CC BY
5
УДК 637.049:668.411 DOI 10.52231/2225-4269_2024_2_223
Исследование пенообразующих свойств молочного сырья с арабиногалактаном
Хайдукова Елена Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии молока и молочных продуктов
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Новокшанова Алла Львовна, доктор технических наук, профессор
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Ключевые слова: арабиногалактан, обезжиренное молоко, пахта, сыворотка, пенообразующие свойства.
Аннотация. С целью комплексного использования молочного сырья в работе исследованы пенообразующие свойства продуктов переработки молока: обезжиренного молока, пахты и сыворотки. Состав молочного сырья определяли с применением инфракрасного анализатора, активную кислотность - потенциометрическим методом. В образцы молочного сырья вносили навески арабиногалактана. Взбитость образцов определяли по отношению объема полученной пены к объему исходной смеси. Пеностойкость определяли в секундах как время уменьшения объема пены на 50 %. После внесения арабиногалактана в количестве от 1,5 до 10,0 % от массы молочного сырья активная кислотность образцов сохранялась практически неизменной благодаря буферной емкости белков молочного сырья. Величина взбитости обезжиренного молока и пахты до нескольких раз превышала этот показатель в сыворотке. Также в условиях эксперимента установлено, что для увеличения объема пены удлинение процесса сбивания до 5 минут было особенно эффективно в системах с обезжиренным
молоком и пахтой, в то время как в сыворотке этот временной фактор не имел настолько существенного значения. Стойкость пен, получаемых в обезжиренном молоке, пахте и сыворотке в присутствии арабиногалактана зависела от массовой доли белка в сырье. По полученным данным стойкость пен до нескольких раз больше в образцах обезжиренного молока и пахты с арабиногалактаном, в которых отношение массовой доли белкового компонента к углеводному составляло 0,21-0,67 и 0,22-0,73 соответственно. Меньшие пенообразующие способности сыворотки с арабиногалактаном и более низкие значения отношения массовой доли белкового компонента к углеводному в этих образцах от 0,03 до 0,11 указывают на то, что в системах на основе сыворотки внесение арабиногалактана не было столь значительным для увеличения пеностойкости, как массовая доля белка.
Введение
Создание пищевых продуктов с заданными характеристиками качества необходимо для коррекции пищевой ценности рационов индивидуальных потребителей. Например, у больших групп населения Российской Федерации на протяжении последних десятилетий выявлено недостаточное количество полноценных белков и пищевых волокон в рационе. По этой причине комбинирование молочного сырья как источника белка животного происхождения и различных пищевых волокон - это популярное направление современной пищевой промышленности.
С целью комплексного использования молочного сырья в работе исследованы продукты переработки молока: обезжиренное молоко, пахта и сыворотка.
Из предлагаемых на рынке ингредиентов перечня пищевых волокон выбран арабиногалактан, поскольку в Российской Федерации налажено промышленное производство этого пищевого волокна.
При исследовании физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана в интервале концентраций от 1,5 до 10,0 % было установлено, что массовая доля арабиногалактана положительно коррелировала с плотностью и вязкостью систем [1]. Оба показателя могут оказать влияние на текстурные свойства пищевого сырья, например на поверхностно-активные характеристики молока и продуктов его переработки.
Цель данной работы - изучение влияния арабиногалактана на поверхностно-активные свойства молочного сырья для последующего создания специализированной молочной продукции.
Материалы и методы
В исследовании использованы побочные продукты промышленной
переработки сборного коровьего молока:
- обезжиренное молоко, полученное в результате отделения молочного жира от молока путем сепарирования;
- пахта, полученная в производстве сладкосливочного масла;
- сыворотка, полученная в производстве творога.
Растворимые пищевые волокна арабиногалактан - продукт
глубокой переработки древесины лиственницы торговой марки «Лавитол» российского производства ЗАО «Аметис» г. Благовещенск.
Навески арабиногалактана вносили в молочное сырье при температуре (20±1) °С из расчета 1,5-10,0 г на 100 г смеси. Исследуемый диапазон концентраций арабиногалактана составлял от 15 до 100 % рекомендуемого адекватного уровня суточного потребления для взрослых.
Состав молочного сырья определяли с применением инфракрасного анализатора [2], активную кислотность - потенциометрическим методом [3].
Отношение массовой доли белкового компонента к углеводному в системах молочного сырья с арабиногалактаном находили расчетным методом.
Процесс сбивания проводили миксером мощностью 300 Вт при температуре (20±1) °С. Продолжительность сбивания составляла 1 или 5 мин. Скорость вращения лопастей миксера составляла 1500 об/мин.
