Исследование процесса получения белковых сгустков с применением различных видов коагулянтов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

№ 1 - 2014

Теоретические основы и инновационные модели переработки продукции сельского хозяйства и производства экологически чистых продуктов в

регионе

УДК 637.146

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ СГУСТКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

КОАГУЛЯНТОВ

О. В. Кольтюгина ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» (г. Барнаул, Российская Федерация)

Сущность термокислотной коагуляции белков молока заключается в одновременном воздействии на них повышенных температур и кислотного фактора. Следствием такой обработки является тепловая денатурация и кислотная коагуляция белков. Преимуществом данного способа является осаждение как белковых фракций казеина, так и сывороточных белков [1].

В качестве коагулянтов использовали лимонную и уксусную кислоты, творожную сыворотку, обезжиренный облепиховый сок и смесь сока с творожной или подсырной сывороткой в различных процентных соотношениях.

Интервал варьирования для лимонной и уксусной кислот был установлен в пределах от 2 до 14 % с шагом.

По результатам исследования с помощью компьютерной программы Мар1е 12 построены математические модели, описывающие получение термокислотных сгустков с применением различных коагулянтов, а также уточнены технологические параметры процессов.

Для построения модели зависимости выхода сгустка от Н+ -концентрации ионов Н, функция распределения глобул казеина в растворе имеет вид

п _г0 )2

= А^ект • е а • (IV,

(1)

где dWn - вероятность иметь заряд zn и энергию Е; zо - средний заряд глобул;

а - среднеквадратическое отклонение (примем, что заряд распределен нормально);

Т - температура раствора;

к - постоянная Больцмана;

Ао - нормировочный коэффициент.

Учитывая только двухчастичные взаимодействия, энергия глобулы выражается

Еп = Кп + Р zn2 - у zn Н + ип,

(2)

где Еп - кинетическая энергия;

Р zn2 - электростатическая потенциальная энергия глобулы; у zn Н - электростатическая энергия глобулы в поле свободных ионов водорода Н+;

ип - потенциал двухчастичного взаимодействия глобул. Смоделируем ип в виде:

и =

-и0,г < г

-агп, г0 < г < г1. 0, г > г

(3)

Глобулы притягиваются при г<го и отталкиваются при г1>г>го . Высота потенциального барьера ип = -аzn падает при уменьшении среднего заряда глобул zо (при приближении к изоэлектрической точке).

Поскольку заряд глобулы zn = пе вдали от изоэлектрической точки велик (п>>1) по сравнению с элементарным зарядом е, при вычислении примем пе (-го;го).

Используя разложение Эйлера-Маклорена заменим суммирование по п интегрированием по заряду z в пределах -го...го и вместо функции распределения (1) используем

dW = Лек • е~ • dz • (V.

(4)

Средний заряд положительно и отрицательно заряженных глобул равен

±4

Z 2 "2

^ и их притяжение возрастает с ростом z , что приводит к увеличению

выхода сгустка

е ~

dW =е

.. Поэтому 4р>>ц,у

г 4 Л

2 4 ____/ .. , . ч „ 3

2 4

р + цу + 2цу(ц + у^ - 2цурр —цу(ц + у)щ

3 у

dz,

4щ>

(5)

Выход сгустка В пропорционален вероятности нахождения глобул

1

2

вблизи изоэлектрической точки (VЛ(р включаем в Во)

В = Вое~р

(6)

Л 2 4 3Л

р + цу + 2цу(р + у)z - 2цурЕ - 3¡иу(!и + у)рЕ

Заменив параметры:

р = х^2 ; цу = ЛХ^2; цу(ц+у) = ; В1 = Во х^2 , получаем модель

В = Bj

i 4 л

1+ Л + 2%Н0 - 2ШН02 - з X03

-,-хН о

V J У

(7)

Параметры модели (7) В1, х определяются из эксперимента. Качество математических моделей можно оценить с помощью коэффициента детерминации и точности, которые должны находиться в установленных пределах.

При определении выхода сгустка В (%) в зависимости от процентной концентрации коагулянта концентрацию ионов Н+ в смеси вычисляем по формуле

Н = В Нс + (1 - B)Hs,

(8)

где Нс и Hs - концентрации ионов водорода в сгустке и сыворотке. По результатам исследований получаем модели. При использовании в качестве коагулянта лимонной кислоты модель имеет вид

В = (17,74 + 0,1200Но + 0,07005Но2 - 0,0002947Но3) е-0,003686Нс

(9)

Максимальное значение выхода сгустка, вычисленное по формуле (8) достигается при Но = 6,056 (рН=4,54) и равно 18,32 %. Коэффициент детерминации R2 = 0,90. Точность S/P = 0,021. Средняя ошибка аппроксимации 1,48 %.

При использовании в качестве коагулянта уксусной кислоты модель имеет вид

В = (17,85+0,06038Но+1,865-10-4 Но2-7,588-10-6 Но3) е-0,0001885Нс2

(10)

Наибольшее значение выхода сгустка, прогнозируется при Но = 8,920 (рН=4,5) и равно 18,32 %. Коэффициент детерминации R2 = 0,91. Точность S/P = 0,007. Средняя ошибка аппроксимации 0,52 %.

