CC BY
42
УДК 663.674
Исследование воздушной фазы мороженого, содержащего НФ-концентрат творожной сыворотки
Шохалова Вероника Николаевна, аспирант e-mail: v-shohalova@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Кузин Андрей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе
e-mail: pronich@molochnoe.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Шохалов Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологического оборудования e-mail: v_shohalov@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Костюков Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологического оборудования e-mail: kostukow@gmail.com
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. Исследовано влияние сывороточного концентрата на взбитость и дисперсный состав воздушных пузырьков в мороженом. Построены дифференциальные кривые плотности распределения числа пузырьков по диаметру и определены количественные параметры дисперсности. По полученным данным о размерах частиц рассчитана площадь поверхности воздушных пузырьков в экспериментальных образцах мороженого.
Ключевые слова: мороженое, воздушная фаза, воздушные пузырьки, нано-фильтрация, творожная сыворотка.
Воздух является одним из основных структурных элементов формирующих качественные показатели мороженого. Состояние воздушной фазы в значительной степени определяет органолептические и физические свойства готового продукта. Известно, что дисперсность воздушных пузырьков (их размер находится в пределах от 5 до 300 мкм; оптимальным считается 60 мкм) влияет на несколько структурных параметров: распределение жира и влаги в мороженом, скорость перекристаллизации льда, устойчивость мороженого к таянию и способность сохранять форму [1, 2].
Насыщение и распределение воздуха по объёму мороженого происходит в процессе фризерования. Кроме конструктивных особенностей и параметров работы фризера существенное влияние на степень дисперсности воздушных пузырьков оказывает состав ингредиентов смеси.
Целью настоящей работы явилось исследование воздушной фазы в мороженом, содержащем в рецептуре концентрат творожной сыворотки, полученный методом нанофильтрации (НФ-концентраты).
В ходе проведения исследований были выработаны образцы сливочного мороженого 10 %-ной жирности, в рецептуре которого часть сухого обезжиренного молока была заменена жидким нейтрализованным НФ-концентратом творожной сыворотки [3, 4, 5]. Степень замещения СОМО сухими веществами НФ-концентрата составила 20, 30 и 50 %. Пастеризация, гомогенизация и созревание смеси проводилось в соответствии с режимами, установленными технологической инструкцией по производству мороженого [6].
На первом этапе исследований оценивалась способность смесей, содержащих НФ-концентрат к насыщению воздухом. Для этого приготовленные по рецептурам смеси после созревания фризеровали без принудительной подачи воздуха на фризере периодического действия. В полученных образцах мороженого весовым методом определяли степень взбитости (рис. 1). Как следует из рисунка, взбитость мороженого в образцах с НФ-концентратом вначале повышается, а затем при степени замещения более 35 % - снижается.
О 10 20 30 40 50 60
Степень замещения COMO. %
Рисунок 1. Зависимость взбитости мороженого от степени замещения СОМО НФ-концентратом
На втором этапе смесь фризеровали на пилотной установке GRAM с при-
нудительной подачей воздуха. Взбитость мороженого после фризерования составила 110 %. После хранения мороженого в течение 2 суток при температуре -28 оС в образцах микроскопическим методом (оптическое увеличение х120) определялись размеры воздушных пузырьков [7]. Микрофотографии образцов мороженого представлена на рис. 2.
б) г)
Рисунок 2. Пузырьки воздуха в мороженом с различной заменой СОМО НФ-концентратом творожной
сыворотки: а - контроль; б - 20 %; в - 30%; г - 50 %.
Визуальная оценка микрофотографий раскрывает качественную картину и показывает, что степень дисперсности воздушных пузырьков в образцах с частичной заменой СОМО НФ-концентратом выше, чем в контрольном образце. Для количественной оценки параметров дисперсности были построены дифференциальные кривые плотности распределения числа пузырьков по диаметру и проведён их математический анализ (рис. 3).
