущественно гетерогенным составом, а также растворенными в соке коллоидными высокомолекулярными веществами, вызывающими эффект светорассеивания (эффект Тин-даля). В основном к этим веществам относят белки, полифенолы, липиды, полисахариды, в том числе пектины и ряд минеральных веществ. Так, например, мутная взвесь яблочного сока состоит на 40 % из белков (нерастворимая при низких значениях рН белковая фракция), на 30 % — из липидов (несколько классов), на 5 % — из процианидинов (фенольные соединения), на 5 % — из нейтральных полисахаридов (ара-биноза, галактоза, глюкоза, рамноза), на 2 % — из пектина, на 18 % — из других веществ (минеральные и пока не-идентифицированные соединения) [1].
Устранение мутной взвеси или отдельных ее составляющих может осу-
ществляться путем применения ферментных препаратов, стабилизирующих средств, адсорбентов и частично путем механической очистки 1 (фильтрация, сепарация, центрифугирование и т.д.).
Для характеристики осветленного и стабилизированного яблочного сока наиболее часто применяется нижеприведенная эмпирическая классификация мутности. Значения мутности в данной классификации выражены в так называемых нефелометрических единицах NTU 2, согласно которым яблочный сок оценивается как [1]: сверкающий при 0,0-0,1 NTU; прозрачный при 1,1-2,0 NTU; опалесцирующий при 2,1-2,5 NTU; слегка мутный при 2,6-5,0 NTU; мутный при 5,1-10,0 NTU; сильно мутный при 10,1-20,0 NTU; интенсивно мутный при более 20,0 NTU.
При этом следует подчеркнуть, что указанные классификационные критерии основываются на практическом опыте оценки качества яблочных соков, предлагаемых на российском и мировом рынках. На практике широким спросом пользуются яблочные соки, значения мутности которых лежат в интервале от 2,0 до 3,0 NTU (измерение в восстановленном яблочном соке). Вышеприведенные количественные критерии неприменимы для оценки мутности и стабильности соков других фруктов.
Методы измерения мутности
Основываясь на принципе измерения, для исследования мутности могут быть предложены два аналитических метода: нефелометрический метод, основанный на измерении интенсивности рассеянного излучения (результаты измерения выражают в единицах NTU [2]; турбидиметрический метод, заключающийся в измерении уровня поглощения светового излучения определенной длины волны, проходящего через слой продукта (результаты измерения выражают в так называемых формазинных единицах мутности FTU 3) [3,4,5].
Известно, что Международной федерацией производителей фруктовых соков (International Federation of Fruit Juice Producers = IFU) было проведено круговое исследование мутности соков в различных лабораториях. Однако на первом этапе результаты, полученные в круговом исследовании, были признаны IFU неприемлемыми для стандартизации. Причина неудовлетворительного общего результата круговых исследований — использование лабо-
1 При механическом способе удаления мутной взвеси происходит осветление сока, но не его стабилизация, которая достигается только в случае применения технологий глубокого удаления из сока как взвешенных частиц, так и растворенных в нем высокомолекулярных соединений.
2 NTU — аббревиатура от Nephelometric Turbidity Units.
3 FTU — аббревиатура от Formazin Turbidity Units.
раториями для измерения мутности разных аналитических средств, которые не всегда соответствовали стандарту ISO 7027 (EN 27027), принятому в IFU за основу. В связи с этим было принято решение о перечне требований, которые необходимо учитывать при измерении мутности в соках [4]:
аналитические приборы, применяемые для измерения мутности, должны соответствовать международному стандарту ISO 7027 (стандарты-аналоги — EN 27027, DIN 38404);
для измерения мутности необходимо использовать аналитические приборы, работающие по нефелометрическо-му принципу в так называемые «Ratio mode» (измерение отношения интенсивности света, рассеянного под углом 90°, к интенсивности светового потока, прошедшего через пробу) 4;
для калибровки прибора необходимо применять первичные свежеприготовленные формазиновые стандарты или готовую концентрированную суспензию формазина (4000 NTU) или стандартные препараты, предлагаемые поставщиками аналитического оборудования 5, содержащие стабилизированные форма-зиновые суспензии и обеспечивающие наилучшую воспроизводимость и достоверность результатов измерения.
