CC BY
76
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
ТЕМА НОМЕРА
УдК 663.81
оптимальные режимы гомогенизации соков для детского питания
Н. П. Дубодел,
д-р техн. наук, профессор; М. И. Победа,
аспирант
ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности
Консистенция — одна из важных качественных характеристик соков и нектаров с мякотью, которые изготавливают из фруктовых и овощных пюре, получаемых путем измельчения и (или) протирания съедобных частей фруктов и овощей [1] на протирочных машинах с диаметром отверстий 1,2 мм у первого сита и от 0,6 до 0,4 мм — у второго [2]. Для обеспечения необходимого качества измельчения проводят гомогенизацию соков и нектаров с мякотью.
В пищевой промышленности используют несколько типов гомогенизаторов: «ротор-статор» (зубчатая коллоидная мельница, дисковая корундовая мельница, диспергатор с зубчатым венцом) или «ротор-ротор» (дезинтегратор с двойным ротором) [2]. Самый распространенный для измельчения соков и нектаров с мякотью — гомогенизатор клапанного типа, который также используют для гомогенизации молока и молочных продуктов. Процесс гомогенизации в данном случае представляет собой продавливание продукта через узкое отверстие под давлением 10001500 psi (7-10 МПа) и температуре около 66 °С [3]. При прохождении сока по узкому каналу его скорость возрастает до тех пор, пока статическое давление не снизится до уровня, при котором жидкость закипает. Когда сок покидает щель, скорость резко снижается, а давление возрастает. При этом кипение прекращается, а паровые пузырьки мгновенно конденсируются, вызывая гидравлический удар и разрушая частицы мякоти.
Особенно важно гомогенизировать соки для детского питания. У
детей раннего возраста функция пищеварения еще недостаточно развита, и они не могут усваивать более густую пищу, нежели грудное молоко [4]. Жидкая консистенция продукта обеспечивает более легкое восприятие и помогает осуществить переход от молочного к смешанному типу питания [5].
Качество измельчения соков с мякотью для детского питания должно соответствовать следующим требованиям: количество частиц мякоти с размером более 150 мкм не должно превышать 30%, из них размером свыше 300 мкм должно быть не более 7% от общего количества мякоти [6].
Для контроля качества измельчения разработан метод определения количества частиц мякоти размером более 150 мкм и 300 мкм микрокопированием по ГОСТ 24283-80 [7]. Однако он не нашел широкого применения, поскольку предусматривает самостоятельное изготовление и использование нестандартной счетной проточной камеры, отсутствующей в свободной продаже. Производители детского питания используют рекомендуемые поставщиками оборудования режимы гомогенизации для обеспечения требуемого распределения размеров частиц в продуктах. Однако нами не было найдено подтверждение в литературных источниках, что они являются оптимальными.
Высокое давление служит причиной того, что гомогенизаторы потребляют значительное количество электроэнергии и отличаются большой металлоемкостью. Зависимость
22 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2015
4000
2500
2000
500
MI/ I 11 ^ f~\ l_J A П1_ UL I r^ LIA П 1ДТ1/ l Л ппа АГ1Т1ЛК1 д П L |_J f~\ ПI л T AU IЛ П
ФУНКЦИОИАЯЬНЫЕНАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГОПИТАНИЯ
ооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооо
СО^ЮООгНгНгНт-НгНт-НгНгНгНгНгНгНт-НгНт-НгНт-НгНгНгНгНгНгНт-НгНт-НгНгНгНгНгНгНт-НгНт-НгНт-НгНгНгНгНгНгНт-НгН д
ОС^^ЮСООС^^ЮСООС^^ЮСООС^^ЮСООС^^ЮСООС^^ЮСООС^^ЮСООС^^ЮСООС^х^ЮСО
Размер частиц, мкм — Персиковый нектар — Яблочный нектар — Томатный сок
Рис. 1. Распределение размеров частиц в томатном соке, персиковом и яблочном нектарах, выбранных для исследования
0
1 <
§
ш I-
между потребляемой мощностью и давлением гомогенизации рассчитывают по формуле [8]:
„ Q. (P. - P. )
С — ^гп 1_in
36 000 п п t
lpump 'motor
где E — мощность, кВт; Q — производительность гомогенизатора, дм3/ч; P — давление гомогенизации, бар; P — давление на входе в гомогенизатор, бар (обычно 2 бар); п — КПД насоса (обычно 0,85);
'pump ^ \
nmotor — КПД мотора (обычно 0,95).