Состояние дисперсных систем оценивали визуально.
Взбитость определяли по отношению объема полученной пены к объему исходной смеси по формуле 1:
(1)
где Vп - объем пены;
^сх - объем исходной смеси.
Пеностойкость определяли в секундах как время уменьшения объема пены на 50 %.
Соотношение в образцах белкового компонента к углеводному определяли по формуле:
к = ^
6/У щ
(2)
где Кб/у - соотношение белкового компонента к углеводному;
Wб - массовая доля белка в образце, %; Wл - массовая доля лактозы в образце, %; Wа - массовая доля арабиногалактана в образце, %.
Результаты и обсуждение
Состав и физико-химические показатели продуктов переработки молока соответствовали требованиям стандартов [4, 5, 6]. В таблице 1 представлен макронутриентный состав обезжиренного молока, пахты и сыворотки.
Таблица 1 - Физико-химические показатели молочного сырья
Молочное сырье Массовая доля, %
жир белок лактоза СВ
Обезжиренное молоко 0,20±0,01 3,16±0,02 4,70±0,12 8,06±0,43
Пахта 0,34±0,04 3,09±0,01 4,21±0,26 7,64±0,21
Сыворотка 0,06±0,02 0,46±0,04 4,12±0,02 4,64±0,04
После внесения в образцы арабиногалактана в них изменилось соотношение между белковым и углеводным компонентом, определяемое по формуле 2 (таблица - 2). В результате увеличения массовой доли углеводного компонента соотношение белкового компонента к углеводному уменьшалось во всех образцах с арабиногалактаном. Этот показатель может косвенно указывать на синергический или антагонистический эффект, оказываемый белками молока и арабиногалактаном на поверхностно-активные свойства изучаемых систем.
Таблица 2 - Соотношение в образцах белкового компонента к углеводному
Массовая доля арабиногалактана, % Обезжиренное молоко Пахта Сыворотка
0,0 0,67 0,73 0,11
1,5 0,51 0,54 0,08
3,0 0,41 0,43 0,06
5,0 0,33 0,34 0,05
7,0 0,27 0,28 0,04
10,0 0,21 0,22 0,03
Ранее при исследовании физико-химических свойств арабиногалактана было выявлено снижение активной кислотности его водных растворов по мере увеличения гидроколлоида в образцах [1]. В обезжиренном молоке, пахте и сыворотке подобной взаимосвязи не выявлено, поскольку колебания реакции среды незначительно выходили за пределы погрешности метода (таблица 3).
Таблица 3 - Влияние арабиногалактана на активную кислотность воды и молочного сырья
Массовая доля арабиногалактана, % Активная кислотность, единицы рН
Обезжиренное молоко Пахта Сыворотка
0,0 6,48±0,04 6,50±0,04 4,15±0,04
1,5 6,47±0,04 6,49±0,04 4,14±0,04
3,0 6,46±0,04 6,49±0,04 4,13±0,04
5,0 6,43±0,04 6,48±0,04 4,12±0,04
7,0 6,39±0,04 6,45±0,04 4,10±0,04
10,0 6,37±0.04 6,41±0,04 4,08±0,04
Как следует из таблицы 3, активная кислотность молочного сырья почти не изменялась после растворения в нем арабиногалактана. Следовательно, кислотность арабиногалактана, вносимого в обезжиренное молоко, пахту и сыворотку в количестве от 1,5 до 10,0 %, была нивелирована благодаря буферной емкости белков молочного сырья.
Состояние дисперсных систем, получаемых на основе исследуемого молочного сырья, было различным. Пены на основе молочной сыворотки имели крупнодисперсную консистенцию быстро опадающую, с коротким сроком жизни. Пены на основе обезжиренного молока и пахты были крупно дисперсными и медленно опадающими, что указывает на более высокую пеностойкость.
Установлено, что пенообразующая способность всех образцов увеличивалась с повышением массовой доли арабиногалактана и положительно коррелировала с белково-углеводным соотношением систем, как показано на рисунке 1.