Как видно из рисунка кривые плотности распределения имеют одномо-дальный ассиметричный характер со смещёнными максимумами к оси ординат. В качестве математической модели плотности распределения использовалась эмпирическая формула Розина-Раммлера [8]:
Gn(D) = 100 • b • a • Da-1 • e-bDa,
где D - диаметр; a, b - коэффициенты.
Коэффициент a характеризует ширину распределения: чем больше a, тем меньше диапазон размеров частиц и выше степень их однородности. В табл. 1 представлены значения коэффициентов в уравнении, а также значения средних, модальных и медианных диаметров воздушных пузырьков в мороженом с различной степенью замещения СОМО НФ-концентратом творожной сыворотки.
X, x, N, m, K, h, A, c
Рисунок 3. Распределение числа воздушных пузырьков в мороженом в зависимости от диаметра
Таблица 1 - Параметры дисперсности воздушных пузырьков в образцах мороженого с различной степенью замещения СОМО НФ концентратом
№ Степень замещения, % СОМО Dcp, мкм Dm, мкм Dme^ мКм a b-104 R2
1 0 (контроль) 67,10 48,27 63,83 1,742 4,97 0,94
2 20 44,16 38,58 41,93 2,330 1,149 0,90
3 30 54,43 40,63 47,77 2,004 2,99 0,96
4 50 62,37 47,94 58,40 1,907 2,97 0,92
Как следует из таблицы, с увеличением замены СОМО НФ-концентратом средние значения диаметров воздушных пузырьков Dср уменьшаются. При этом наблюдается следующая тенденция. В начале, при степени замены 20 %, Dср резко уменьшается, достигая минимального значения, равного 44,16 мкм. Затем при увеличении дозы добавки НФ-концентрата Dср несколько возрастает и в образце со степенью замещения 50 % достигает значений, соизмеримых с контрольным образцом. Аналогичный характер изменения имеют модальные Dm и медианные Dmed значения диаметров. Оценки медианных диаметров воздушных пузырьков несколько отличаются от оценок их средних диаметров. Наибольшее отличие среднего и медианного диаметров наблюдается у образца с 30 %-ой степенью замещения.
Уменьшение среднего размера воздушных пузырьков при добавлении НФ-концентрата можно объяснить пенообразующей способностью молочной сыворотки. При замене части СОМО сухими веществами сыворотки происходит увеличение массовой доли сывороточных белков, поверхностно-активные свойства которых выражены сильнее, чем у казеина. При взбивании сывороточные белки более интенсивно, чем казеин, флотируют в межфазную поверхность и удерживаются плёнками пенообразной дисперсной системы [9]. Это способствует повышению стабильности пены и уменьшению среднего диаметра воздушных пузырьков.
Некоторое увеличение среднего диаметра пузырьков и снижение взбитости (см. рис. 1) в образцах со степенью замещения более 30 % связано с изменением
вязкости смесей. По мнению ряда авторов при фризеровании смесей с пониженной вязкостью снижается стабильность воздушной фазы, что приводит к увеличению размеров воздушных пузырьков [1]. Как показали ранее проведённые исследования, при увеличении массовой доли замены СОМО НФ-концентратом творожной сыворотки вязкость смеси понижается. Наиболее значительное снижение вязкости смеси (с 292 до 207 Па-с) наблюдается при степени замещения свыше 30 % [10]. Именно в этом интервале отмечается снижение способности смеси к насыщению воздухом и увеличение среднего диаметра воздушных пузырьков.
