CC BY
117
УДК: 544.023.523:664.143.002.62
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ ПОЛУФАБРИКАТА ДЛЯ СЛАДКИХ БЛЮД
Харьковский государственный университет питания и торговли, Украина, 61051, г. Харьков, ул. Клочковская, 333
О.В. Мороз, Е.П. Пивоваров, О.П. Неклеса
Проанализированы методы структурирования и их использования в технологиях пищевых продуктов. Проведены исследования процесса образования гранул по принципу смешанного термотропно-ионотропного ге-леобразования. Рассмотрены факторы, влияющие на формирование сферических форм в процессе экструзии и формования гранул.
Ключевые слова: гранулированные полуфабрикаты, альгинат натия, кальций, сахар, диффузия, гранулообразование.
Введение
Структурирование пищевых смесей имеет большое значение в технологиях производства продуктов многих отраслей, таких как кондитерская, молочная, мясная, рыбная и др. Любой продукт имеет свою структуру, будет это желеобразный пудинг или желе, или вязкий соус, или пористый мякиш хлеба. Потребитель, покупая продукт, ожидает определенный результат, в том числе определенную структуру продукта. На сегодняшний день производители все больше корректируют структуру известных продуктов или же вообще придают новую текстуру сырью, которое еще недавно имело совсем другие характеристики и назначение. Одним из ярких примеров структурирования является производство крабовых палочек из мяса сурими и нагет-сов из мяса рыбы и моллюсков. С внедрением технологии структурирования и реструктурирования значительно расширился не только ассортимент новых полуфабрикатов и продуктов, но и область их применения [1-6]. Структурирование охватывает большой ряд методов, основанных на использовании потенциала сырья или введении дополнительных компонентов, таких как гелеобразователи и загустители. Процесс осуществляется при участии белков, углеводов, в основном пектинов, агара, каррагинана, альгинатов, камедей и их комбинаций [7, 8].
В качестве объекта исследований нами была выбрана технология структурирования гранулированного полуфабриката для сладких блюд по принципу смешанного термотропно-ионотропного гелеобразования производства. В работе использованы реологические методы исследования структурно-механический свойств жидкостей и твердых тел [9-12].
Процесс образования гранул реализован нами на принципе смешанного гелеобразова-ния, где сетки смешанного геля образуются параллельно: термотропная - за счет возникновения надмолекулярных водородных сшивок термотропных полисахаридов - агара или караги-нана и ионотропных - за счет образования хелатных комплексов альгината натрия с ионами кальция. Эти два процесса происходят одновременно во времени, но с разными скоростями. Взаимодействие альгината натрия с кальцием - мгновенная реакция и сопровождается образованием альгината кальция с момента касания альгината натрия раствора хлористого кальция, за счет чего на поверхности капли образуется оболочка, которая удерживает сферическую форму и внутреннее жидкое содержимое. Ионотропное гелеобразование происходит с учетом законов диффузии и массопереноса из внешней среды, благодаря чему, ионы кальция постепенно диффундируют из внешней среды в центр сферической формы, которая с течением времени превращается в сплошной гель. Скорость процесса диффузии кальция в гранулу зависит от многих факторов, в том числе свойств раствора альгината натрия и его состава, концентрации кальция в формирующем растворе, соотношения концентраций альгината натрия и кальция, рецептурной смеси. На рисунке 1 приведена динамика золь-гель перехода альгината
Объекты и методы исследований
Результаты и их обсуждение
натрия в альгинат кальция с образованием гранулы для концентраций альгината натрия -1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 3.5%, 4.0%.
100
80
60
40
20
0
ГО 1
р, %
' (б1! 1х60, с-1
Рис. 1. Динамика золь-гель перехода альгината натрия в альгинат кальция (ССаС?2=0.б5%) при концентрации альгината натрия, %:
1, 2, 3, 4, 5, б, 7 - 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3-0; 3-5; 4-0, соответственно
0 10 20 30 40 50
Скорость процесса грану-
лообразования можно корректировать как с помощью времени выдержки в формирующем растворе, так и концентраций участников процесса (рис. 2).