25Ь 200 Ж
.11 1111
0,67 0,51 0,41 0,33 0,27 0,21
Соотношение белкового компонента к углеводному
1 минута ■ 5 минут
а
я
300 250
Л 200
150 100 50
№
253 263
11111 I 1
70
ЬО
50 .сГ
Ь 40
Рзо 5 20 13 10 о
0,73
0,54
0,43
0,34
0,2В
0,22
Соотношение белкового компонента к углеводному 1 минута ■ 5 минут б
60
23 23 11 ■ 1 50 50 1 1
10 13 13 13 ■ ■ 1 1 11
0,11 0,0В 0,0 Б 0,05 0,04 0,03
Соотношение белкового компонента к углеводному
1 минута ■ 5 минут
Рисунок 1 - Показатели взбитости молочного сырья при разной продолжительности процесса: а - обезжиренное молоко, б - пахта, в - сыворотка
в
По полученным данным, величина взбитости обезжиренного молока и пахты до нескольких раз превышала этот показатель в сыворотке. Также в условиях эксперимента установлено, что для увеличения объема пены в системах с обезжиренным молоком и пахтой удлинение процесса сбивания до 5 минут было особенно эффективно, в то время как в сыворотке этот временной фактор не имел настолько существенного значения.
Для технологических процессов производства продуктов со взбитой структурой большое значение имеют не только пенообразующие способности сырья, но и свойства, обеспечивающие увеличение продолжительности жизни пены. В условиях эксперимента установлено, что стойкость пен, получаемых в обезжиренном молоке, пахте и сыворотке, в присутствии арабиногалактана возрастала с увеличением продолжительности сбивания с 1 мин до 5 мин (таблица 4).
Таблица 4 - Пеностойкость образцов с арабиногалактаном в зависимости от продолжительности сбивания
Массовая доля Обезжиренное молоко Пахта Сыворотка
арабиногалактана, % Время сбивания Время сбивания Время сбивания Время сбивания Время сбивания Время сбивания
1 мин, с 5 мин, с 1 мин, с 5 мин, с 1 мин, с 5 мин, с
0,0 215±4 267±4 206±4 253±4 28±1 35±1
1,5 262±4 318±4 252±4 310±4 32±1 35±1
3,0 268±4 373±4 255±4 360±4 65±1 78±1
5,0 275±4 447±4 260±4 425±4 123±1 132±1
7,0 278±4 554±4 266±4 490±4 125±1 140±1
10,0 316±4 622±4 310±4 610±4 115±1 135±1
По полученным данным, стойкость пен до нескольких раз больше в образцах обезжиренного молока и пахты с арабиногалактаном, в которых отношение массовой доли белкового компонента к углеводному составляло 0,21-0,67 и 0,22-0,73, соответственно (см. табл. 2). Меньшие пенообразующие способности сыворотки с арабиногалактаном и более низкие значения отношения массовой доли белкового компонента к углеводному в этих образцах от 0,03 до 0,11 указывают на то, что в системах на основе сыворотки внесение арабиногалактана не было столь значительным для увеличения пеностойкости, как массовая доля белка.
Выявленные в исследовании отличия поверхностно-активных свойств обезжиренного молока, пахты и сыворотки в присутствии арабиногалактана можно объяснить несколькими факторами.
Во-первых, лучшие пенообразующие способности обезжиренного молока и пахты обусловлены более высоким содержанием общего белка в этих системах по сравнению с сывороткой. Это хорошо согласуется с предыдущими исследованиями, показавшими, что повышение содержания сывороточного белка в системе способствует продлению жизненного цикла пены в сравнении с исходной сывороткой [7, 8]. Стойкость кислородных пен в сыворотке можно также повысить использованием камедей [9].
Во-вторых, на пенообразующие и стабилизирующие пену свойства оказал влияние белковый состав исследованного молочного сырья. Как известно, довольно лабильные молочные белки под действием механического воздействия дестабилизируются и благодаря своей амфифильной природе мигрируют к поверхности раздела фаз «вода - воздух», способствуя формированию пенной структуры [10, 11]. Наличие в обезжиренном молоке и пахте и казеина, и сывороточных белков в присутствии арабиногалактана, видимо, было эффективнее для поддержания дисперсной структуры типа «воздух в воде», чем
только сочетание сывороточных белков и арабиногалактана. Доменная структура казеиновых фракций более располагает к проявлению поверхностно-активных свойств, чем равномерное распределение зарядов в полипептидной цепи сывороточных белков [12].
В-третьих, кислое значение реакции среды в сыворотке было менее благоприятно для пенообразования систем с арабиногалактаном, чем близкое к нейтральному в обезжиренном молоке и пахте. Возможно, благодаря нейтрализации карбоксильных групп арабиногалактана путем перекрестных сшивок через кальций с казеином пленки на поверхности раздела фаз в обезжиренном молоке и пахте были более прочными и препятствовали коалесценции воздушных пузырьков.