В условиях растущих цен на энергоносители любая возможность экономии электроэнергии является первоочередной задачей. Таким путем может быть снижение давления гомогенизации. Каждый 1 МПа сниженного давления экономит около 8,5 МДж энергии на линии производительностью 7000 дм3/ч.
Менее 1 % энергии идет на гомогенизацию (измельчение), большая часть преобразуется в теплоту. Каждые 4 МПа давления дают прирост температуры продукта на 1 °С [8]. Известно, что нагревание в процессе производства соков негативно влияет на их органолептические свойства
[2], поэтому необходимо стремиться снизить температуру продукта на входе в гомогенизатор.
Цель данного исследования — определение оптимальных режимов гомогенизации, обеспечивающих требуемое качество измельчения детских соков с мякотью, при снижении давления гомогенизации с экономией энергозатрат и уменьшения температуры для сохранения органо-лептических свойств продукта.
Исследование проводили на линии Tetra Pak по общепринятой технологии производства соков в пакеты из комбинированных материалов на основе бумаги или картона, полиэтиленовой пленки и алюминиевой фольги.
Для гомогенизации использовали клапанный гомогенизатор модели Tetra Alex 30, основные узлы которого — насос высокого давления и гомогенизирующая головка.
В качестве объектов исследования были выбраны наиболее распространенные соки и нектары с мякотью: яблочный и персиковый нектары и томатный сок. На рис. 1 приведено распределение размеров частиц в этих продуктах. Наибольшее количество крупных частиц (размером
более 1 мм) содержали томатный сок и яблочный нектар. Персиковый нектар характеризовался наибольшим содержанием частиц средних размеров (от 0,3 до 1 мм). Яблочный нектар отличался низким количеством мелких частиц размером менее 0,3 мм. Таким образом, по гранулометрическому составу исследуемые продукты находились на разных уровнях.
Используя математическое планирование многофакторного эксперимента, исследовали влияние трех факторов на качество гомогенизации соков и нектаров для детского питания: давление гомогенизации; температура продукта в процессе деаэрации, предшествующей гомогенизации, и продукт, отличающийся по размеру частиц. Их регулировали в соответствии с уровнями трех факторов для оценки их влияния на качество гомогенизации соков с мякотью (табл. 1).
Выбор исследуемых значений давления и температуры основан на рекомендованных режимах гомогенизации соков [3] и реальных параметрах, используемых в производстве продукции консервной промышленности. Все остальные технологические режимы оставались неизменными в
3500
3000
1500
1000
0
2015
ПИВО и НАПИТКИ 23
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕНАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГОПИТАНИЯЯ
0
1 <
§
ш h
Таблица 1
Фактор Количество уровней Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3 Уровень 4 Уровень 5
Давление гомогенизации, МПа 5 1 2,5 4,5 7 9,5
Температура продукта, °С 3 60 65 70 — —
Продукт 3 Персиковый нектар с мякотью Яблочный нектар с мякотью Томатный сок с мякотью — —
Номер теста Давление гомогенизации, МПа (х1) Температура продукта, °С Продукт Относительное содержание частиц мякоти размером более 150 мкм в конечном продукте, % (У1) Относительное содержание частиц мякоти размером более 300 мкм в конечном продукте, % (у2)
1 2,5 60 Томатный 33,1 5
2 9,5 65 Яблочный 13,8 0,9
3 9,5 70 Персиковый 4,9 0,4
4 4,5 70 Томатный 19,3 2,3
5 9,5 60 Персиковый 5,3 0,5
6 7 60 Персиковый 6,8 0,7
7 4,5 60 Персиковый 7,2 1
8 9,5 60 Томатный 16 0,6
9 4,5 65 Персиковый 6,9 0,8
10 2,5 70 Яблочный 27,4 8,1
11 2,5 60 Яблочный 30,2 8,3
12 4,5 65 Персиковый 6,9 0,9
13 7 65 Томатный 16,2 1,5
14 4,5 70 Томатный 19,2 2,5
15 7 60 Яблочный 15 1,3
16 2,5 70 Персиковый 7,2 1,3
17 4,5 65 Персиковый 6,9 0,8
18 4,5 65 Яблочный 18,2 2,8
19 7 70 Яблочный 14,6 1,1
20 1 65 Томатный 35,1 7,0
процессе исследования и соответствовали рекомендуемым производителем оборудования значениям.