100
80
60
40
20
р, % <
С А!дЫа, %
При анализе данных рисунка 3, видно, что с увеличением концентрации ионов кальция в формирующем растворе при одинаковом сроке выдержки (3 и 10 минут), толщина оболочки капли увеличивается. Так с уменьшением срока выдерживания капель альганата натрия в формирующем растворе в три раза, толщина оболочки уменьшается на 30%, а для достижения образования гранулы по всему объему необходимо увеличить концентрацию хлористого кальция в 1.5 раза. Процесс гелеобразования, связанный с диффузией Са2+, сопровождается повышением упругости, но при определенных концентрациях Са2+ продукт может приобретать нежелательные органолептические свойства, в т. ч. консистенцию. Учитывая это, возникает необходимость образования сферической формы гранул с меньшим содержанием кальция и желаемыми органолептическими свойствами. Структуру гранулы можно корректировать путем внесения термотропных полисахаридов, которые образуют гели с понижением температуры ниже точки гелеобразования, что является очень перспективным решением в технологии получения гранулированного полуфабриката. Из широкого ассортимента термотропных геле-образователей перспективно использовать в технологии гранулированных полуфабрикатов сульфитированные полисахариды - агар и ^карагинан, последний способен образовывать слабые гели с кальцием. Учитывая, что повышение концентрации сухих веществ в смеси для гранулирования замедляет процесс гелеобразования, что описано ранее, существует вероятность того, что внесение термотропных полисахаридов будет препятствовать процессу гелеобразова-ния. Так как сетки геля термотропных и ионотропного гелеобразователей развиваются отдельно, без взаимодействия между собой, плотность геля будет расти и, вероятно, проникающая способность кальция внутрь гранулы снизится. Проведенные исследования показывают, что содержание термотропных гелеобразователей в смеси влияет на динамику процесса образования оболочки гранулы (рис. 4), а именно замедляет этот процесс.
Рис. 2. Зависимость степени гелеобразования 'б) (т=20хб0 с-1, ССаСЬ=0.б5%) от концентрации альгината натрия
120
100
80
60
40
20
0
р, % сг
ь Л Л —
С СаС2, %
10
0
2
4
6
8
Рис. 3. Зависимость степени гелеобразова-ния альгината натрия, % (СА^^=4.0%) от концентрации СаСЬ при экспозиции в растворе хлористого кальция (ССаС12=0.6б%): 1 - 10x60 с., 2 - 3x60 с.
0 10 20 30 40 50
Рис. 4. Динамика золь-гель перехода альгинат натрия в альгинат кальция (СА^Ма=2.0%, ССаСЬ=0.б5%) при концентрации агара, %: 1, 2, 3, 4 - 0; 0.5; 1.0; 1.5 и ^карагинана, % 5, б, 7 - 0.5; 1.0; 1.5, соответственно
Содержание агара при концентрации 0.5-1.5% снижает скорость образования гранулы на 24-25% (см. рис. 4, кривая 2), в то время как содержание ^карагинана при концентрации
0.5% почти не мешает процессу, о чем свидетельствует кривая 5 (см. рис. 4). Дальнейшее повышение концентрации -карагинана также снижает скорость гранулообразования на 12-15%, что не существенно, и может быть компенсировано длительностью обработки в формирующей среде (рис. 5). Разницу в результате действия агара и карагинана, вероятно, можно объяснить способностью ^карагинана к взаимодействию с кальцием за счет реализации химического потенциала, что не возможно для агара, который не взаимодействует с ионами кальция и является в смеси гелеобразователей химически инертным веществом.