В качестве коагулянта удобнее использовать творожную сыворотку, так как ее титруемая кислотность выше, чем у подсырной. Интервал кислотности коагулянта варьировали в пределах от 110 до 170°Т с шагом 10. При применении сыворотки с кислотностью менее 110 °Т необходимо большое ее количество для достижения изоэлектрической точки казеина, это влечет за собой увеличение объемов выделившейся после коагуляции сыворотки и проблему ее утилизации, а полученный сгусток характеризуется несвязанной текстурой. При применении коагулянта кислотностью более 170 °Т, сгусток получается неоднородный, очень плотный, грубый. Содержание сухих веществ творожной сыворотки - 6 %.

Выход сгустка В (%) в зависимости от кислотности творожной сыворотки. Модель в этом случае имеет вид

В = (18,34+0,006705Но+6,801 • 10-6 Но2-1,138-10-8 Но3) е-2,546- 10-6Нс2

Максимальный выхода сгустка, ожидается при Но = 8,920 (рН=4,00) и равно 18,7 %. Коэффициент детерминации R2 = 0,62. Точность S/P = 0,0067. Средняя ошибка аппроксимации 0,48 %.

Анализ результатов показал, что наиболее приемлемой для творожной сыворотки-дестабилизатора является кислотность от (140 ± 10) °Т.

Для проведения следующей серии экспериментов использовали в качестве коагулянтов свободно выделившийся после размораживания облепиховый сок и смесь сока с творожной или подсырной сывороткой в различных процентных соотношениях, за контроль принята уксусная кислота.

Выбор облепихового сока обоснован распространенностью плодов облепихи в Алтайском крае, который обладает высокими выраженными органолептическими показателями, биологической и пищевой ценностью; применением растительного сырья как улучшителей качества комбинированных молочных продуктов [2,3]. Использование уксусной кислоты обусловлено низкой ценой, небольшой дозой внесения, необходимой для коагуляции.

Соотношение сока и сыворотки было подобрано в ходе экспериментальных варок. При сочетаниях 25 % облепихового сока + 75 % подсырной сыворотки сгусток получался с высоким содержанием влаги и низкой степенью использования сухих веществ молока и молочного жира. При кислотности коагулянтов от 110 до 200 °Т сырный продукт получался менее влажным, а степень использования сухих веществ сырья значительно возрастала.

Применение в качестве коагулянта облепихового сока позволяет не только увеличить выход продукта по сравнению со сгустками, полученными при использовании уксусной кислоты, но и повысить энергетическую и биологическую ценность продукта. Наибольший выход сырного продукта наблюдается при следующем составе коагулянтов: 1:3 облепихового сока и творожной сыворотки, 3:1 облепихового сока и подсырной сыворотки.

Облепиховый сок обладает высокой пищевой ценностью за счет значительного количества минеральных веществ, витаминов и других биологически активных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма человека. При коагуляции, помимо казеина и сывороточных белков молока, в продукт переходят растворимый пектин и дубильные вещества, за счет которых повышается выход сырного продукта, и улучшаются его органолептические показатели. Полученный продукт отличается тонким ароматом и вкусом, формирующимся за счет химических превращений ароматических веществ молока и используемых коагулянтов

[4].

При определении выхода сгустка В (%) в зависимости от состава коагулянта и рН модель имеет вид

В = (19,61+0,1580Но+0,01063 Но2-0,6787-10-4 Но3) е-0,0006443

Согласно модели (12) ожидается максимальный выход сгустка 20,9 %, при Но = 8,920 (рН=4,4). Коэффициент детерминации R2 = 0,83. Точность S/P = 0,07. Средняя ошибка аппроксимации 5,5 %.

Установлено, что использование в качестве коагулянта облепихового сока в сочетании с творожной или подсырной сывороткой позволяет увеличить выход сгустка до 20 % за счет содержания в сыворотке белков молока. При нагревании молока сывороточные белки денатурируют в присутствии органических кислот и солей кальция, разворачивая свои полипептидные цепи. Получаемые при денатурации комплексы сывороточных белков и казеина захватывают жир и являются основными компонентами, составляющими структуру сыров термокислотного способа осаждения. Выход сгустков, полученных при применении в качестве коагулянта 100 % сока меньше, чем при использовании коагулянтов, в состав которых входит сок и сыворотка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гудков А. В. Сыроделие: технологические, биологические и физико-химические аспекты / Под редакцией С.В.Гудкова. - М.: ДеЛи принт, 2003. -800 с.

2. Кольтюгина, О. В. Разработка технологии поликомпонентных молочных продуктов с облепихой / О. В. Кольтюгина // Вестник Алтайской науки. - № 2-1. - 2013. - С. 73-75.

3. Облепиха и безотходные технологии производства продуктов питания с ее использованием / М. П. Щетинин, О. В. Кольтюгина, Г. А. Лоскутова. - М.: КолосС, 2011. - 176 с. ил.

4. Получение сырного продукта и сывороточного напитка методом термокислотной коагуляции / М. П. Щетинин, О. В. Кольтюгина, М. В. Бычкова // Сыроделие и маслоделие. - № 4. - 2012. - С. 39-40.