Для математического моделирования эксперимента и оптимизации режимов гомогенизации использовали метод поверхности отклика (Response Surface) с помощью компьютерной программы Design-Expert 8.0.7.1.
Качество измельчения определяли путем измерения распределения размеров частиц мякоти на высокоскоростном анализаторе изображений QICPIC (Sympatec Inc., Клаусталь-Целлерфельд, Германия), в котором с помощью высокоскоростной CMOS фотокамеры, разрешением 4,2 млн пикселей, со скоростью 20 кадров в секунду регистрировалось количество частиц с определенным размером, прошедших через измерительную кювету. Снятые камерой изображения частиц обрабатывались с
24 ПИВО и НАПИТКИ 4 • 2015
Таблица3
Таблица 2
Факторы P-значение
У1 У2
Х1 < 0,0001 < 0,0001
Х2 0,0026 0,3412
Х3 < 0,0001 < 0,0001
*Л 0,0910 0,7190
Х1Х3 0,0169 0,0037
0,1779 0,9993
x2 0,0036 —
x2 0,7430 —
помощью программного обеспечения Windox 5.0.
План эксперимента состоял из 17 тестирований (табл. 2) с разными значениями исследуемых факторов и 3-х повторностей для анализа влияния случайных факторов (всего 20 тестирований).
В программе Design-Expert провели анализ полученных значений (табл. 2) относительного содержания частиц мякоти размером более 150 мкм и 300 мкм в конечном продукте. Используя тест потери согласия (lack-of-fit), установлено, что для описания относительного содержания частиц мякоти размером более 150 мкм наиболее адекватной служит квадратичная модель, а для описания относительного содержания частиц мякоти размером более 300 мкм — двухфакторная модель.
Для оценки влияния факторов, а также межфакторного взаимодей-
ствия, провели дисперсионный анализ данных (ANOVA). Приведенные в табл. 3 р-значения показывают статистическую значимость влияния факторов, а также межфакторного взаимодействия. Для температуры в случае с откликом у2 р-значение выше 0,05, и можно сделать вывод о ее слабом влиянии на относительное содержание частиц мякоти размером более 300 мкм. Также обнаружено ее слабое межфакторное взаимодействие с другими факторами х х ,
Х2Х3.
На основании установленных коэффициентов регрессии выведены уравнения, описывающие зависимость содержания частиц мякоти размером более 150 мкм и 300 мкм от влияющих факторов:
• для яблочного нектара с мякотью
у1 = 113,5860 - 1,0608х1 - 1,7438х2 + + 0,0075х1х2 + 0,0030х2 + 0,0095х22,
у2 = 2,8431 - 0,0221х1 -
- 0,0006х2 - 0,0002х1х2;
• для персикового нектара с мякотью
у1 = 111,8996 - 0,9276х1 - 2,0288х2 + + 0,0075х1х2 + 0,0030х2 + 0,0095х22,
у2 = 0,6475 - 0,0221х1 -
- 0,0017х2 - 0,0002х1х2;
• для томатного сока с мякотью
у1 = 140,5826 - 1,0487х1 - 2,1473х2 + + 0,0075х1х2 + 0,0030х2 + 0,0095х22, у2 = 2,3780 - 0,0171х1 -
- 0,0015х2 - 0,0002х1х2.
В графическом виде уравнения представлены на рис. 2.