100
80
60
40
20
0
Р, %
С , %
0,5
1,5
Рис. 5. Зависимость степень золь-гель перехода альгината натрия в альгинат кальция (СА^^=2.0%, ССаСЬ=0.б5%) от концентрации термотропного полисахарида:
1 - ^карагинана, 2 - агара
0
1
Фотомониторинг образования гранулы за счет золь-гель перехода альгината натрия в альгинат кальция приведен на рисунке б. Из данных, представленных на рисунке б видна динамика образования гранулы за счет диффузии ионов кальция из окружающей среды в середину капли альгината натрия. Результаты подтверждают, что процесс сорбции ионов кальция происходит всей поверхностью капли, о чем свидетельствует равномерная оболочка из альгината кальция.
Со временем скорость диффузии кальция снижается, за счет возникновения «запирающего» слоя альгината кальция, который имеет проникающую способность гораздо ниже чем альгинат натрия. Из данных и на рисунке 6 видно, что первые 5 минут экспозиции капли альгината натрия в растворе хлористого кальция обеспечивают образование 40...45% плотной оболочки геля альгината кальция. Дальнейший процес сшивания капли кальцием и превращения ее в сплошной гель замедляется во времени (рис. 6 д, е, ж, з).
д) е) ж) з)
Рис. 6. Фотоиониторинг изменения структуры крапли альгината натрия (С=3.0%) в растворе хлорида кальция (ССаСЪ>=0.б5%), хбо с.: а, б, в, г, д, е, ж, з - 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40,
соответственно
Нами установлены закономерности диффузии сахара (С= 10-30%) из смешанных гелей в водные среды, что важно при изучении влияния свойств гелей на усвоение иммобилизированных в них пищевых компонентов.
Из данных, представленных на рисунке 6, также видно, что потеря 95-98% сахара гелем в водную среду происходит за 14-16 часов экстрагирования при температуре 20°С и гидромодуле 1:3, что свидетельсвует о полной проницаемости гелей. Однако, если увеличить удельную поверхность экстрагирования путем измельчения геля, процесс будет происходить быстрее при тех же условиях (рис. 8). Из данных рисунка 8 видно, что окончательная диффузия сахара в условиях измельчения быстрее в 6.5-7 раз.
10
0 2 4 6 8
10 12 14 16
Рис. 7. Динамика дифузии сахара, %:
1, 2, 3, 4, 5 - 10, 15, 20, 25, 30, соответственно, из геля в водную среду (гидромодуль = 1:3)
8
6
4
2
с,%
-
Т, і ас
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Рис. 8. Динамика дифузии сахара из геля в водную среду (гидромодуль = 1:3) в зависимости от степени измельчения геля (С(сахара)=30%): 1 - без измельчения Апов=14 см2), 2 - с измельчением на пластинки Апов=6о см2)
Образование гранул достаточно сложный и многофакторный процесс, который зависит от многих параметров. Нами установлено, что вязкость смеси для экструдирования существенно влияет на гранулообразование. Вязкость рецептурной смеси влияет на процесс экструдирования и формирования шарообразных форм в воздухе с помощью распада струи смеси под действием гравитации или принудительного экструдирования. Абсолютное значение величины вязкости диктует рецептурные компоненты смеси и температурный режим. С повышением содержания сухих веществ и снижением температуры вязкость сильно возрастает, а значит распад струи и формирование капель затруднено, что приводит к образованию вытянутых форм в формирующем растворе (рис. 9, кривая 1). Вторым по важности параметром образования правильной шарообразной формы является формирующая способность системы, которую исследовали путем изменения геометрической формы капель альгината натрия, как отношение размера горизонтального к вертикальному в формирующей среде (рис. 9 кривая 2). В случае если формирующая способность (ФС) равна единице, это свидетельствует об отсутствии разницы между вертикальным и горизонтальным размерами, а, следовательно, об образовании шаровидной формы. Из данных, представленных на рисунке 9 (кривая 1) видно, что слишком низкая вязкость приводит к образованию сплющенных форм капель альгината натрия и низкого модуля упругости гранул. Одновременно при высоких концентрациях альгината натрия (более 3.5%) шаровидные формы капель также не образуются и возникают вытянутые чечевицеподобные гранулы.