Подготовка проб к измерению
Ошибки, допущенные при подготовке пробы, негативно влияют на достоверность определения мутности. Проводить измерение мутности необходимо сразу после отбора пробы во избежание изменения их характеристик из-за дрейфа температуры или образования осадка [6].
Основные способы подготовки пробы перед измерением:
дегазация — удаление пузырьков воздуха под вакуумом, с помощью ПАВ, ультразвуковой или тепловой обработки (не рекомендуется применять длительную выдержку проб);
разбавление — пробы с высокой мутностью могут быть разбавлены, но этого следует по возможности, избегать, поскольку разбавление влияет на характеристики взвешенных части и приводит к недостоверным результатам (в этом способе подготовки необходимо проводить измерение мутности воды, используемой для разбавления и стандартного раствора формазина, результаты измерения используют в расчете конечного значения мутности пробы).
4 Этому требованию удовлетворяет, например, турбидиметр модели 2100Р компании Hach (США).
5 Например, раствор StabCalTM компании Hach (США).
Проведение измерения и экспериментальных исследований мутности
Объект исследования: концентрированные и восстановленные яблочные соки, а также соки, полученные из тем-ноокрашенных фруктов.
Используемый метод: метод Ши № 75 с учетом рекомендаций Ши № 7 [3, 4] и модификаций метода, разработанных в ПНИЛ биотехнологии пищевых продуктов МГУПП.
Прибор для измерения: турбидиметр, модель 2100Р, производства компании НаА (США) и рефрактометр ИРФ-4542М (Россия) для измерения содержания растворимых сухих веществ в пробах.
Цель работы: изучение мутности и стабильности в яблочном соке и соках
Таблица 1
Продукт Растворимые сухие вещества, % Мутность, NTU
Клюквенный сок осветленный (Россия) 8,0 50,2
Клюквенный сок неосветленный (Россия) 8,0 375,3
Брусничный сок осветленный (Россия) 8,0 42,3
Черничный сок осветленный (Россия) 4,0 586,0
Виноградный сок (Россия) 15,9 5,2
Вишневый сок
осветленный, стабилизированный (Украина) 13,5 9,9
Вишневый сок осветленный (Россия) 13,5 5,2
Таблица 2
№ пробы Фактор разбавления Мутность в восстановленном соке, NTU Мутность в концентрированном соке, NTU
Измеренное значение Теоретическое значение
1 6,25 2,7 5,8 16,9
2 6,34 1,8 2,4 11,4
3 5,64 6,2 6,6 35,0
4 5,56 36 63,2 200,2
из других фруктов, а также разработка единых рекомендаций по определению этих показателей.
Известно, что интенсивность рассеивания излучения, исследуемая в нефе-лометрическом методе, зависит от длины волны падающего светового излучения, угла измерения, а также от формы, оптических свойств и распределения размеров частиц мутной взвеси. При очень высоких значениях мутности большая часть светового потока поглощается частицами, а малая часть рассеивается. Это приводит к получению так называемых «заниженных» результатов, т.е. измеренное значение мутности меньше реального. В этом случае говорят об ошибке измерения, называемой «ослеплением» прибора. «Ослепление» прибора вызывают частицы, поглощающие свет, например активированный уголь или природные пигменты, придающие цвет пробе [6].
В табл. 1 приведены данные, характеризующие мутность в восстановленных соках из темноокрашенных фруктов.
Как показывают результаты измерения, диапазон значений мутности для восстановленных осветленных тем-ноокрашенных соков может находиться в интервале от 5,2 до 586 №ТО. Известно, что темноокрашенные соки содержат в своем составе значительное количество полифенольных соединений, в том числе природных пигментов — антоцианинов, которые за счет поглощения светового потока способны оказывать негативное
влияние на измерение мутности в не-фелометрическом методе. По этой причине полученные значения мутности недостоверны (ниже реальных значений мутности) и не могут быть использованы для оценки данного показателя в темно-окрашенных соках.