На рис. 2 показано, что для яблочного нектара и томатного сока чем
а
Томатный сок с мклм | Персиковый нектар е мйитий j Яблочный нектар с накотью
I
Рис. 2. Зависимость содержания частиц размером более 15 мкм (а) и более 300 мкм (б) в конечном продукте от различных факторов
больше давление гомогенизации, тем меньше содержание крупных частиц мякоти в готовом продукте. Для персикового нектара повышение давления практически не влияет на качество гомогенизации. Таким образом, разные продукты различаются по способности мякоти разрушаться под внешним воздействием. Несмотря на наибольшее исходное содержание частиц размером от 0,3 мм до 1 мм, в персиковом нектаре достаточно применить давление 1 МПа, чтобы практически полностью разрушить частицы размером более 0,3 мм.
Основная задача нашего эксперимента сводилась к нахождению таких значений давления и температуры гомогенизации, при которых относительное содержание частиц более 150 мкм и более 300 мкм в готовом продукте не превышает 30 и 7% соответственно, при этом температура и давление стремились к минимуму:
У1 < 30 %, У2 < 7 %, x — min,
В результате анализа при помощи компьютерной программы Design-Expert получены следующие оптимальные значения режимных параметров для исследованных продуктов:
• температура 60 °С;
• давление 3,5 МПа для яблочного нектара, 3 МПа для томатного сока и 1 МПа для персикового нектара.
В настоящее время при производстве персикового нектара с мякотью для детского питания на линии производительностью 7000 дм3/ч применяется давление гомогенизации 9,5 МПа. Используя наши рекомендации, можно сэкономить около 300 МДж электроэнергии.
Выводы. Таким образом, на основе статистического анализа данных, выявлены наиболее значимые факторы, а также межфакторные взаимодействия, влияющие на процесс гомогенизации соков и нектаров с мякотью для детского питания. Получены математические зависимости, позволяющие создать готовый продукт с заданными свойствами.
Математическая модель, разработанная с использованием компьютер-
ной программы Design-Expert, позволила определить оптимальное давление гомогенизации для достижения требуемого для детского питания качества измельчения: не менее 3 МПа для продуктов с трудно разрушаемой мякотью (таких как яблочный нектар или томатный сок) и не менее 1 МПа для остальных продуктов (таких как персиковый нектар).
Эти результаты могут помочь производителям продуктов для детского питания снизить затраты электроэнергии за счет снижения давления гомогенизации при производстве соков и нектаров с мякотью. Каждый 1 МПа сниженного давления гомогенизации позволит сэкономить около 8,5 МДж энергии на линии производительностью 7000дм3/ч.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технический регламент на соковую продукцию из фруктов и овощей» ТР ТС 023/2011.
2. Шобингер, У. Фруктовые и овощные соки: научные основы и технологии / пер. с нем. под общ. науч. ред. А. Ю. Колеснова, Н. Ф. Берестеня и А. В. Орещенко. — СПб.: Профессия, 2004.
x —■ min.
4 • 2015
ПИВО и НАПИТКИ 25
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕНАПИТКИ для ОПТИМАЛЬНОГОПИТАНИЯЯ
0
1 <
§
ш h
3. Gould, W. A Tomato Production, Processing and Technology [Технология переработки томатов] , 3rd ed. Baltimore (ISBN 0-930027-18-3): CTI Publications Inc., 1992, p. 210.
4. Денисов, М. Ю. Острые пищеварительные расстройства у детей грудного возраста при введении прикорма /М. Ю. Денисов // Вопросы современной педиатрии. — 2012. — 5 (11). — С. 98-103.
5. Сорвачева, Т. Н. Роль соков в питании детей грудного возраста / Т. Н. Сорвачева, Е. А. Пырьева // Вопросы современной педиатрии. — 2008. — 3 (7). — С. 95-98.
Оптимальные режимы гомогенизации соков для детского питания
Ключевые слова
гомогенизация; детское питание; нектар; фруктовый сок.