0 0,4 0,8 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
С АІ^а* 0//°
Рис. 9. Комплексная характеритика параметров образования гаранул:
1 - вязкость альгината натрия, 2 - формирующая способность альгината натрия (ссаа 2=0.65%), 3 — модуль упругости геля
Выводы
С помощью технологии структурирования появляется возможность придавать продуктам новые товарные формы, текстуру, потребительские свойства и др. Методы гранулирования
позволяют переработать плодоовощное, фруктовое и ягодное сырье в новый пищевой продукт. Научно обоснованы параметры получения гранул методом смешанного ионотропно-термотропного гелеобразования.
1. Горальчук А.Б. Технология термостабшьних соумв емульсшного типу: Дис. ... канд. тех. наук. -Харьков, 2008. - 298 с.
2. Кондратюк Н.В. Технология солодких страв з використанням капсульованих продуктв з пробЬ отичними властивостями: Дис...канд. техн. Наук. - Харюв: ХДУХТ, 2012. - 294 с.
3. Пестина А.А. Технология реструктурованного полуфабриката из дыни: Дис...канд. техн. наук. -Харьков: ХГУПТ, 2009 - 295 с.
4. Уайтхауз Ф.К. Выбор и использование гидроколлоидов // Пищевая промышленность. - 2008. -№ 10 - С. 76.
5. Пат. 38355 Украгна, МПК7 А 23 Ь 1/328. Спомб виготовлення жри чорног зернистог з натуральних продуктгв «Фгто ЛП-6» / 1.В. Пронін. - № 2000063735; Заявл. 26.06.2000; Опубл. 15.05.2001.
6. Пат. 2139668 Россия МПК А 23 Ь 1/328 Способ получения пищевой зернистой икры / А.П. Ха-чатрян, П.Г. Геворгян, Р.Г. Хачатрян. - № 99104095/13; Заявл. 10.03.99; Опубл. 20.10.99.
7. Рябець О.Ю. Технология аналогу жри чорног з використанням альгшату натрт: Дис...канд. тех. наук. - Х., 2008. - 284 с.
8. Пивоварова О.П. Технолопя нашвфабрикапв реструктурованих на основі печериць: Дис...канд. тех. наук. - Х., 2009. - 274с.
9. Реолопчт методи дослвдження сировини і харчових продуктгв та автоматизація розрахунків реолопчних характеристик: навчальний посібник / А.Б. Горальчук та ш. - Харюв: Харк. держ. ун-т харч. та торгтвль, 2006. - 63 с.
10. Виллинс Г.О. Справочник по гидроколлоидам: рук. разработчика. - СПб., ГИОРД. 2006. - 536 с.
11. Реометрия пищевого сырья и продуктов: справочник / Под ред. Мачихина. - М.: Агропромиз-
дат. - 1990. - 271 с.
12. Кузнецов О.А., Волошин Е.В., Сагитов Р.Ф. Реология пищевых масс: учебное пособие. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005. - 106 с.
Список литературы
GRANULATION PROCESS STUDY FOR THE CREATION OF PREPARED FOOD FOR SWEET DISHES
Kharkiv State University of Food Technology and Trade, 333 Klochkivskaya St, Kharkiv, 61051, Ukraine
O. Moroz, Ye. Pyvovarov, O. Neklesa
The methods of structuring and their use in technology of food production have been analyzed. The investigations of the formation of the granules according to the principle of mixed thermotrophic ionotropic gelation have been carried out. The factors influencing the formation of spherical shapes during extrusion and shaping the granules have been considered.
KeywoMs: granuW semifinished products, sodium agnate, calcium, suga^ diffusion, granule foгmation-