Выводы
Фактор термодинамической неустойчивости пен обусловлен относительно крупными размерами воздушных пузырьков этих дисперсных систем. Поэтому технологические приемы, способствующие повышению качества и жизненного цикла пен, имеют важное прикладное значение. Результаты исследования планируется использовать при создании пищевых систем со взбитой структурой на основе молочного сырья и арабиногалактана.
Литература:
1. Хайдукова, Е.В. Исследование физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана / Е.В. Хайдукова, А.Л. Новокшанова // Молочнохозяйственный вестник. - 2024. № 1. - С. 219-229.
2. ГОСТ Р ГО 32255-2013 Молоко и молочная продукция. Инструментальный экспресс-метод определения физико-химических показателей идентификации с применением инфракрасного анализатора (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 ноября 2013 г. № 1923-ст) (с изменениями и дополнениями)
3. ГОСТ 32892-2014 Молоко и молочная продукция. Метод измерения активной кислотности (введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 октября 2014 г. N 1452-ст).
4. гОст 31658-2012 Молоко обезжиренное - сырье. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2013. - 7 с.
5. ГОСТ 34354-2017 Пахта и напитки на ее основе. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2018. - 15 с.
6. ГОСТ 34352-2017 Сыворотка молочная - сырье. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2018. - 8 с.
7. Новокшанова, А.Л. Разработка научных принципов создания продуктов спортивного питания на основе молочного сырья
: специальность 05.18.15 «Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания» : дис. ... д-ра техн. наук / Новокшанова Алла Львовна ; ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского». - Москва, 2019. - 487 с.
8. Масленникова, С.М. Исследование и разработка технологии взбитых молочных десертов на основе гидролизата казеина: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.04 / Масленникова Светлана Михайловна. - Кемерово, 2015. - 145 с.
9. Неповинных, Н.В. Теоретическое обоснование и практические аспекты использования пищевых волокон в технологиях молокосодержащих продуктов диетического профилактического питания: дис. ... д-ра техн. наук: 05:18:04 / Неповинных Наталия Владимировна. - Саратов, 2016. - 448 с.
10. Просеков, А.Ю. Гелеобразные продукты с использованием сыворотки и растительного сырья / А.Ю. Просеков, И.С. Разумникова, Г.В. Менх // Молочная промышленность. - 2011. - № 7. - С. 78.
11. Просеков, А.Ю. Молочно-белковые концентраты в продуктах с пенообразной структурой / А.Ю. Просеков, С.А. Иванова, В.С. Сметанин // Молочная промышленность. - 2011. - № 5. - С. 64-65.
12. Дамодаран Ш. Химия пищевых продуктов: пер. с англ. / Ш. Дамодаран, К.Л. Паркин, О.Р. Феннема (ред.-сост.) - СПб.: Профессия, 2012. - 1040 с.
References:
1.Khaydukova, E.V.Investigationofthephysico-chemicalcharacteristics of an aqueous solution of arabinogalactan. Molochnohozyajstvennyj vestnik. [Dairy bulletin], 2024, no. 1, pp. 219-229. - Text direct. (in Russian)
2. State Standard R GO 32255-2013. Moloko i molochnaya produkciya. Instrumental'nyj ekspress-metod opredeleniya fiziko-himicheskih pokazatelej identifikacii s primeneniem infrakrasnogo analizatora (utv. prikazom Federal'nogo agentstva po tekhnicheskomu regulirovaniyu i metrologii ot 22 noyabrya 2013 g. N 1923-st). [Milk and dairy products. Instrumental express method for determining physico-chemical identification indicators using an infrared analyzer (approved by Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated November 22, 2013 N 1923-st)]. - Text direct. (in Russian)
3. State Standard 32892-2014. Moloko i molochnaya produkciya. Metod izmereniya aktivnoj kislotnosti (vveden v dejstvie prikazom Federal'nogo agentstva po tekhnicheskomu regulirovaniyu i metrologii ot 29 oktyabrya 2014 g. N 1452-st). [Milk and dairy products. The method of measuring active acidity (put into effect by the order of the Federal Agency
for Technical Regulation and Metrology dated October 29, 2014 N 1452-st)]. - Text direct. (in Russian)
4. State Standard 31658-2012. Moloko obezzhirennoe-syr'e. Tekh-nicheskie usloviya. [Skimmed milk is a raw material. Technical specifications]. M.: Standartinform, 2013, 7 p. - Text direct. (in Russian)
5. State Standard 34354-2017. Pahta i napitki na ee osnove. Tekh-nicheskie usloviya. [Buttermilk and drinks based on it. Technical specifications]. M.: Standartinform, 2018, 15 p. - Text direct. (in Russian)
6. State Standard 34352-2017. Syvorotka molochnaya-syr'e. Tekh-nicheskie usloviya. [Milk whey is a raw material. Technical specifications]. M.: Standartinform, 2018, 8 p. - Text direct. (in Russian)