Снижение размеров воздушных пузырьков влечёт за собой изменение важного параметра - площади поверхности воздушной фазы. На границе раздела фаз воздух-жидкость происходит коалисценция жира и взаимодействие его с эмульгаторами. Площадь поверхности воздушных пузырьков в значительной степени определяет структуру и устойчивость мороженого к таянию. В работе площадь поверхности воздушной фазы определяли расчётным путём в 100 г мороженого [7]. Результаты расчётов, полученные на основе медианных диаметров пузырьков Dmed, представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Площадь поверхности воздушной фазы в образцах мороженого с различной степенью замещения СОМО НФ концентратом
Степень замещения, % СОМО D ., мкм med Объём воздушной фазы, м3^106 Число воздушных пузырьков, 10-8 Площадь поверхности воздушных пузырьков, м2
0 (контроль) 63,83 100 7,34 9,39
20 41,93 100 25,97 13,7
30 47,77 100 17,5 12,57
50 58,40 100 9,6 10,28
Очевидно, что максимальную площадь поверхности имеют образцы с минимальным значением Dmed (степень замещения 20 %). При медианном диаметре 41,93 мкм площадь поверхности возрастает практически на 50 % по сравнению с контрольным образцом. Образующиеся при этом мелкие пузырьки способствуют формированию более прочного каркаса из агломерированного жира, тем самым повышая устойчивость мороженого сохранять форму при таянии. Кроме того, повышение степени дисперсности способствует лучшему распределению жира и влаги и, следовательно, улучшению консистенции и других потребительских свойств мороженого.
Выводы:
Добавление НФ-концентрата влияет на взбитость мороженого.
Установлено, что замена НФ-концентратом до 50 % СОМО снижает размеры воздушных пузырьков. При этом минимальный диаметр и максимальную площадь поверхности имеет образец со степенью замещения 20 %.
Получены коэффициенты в уравнении Розина-Рамблера, адекватно описывающего экспериментальные данные и позволяющего рассчитать различные параметры распределений.
Результаты исследований необходимо учитывать при разработке рецептур мороженого с использованием НФ-концентратов творожной сыворотки.
Список литературных источников:
1. Гофф, Г.Д. Мороженое/ Г.Д. Гофф, Р.У Гартел. - СПб.: Профессия, 2016. - 540
с.
2. Оленев, Ю.А. Справочник по производству мороженого / Ю.А. Оленев, А.А.Творогова, Н.В.Казакова, Л.Н.Соловьева. - М.: ДеЛи принт, 2004. - 798 с.
3. Шохалова, В.Н. Нанофильтрация творожной сыворотки: теоретические и практические аспекты / В.Н. Шохалова [и др.] // Молочная промышленность. -2014. - №11. - С.65-66.
4. Патент RU 2597964 Российская Федерация МПК А23С 21/10 Способ определения количества раствора щелочи для нейтрализации НФ-концентратов творожной сыворотки [Текст] / Шохалов В.А., Кузин А.А., Дыкало Н.Я., Шохалова В.Н., Анисимов Г.С.; заявитель Вологодская государственная молочно-хозяйственная академия им. Н.В. Верещагина.
5. Дыкало, Н.Я. Нейтрализация НФ-концентратов творожной сыворотки / Н.Я. Дыкало [и др.] // Молочная промышленность. - 2016. - № 9. - С.64-65.
6. Типовая технологическая инструкция ТТИ ГОСТ Р 52175-001 / Белозеров Г.А., Творогова A.A., Сорокина Л.В., Борисова О.С., Казакова Н.В., Лагуткина И.А., Турбина И.А. - М.: Связь-Принт, 2004. - 181 с.
7. Творогова, А.А. Теоретическое и экспериментальное обоснование формирования и стабилизации структуры мороженого: дис. ... д-ра техн. наук : 05.18.04 / Творогова Антонина Анатольевна. - Москва, 2006. - 352с.
8. Коузов, П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов / П.А.Коузов. - Л. : Химия, 1987. - 264с.
9. Храмцов, А.Г. Феномен молочной сыворотки / А.Г.Храмцов. - СПб.: Профессия, 2011. - 804 с.
10. Шохалова, В.Н. Реологические характеристики смесей мороженого, содержащих НФ-концентраты творожной сыворотки / В.Н. Шохалова [и др.] // Молочная промышленность. - 2016. -№ 5. - С. 66-68.