В ПНИЛ биотехнологии пищевых продуктов МГУПП были проведены экспериментальные исследования для установления корреляции между значениями мутности концентрированных и восстановленных яблочных соков (содержание растворимых сухих веществ 11,2 %) различных производителей/ поставщиков. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Для расчета теоретических значений мутности в концентрированных яблочных соках была определена следующая зависимость:
Мутность [№ТО] =
^ конц. сок г -, , ,
= Мутность [№ГО] • F, (1)
^ восстан. сок
где F — фактор разбавления.
Как показывают результаты исследования, прямо пропорциональная зависимость между значениями мутности концентрированных и восстановленных яблочных соков отсутствует. Таким образом, факт негативного влияния взвешенных частиц в концентрированном соке, приводящего к искажению истинного значения мутности (его «занижению»), нашел свое подтверждение. В пробе № 3 показатель мутности в восстановленном
2 • 2008
73
и концентрированном соках (фактор разбавления 5,64) имеет якобы «близкие» значения, что не может соответствовать реальной характеристике концентрированного продукта. Это доказывает, что прямое измерение мутности в концентрированных соках приводит к недостоверным результатам.
Исследование стабильности
Для получения прозрачных, стабильных соков недостаточно одного лишь простого механического удаления мутной взвеси, т.е. осветления 6. Для получения стабильных соков необходимо с помощью технологий «глубокой» обработки (см. выше) снизить уровень растворенных в соке высокомолекулярных соединений, таких, как белки, пектины, полифенолы и т.д., которые в дальнейшем могут привести к образованию новых, вторичных помутнений. При этом сте-
Таблица3
Показатель в расчете на минимальное содержание растворимых сухих веществ в восстановленном образце (11,2 %) Образец № 1 Эталонный яблочный сок
Мутность (мти*) 2,8 Согласно требованиям промышленного потребителя
Тест на стабильность (МТ11):
белковое помутнение 1,6 Не более 0,5
полифенольное помутнение 0,1 То же
общая нестабильность 1,7 Не более 1,0
* В целях унификации результаты измерения выражены в единицах №Ш
Таблица 2
Длительность выдержки, ч Мутность, NTU Белковое помутнение, А
0 4,3 —
0,5 2,4 -1,9
1 2,7 -1,6
3 4,3 0
18 4,3 0
I этап Определение мутности Восстановление концентрированного сока (11,2 %) Измерение исходной мутности Е1 ^Ти)
II этап Определение стабильности Термообработка, 100 °С, 10 мин
Выдержка при комнатной температуре, 3 ч
Измерение мутности
Ег (МТи)
Белковое помутнение АЕ = Е, - Е, < 0,5
Замораживание, -18 °С, 3 ч
Размораживание при комнатной температуре
Полифенольное
помутнение
Измерение АЕ = Е3 - Е2 < 0,5
мутности —
Е3 (МТи) Общая
нестабильность
АЕ = Е3 - Е2 < 1,0
Схема аналитического исследования мутности и стабильности яблочного сока
пень обработки должна быть направлена на исключение возможности повторного возникновения помутнений, например, в процессе хранения готового продукта. Как правило, для получения стабильных соков проводят их предварительное осветление, которое сопровождается удалением растворенных высокомолекулярных соединений с помощью различных технологий, например ферментной обработкой, применением стабилизирующих средств, адсорбентов, ультрафильтрации, высокоэффективного сепарирования и т.д. [1]. Сведения о стабилизации соков важны при планировании и осуществлении таких технологических операций, как купажирование. Так, например, купажирование осветленного сока со стабилизированным соков
приведет к получению нестабильного конечного продукта. Для обеспечения высокого качества и привлекательного внешнего вида готовой продукции промышленным потребителям соков, в том числе концентрированных, осуществляющим розлив продукции для розничной продажи, рекомендуется запрашивать, у изготовителей/ поставщиков концентрированного сырья сведения о применении стабилизации продукции при ее изготовлении.
Определить склонность сока, в том числе осветленного, к образованию помутнений и осадков можно с помощью различных несложных методов. Так, например, один из распространенных методов — визуальное определение степени гидролиза пектина путем смешивания пробы с этиловым спиртом. Полный гидролиз пектина подтверждается, если на поверхности смеси «Сок: спирт» осадок не образуется.