7. Novokshanova, A. L. Razrabotka nauchnyh principovsozdaniya pro-duktov sportivnogo pitaniya na osnove molochnogo syr'ya : special'nost' 05.18.15 «Tekhnologiya i tovarovedenie pishchevyh produktov i funkcion-al'nogo i specializirovannogo naznacheniya i obshchestvennogo pitaniya» : dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni doktora tekhnicheskih nauk. [Development of scientific principles for the creation of sports nutrition products based on dairy raw materials: specialty 05.18.15 «Technology and commodity science of food products and functional and specialized purposes and public catering»: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences]. Moscow, 2019, 487 p. - Text direct. (in Russian)
8. Maslennikova, S.M. Issledovanie i razrabotka tekhnologii vzbityh molochnyh desertov na osnove gidrolizata kazeina: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.18.04. [Research and development of technology of whipped milk desserts based on casein hydrolysate: dis. ... candidate of Technical Sciences: 05.18.04]. Kemerovo, 2015, 145 p. - Text direct. (in Russian)
9. Nevodinykh, N.V. Teoreticheskoe obosnovanie i prakticheskie as-pekty ispol'zovaniya pishchevyh volokon v tekhnologiyah molokosoder-zhashchih produktov dieticheskogo profilakticheskogo pitaniya: dis. ... dokt. tekhn. nauk: 05:18:04. [Theoretical substantiation and practical aspects of the use of dietary fibers in technologies of milk-containing products of dietary preventive nutrition: dis. ... doct. Technical sciences: 05:18:04]. Saratov, 2016, 448 p. - Text direct. (in Russian)
10. Prosekov, A.Yu. Gel-like products using whey and vegetable raw materials. Molochnaya promyshlennost'. [Dairy industry], 2011, no. 7. P. 78. - Text direct. (in Russian)
11. Prosekov, A.Yu. Milk protein concentrates in products with a foamy structure Molochnaya promyshlennost'. [Dairy industry], 2011, no. 5, pp. 64-65. - Text direct. (in Russian)
12. Himiya pishchevyh produktov. [Chemistry of food products]. St. Petersburg: Publishing house «Profession»,2012, 1040 p. - Text direct. (in Russian)
Study of foaming properties of dairy raw materials with
arabinogalactan
Khaidukova Elena Vyacheslavovna, Candidate of Technical Science, Associate Professor of the Milk and Dairy Products Technology Department
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Farming Academy named after N.V. Vereshchagin»
Novokshanova Alla Lvovna, Doctor of Technical Science, Professor
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Institution of Science «Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety»,
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Farming Academy named after N.V. Vereshchagin»
Keywords: arabinogalactan, skimmed milk, buttermilk, whey, foaming properties.
Abstract. The foaming properties of milk processing products: skimmed milk, buttermilk and whey were studied in order to use dairy raw materials in a comprehensive manner. The composition of the dairy raw materials was determined using an infrared analyzer, the active acidity was determined by the potentiometric method. Arabinogalactan was added to the samples of dairy raw materials. The whipping of the samples was determined in relation to the volume of the resulting foam to the volume of the initial mixture. Foam resistance was determined in seconds as the time to reduce the volume of foam by 50%. After the introduction of arabinogalactan in an amount from 1.5 to 10.0% by weight of the dairy raw materials, the active acidity of the samples remained almost unchanged due to the buffer capacity of the proteins of the dairy raw materials. The amount of whipping of skimmed milk and buttermilk was several times higher than this indicator in whey. Also, under experimental conditions, it was found that to increase the volume of foam, lengthening the churning process to 5 minutes was especially effective in systems with skimmed milk and buttermilk, while in whey this time factor was not so significant. The stability of foams obtained in skimmed milk, buttermilk and whey in the presence of arabinogalactan depended on the mass fraction of protein in the raw material. According to the data obtained, the resistance of foams is several times higher in samples of skimmed milk and buttermilk with arabinogalactane, in which the ratio of the mass fraction of the protein component to the carbohydrate component was 0.21-0.67 and 0.22-0.73, respectively. The lower foaming abilities of whey with arabinogalactan and lower values of the ratio of the mass fraction of the protein component to the carbohydrate in these samples from 0.03 to 0.11 indicate that in whey-based systems, the introduction of arabinogalactan was not as significant for increasing foam resistance as the mass fraction of protein.