References:
1. Goff G.D., Gartel R.U. Morozhenoe [Ice-Cream]. SPb., Professiya Publ., 2016. 540
P.
2. Olenev Yu.A., Tvorogova A.A., Kazakova N.V., Solov'eva L.N. Spravochnik po proizvodstvu morozhenogo [Ice-Cream Production Guide]. Moscow, DeLi print Publ., 2004.798 p.
3. Shokhalova V.N. and others. Nanofiltration of curd whey: theoretical and practical aspects. Molochnaya promyshlennost' [Dairy Industry], 2014, no. 11, pp. 65-66. (In Russian)
4. Shokhalov V.A., Kuzin A.A., Dykalo N.Ya., Shokhalova V.N., Anisimov G.S. Sposob opredeleniya kolichestva rastvora shchelochi dlya neytralizatsii NF-kontsentratov tvorozhnoy syvorotki [Tekst] [Method for Determination of Alkali Solution Amount for Neutralization of Curd Whey NF-Concentrates [Text]]. Patent RF, no. 2597964, IPC A23S 21/ 10.
5. Dykalo N.Ya. and others. Neutralization of curd whey NF-concentrates. Molochnaya promyshlennost' [Dairy Industry], 2016, no. 9, pp. 64-65. (In Russian)
6. Belozerov G.A., Tvorogova A.A., Sorokina L.V., Borisova O.S., Kazakova N.V., Lagutkina I.A., Turbina I.A. Tipovaya tekhnologicheskaya instruktsiya TTI GOST R 52175-001 [Typical Technological Instruction TTI State Standards R 52175-001].
Moscow, Svyaz'-Print Publ., 2004.181p.
7. Tvorogova A.A. Teoreticheskoe i eksperimental'noe obosnovanie formirovaniya i stabilizatsii struktury morozhenogo. Dokt, Diss. [Theoretical and Experimental Substantiation of Ice-Cream Structure Formation and Stabilization]. Moscow, 2006. 352 p.
8. Kouzov P.A. Osnovy analiza dispersnogo sostava promyshlennykh pyley i izmel'chennykh materialov [Fundamentals of Analysis of Industrial Dusts and Crushed Materials Size-Consist]. L., Khimiya Publ., 1987. 264p.
9. Khramtsov A.G. Fenomen molochnoy syvorotki [The Milk Whey Phenomenon]. SPb., Professiya Publ., 2011. 804 p.
10. Shokhalova V.N. and others. Rheological characteristics of ice-cream mixtures containing NF curd whey concentrates. Molochnaya promyshlennost' [Dairy Industry], 2016, no. 5. pp. 66-68. (In Russian)
Investigation of Ice-Cream Air Phase with a Curd Whey
NF Concentrate
Shokhalova Veronika Nikolaevna, post-graduate student e-mail: v-shohalova@mail.ru
The Federal State Budgetary Education Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kusin Andrey Alekseevich, Candidate of Sciences (Technics), associate professor, vice-chancellor of Scientific Research Department e-mail: pronich@molochnoe.ru
The Federal State Budgetary Education Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Shokhalov Vladimir Alekseevich, Candidate of Sciences (Technics), associate professor of the Dairy Equipment Chair e-mail: v_shohalov@mail.ru
The Federal State Budgetary Education Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kostyukov Evgeniy Mihailovich, Candidate of Sciences (Technics), Associate Professor of the Dairy Equipment Chair e- mail:kostukow@gmail.com
The Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract: The whey concentrate influence on ice-cream overrun and air bubbles size-consist has been studied. Differential curves for the density distribution of bubbles in diameter have been constructed and the quantitative variables of particle size have been determined. According to the obtained data on particle sizes the air bubbles surface area in the experimental ice-cream samples has been calculated.
Keywords: ice-cream, air phase, air bubbles, nanofiltration, curd whey.