В другом методе исследуемый сок нагревают до 75 °С, затем быстро охлаждают и выдерживают в течение 4-6 ч при температуре 0 °С. Если по истечении этого времени сок остается прозрачным, то при соблюдении определенных условий в нем не будут образовываться помутнения, в том числе при его дальнейшем концентрировании, восстановлении и розливе [1].
В ПНИЛ биотехнологии пищевых продуктов МГУПП исследования стабильности соков провели модифицированным экспресс-методом Ши № 75 с учетом рекомендаций №и № 7. В основе модифицированного метода лежит измерение разницы значений мутности в пробе до и после ее выдержки в условиях, инициирующих образование помутнений, — нагрев и последующее охлаждение путем замораживания. В международной экспертной практике для оценки стабильности часто применяют метод, обозначаемый как «Тест «Тепло-Холод». Принципы экспресс-метода и метода «Тепло-Холод» совпадают. Однако результаты исследования поэтапной и общей нестабильности пробы интерпретируются по-разному.
Краткое описание метода Ши № 75 можно представить в перечне следующих операций: восстановление концентрированного сока до соответствующего минимального содержания растворимых сухих веществ 7; измерение в пробе начальной мутности Е1; нагрев пробы (около 50 мл сока) в течение 10 мин на ки-
6 Осветленные соки, т.е. соки, значения мутности в которых понижены только за счет механической обработки, не являются стабилизированными соками.
7 В качестве нормы для определения минимальных значений растворимых сухих веществ в восстановленных соках и соках прямого отжима используется «Свод правил для оценки качества фруктовых и овощных соков Ассоциации промышленности соков и нектаров из фруктов и овощей Европейского союза» (Свод правил АЬШ, издание на русском языке 2004 г., дополнительная информация — см. http://www.biolab.ru).
пящей водяной бане; охлаждение пробы до комнатной температуры; замораживание пробы при температуре — 18 °С; естественный нагрев пробы после полного замораживания до комнатной температуры; измерение в пробе мутности после замораживания Е2.
Расчет результата определения — общей нестабильности пробы — осуществляют по формуле
Общая нестабильность =
= Е2 - Е, [FNU ]. (2)
Перечень аналитических операций метода «Тепло-Холод» совпадает с вышеприведенным методом Ши-75, но оценка стабильности сока осуществляется на основе результатов измерения мутности, полученных на промежуточных и конечном этапе аналитического определения. Для конечной оценки стабильности сока применяют следующие классификационные критерии:
сок, устойчивый к белковому помутнению: разница в единицах мутности до и после нагревания должна составлять не более 0,5 FNU 8;
сок, устойчивый к полифенольному помутнению: разница в единицах мутности до и после замораживания должна составлять не более 0,5 FNU,•
стабилизированный сок: показатель общей нестабильности — разница в единицах мутности до и после обработки (нагрев + замораживание) должна составлять не более 1,0 FNU 9.
В табл. 3 в качестве примера приведены результаты исследования стабильности коммерческого образца концентрированного яблочного сока российского производства.
В другой серии экспериментальных исследований образцов концентрированной рыночной продукции получены результаты, представляющие собой несомненный интерес для практического применения при оценке стабильности восстановленных яблочных соков (табл. 4). Значения белкового помутнения имели отрицательную величину в течение первого часа выдержки сока после его восстановления. Последующая двухчасовая выдержка восстановленного сока приводит к стабилизации значений мутности.
Колебания значений мутности исследованных образцов могут быть объяснены присутствием в них остаточных количеств высокомолекулярных соединений (пектинов, арабанов и др.). В результате
8 FNU — аббревиатура от Formazin Nephelometric Units (1 FNU = 1 FTU = 1 NTU).
9 В исключительных случаях, определяемых соглашением между промышленным потребителем и производителем / поставщиком сока — не более 2,0 FTU.
обратимого взаимодействия между молекулами данных соединений образуются ассоциаты, которые приводят к формированию в продукте помутнения и даже осадка.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что процессы образования и разрушения ассоциатов при изменении температуры обратимы и, как следствие, могут влиять на показатель мутности. Таким образом, результаты проведенных исследований обосновывают важное изменение метода «Тепло-Холод», которое заключается в обязательной выдержке пробы перед измерением мутности при комнатной температуре в течение 3-4 ч после ее тепловой обработки и/ или восстановления.
На основе стандартизованного метода Международной федерации производителей фруктовых соков IFU (метод № 75) с учетом рекомендаций IFU № 7, стандарта ISO 7027, а также полученных результатов исследований и модификаций исходного метода, проведенных в ПНИЛ биотехнологии пищевых продуктов, МГУПП разработана схема оценки мутности и стабильности (см. рисунок). Данная схема рекомендуется для практического применения при оценке стабильности фруктовых соков, в особенности яблочного. Использование аналитической схемы с высокой степенью достоверности и небольшими затратами времени позволяет определить значения мутности и склонность соков ко вторичным помутнениям, которые могут возникнуть как на этапе технологического изготовления (восстановление, розлив), так и на этапе хранения продукта.
Для оценки мутности и стабильности соков из темноокрашенных фруктов необходимо проведение дальнейших исследований, в особенности исследований как продукции розничного рынка, так и продукции рынка концентрированных соков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шобингер У. Фруктовые и овощные соки: научные основы и технологии/Пер. с немецкого 3-го, перераб. и доп. изд. под общ. науч. ред. А. Ю. Колеснова, Н. Ф. Берестеня и А. В. Орещенко. — М., СПб: Нововита, Профессия, 2004.
2. Dietrich, H. und Will F. Bedeutung der Stärke bei der Herstellung von Apfelsaft//Flüssiges Obst. 63, 582-587, 1996.
3. Метод IFU № 75. Haze Instability Test.
4. Рекомендация IFU № 7. Recommendations for Turbidity Measurements.
5. Международный стандарт ISO 7027. W&ter quality. Determination of turbidity.
6. Инструкция по эксплуатации портативного турбидиметра 2100 Р HACH. &
Новая книга
«Фруктовые и овощные соки»
авторский коллектив под рук. У. Шобингера (перевод с немецкого 3-го переработанного и дополненного издания под общей редакцией А. Ю. Колеснова, Н. Ф. Берестеня, А. В. Орещенко, 2004 г.)
В уникальном научно-практическом справочном издании, подготовленном ведущими специалистами мировой соковой индустрии, представлены все аспекты производства фруктовых и овощных соков, нектаров и сокосо-держащих напитков — от переработки сырья до розлива.
Подробно представлены: производство соков прямого отжима и восстановленных, концентрированных соков; технологическое оборудование для переработки фруктов и овощей; технологии стабилизации и осветления соков; получение концентрированных ароматобразу-ющих веществ; технологии консервирования соков; подготовка и восстановление соков; изготовление нектаров и сокосодержащих напитков, а также их розлив, упаковка и этике-тирование.
Большое внимание уделено физико-химическому составу фруктов, овощей и соков из них; утилизации отходов производства, включая очистку сточных вод, а также микробиологическим свойствам соков. Отдельный раздел посвящен методам анализа соков, их идентификации, экспертной оценке и способам выявления фальсификаций. Приведен подробный обзор национальных и международных нормативных документов, в том числе международных стандартов Комиссии Codex Alimentarius, в том числе основного стандарта, применяемого в ВТО для регулирования производства и обращения соков на мировом рынке — Единого стандарта Codex Alimentarius на фруктовые соки и нектары (CODEX STAN 247-2005), а также Директивы Европейского союза на фруктовые соки и однородные продукты для питания человека (Директива 2001/112/ ЕС).
Издание предназначено для специалистов предприятий по переработке фруктов и овощей, производству и розливу соков прямого отжима, розливу восстановленных и концентрированных соков, безалкогольных и слабоалкогольных напитков, для поставщиков сырья и оборудования индустрии напитков, для сотрудников органов контроля и надзора, научных организаций, органов по сертификации и стандартизации, также таможенной службы, научных специалистов, студентов высших учебных заведений.
Заявки присылайте по факсу: 8 (495) 607-20-87.
2 • 2008 пшо.шшитта
75