Реферат
Консистенция — одна из важных качественных характеристик соков и нектаров с мякотью, особенно для детского питания. Для придания требуемых свойств частицы мякоти подвергают измельчению в гомогенизаторе. Цель работы: определить оптимальные режимы гомогенизации, обеспечивающие требуемое качество измельчения детских соков с мякотью, при минимальных давлении (с целью экономии электроэнергии) и температуре (для сохранения органолептических свойств продукта). Работы выполняли на линии Tetra Pak по производству соков в пакеты из комбинированных материалов. Определяли влияние температуры и давления гомогенизации на относительное содержание частиц мякоти размером более 150 мкм и 300 мкм в трех продуктах: яблочном нектаре, персиковом нектаре и томатном соке. В результате исследования рассчитаны математические зависимости, позволяющие создать готовый продукт с заданными свойствами. Установлены оптимальные режимы гомогенизации — температура 60 °С, давление 3,5 МПа для яблочного нектара, 3 МПа для томатного сока и 1 МПа для персикового нектара. Эти результаты могут помочь производителям достичь требуемого для детского питания качества измельчения и снизить затраты электроэнергии за счет снижения давления гомогенизации при производстве соков с мякотью. Каждый 1 МПа сниженного давления гомогенизации позволит сэкономить около 8,5 МДж энергии на линии производительностью 7000 дм3/ч.
Авторы
Дубодел Нина Павловна, д-р техн. наук, профессор; Победа Максим Иосифович, аспирант ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности, 119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, m_pobeda@mail.ru
6. Конь, И. Я. Плодоовощные соки и пюре в питании детей первого года жизни: современные подходы / И. Я. Конь, В. И. Курко-ва, О. В. Георгиева // Вопросы современной педиатрии. — 2004. — 2 (3). — С. 4448.
7. ГОСТ 24283-80. Консервы гомогенизированные для детского питания. Метод определения качества измельчения.
8. Bylund, G. Dairy Processing Handbook [Руководство по производству молока], Second edition. Tetra Pak Processing Systems AB. Chapter 6.3. (S
Optimal Modes of Juice Homogenization for Baby Nutrition
Key words
homogenization; infant food; nectar; fruit juice.
Abstract
Consistency is one of the most important quality parameter of juices and nectars with pulp, especially for baby food. Required property may be achieved through pulp grinding by homog-enizer. The objective of this research was to determine optimal conditions of homogenization which ensure required consistency at minimal pressure for energy saving and minimal temperature to save sensory product characteristics. The influence of temperature and pressure of homogenization on relative content of particles larger than 150 pirn and 300 pirn was analyzed for apple nectar, peach nectar and tomato juice aseptically packaged by Tetra Pak standard line. As a result, the mathematical model was created and it will allow getting product with desired properties. Optimal homogenization conditions are temperature 60 °C, pressure 3.5 MPa for apple nectar, 3 MPa for tomato juice and 1 MPa for peach nectar. These results will help juice producers to achieve desired for baby food quality and reduce energy costs during pulpy products production. Every 1 MPa homogenization pressure reducing will save about 8.5 MJ of electricity at the line capacity of 7000 l/h.
Authors
Dubodel Nina Pavlovna,
Doctor of Technical Science, Professor;
Pobeda Maxim Iosiphovich,
Post-graduate Student
All-Russian Research Institute of Brewing,
Beverage and Wine Industries,
7 Rossolimo St., Moscow, 119021, Russia,
m_pobeda@mail.ru
Открыт первый портал о соках
В июне 2015 г. Российский союз производителей соков открыл портал vseosoke.ru.
Первый портал о соках создан в формате женского журнала с популярными рубриками о красоте и здоровье, диете, психологии, путешествиях.
Рубрика «Важно при покупке» представляет основы потребительской азбуки: на что следует обращать внимание при покупке соков, как правильно читать маркировку на упаковке с соковой продукцией.
Калькулятор калорий покажет не только калорийность сока, но и рассчитает суточную потребность витаминов и минералов, которую вы с ним получите.
Подборка рецептов поможет начинающим и продвинутым кулинарам — ведь соки можно использовать в приготовлении различных блюд: от соусов до десертов.
Посетители сайта могут задать вопрос диетологу, а на странице «день сока», посвященной международному празднику, можно принять участие в конкурсах и голосовании за свой любимый сок.
«Соки — источник пищевых и биологически активных веществ, необходимых для организма человека. Поэтому на портале vseosoke.ru мы рассказываем не только о составе фруктовых и овощных соков, но и затронули темы, связанные со здоровым питанием. Рубрика «диета» будет пополняться статьями специалистов по вопросам питания. Мы стремились к тому, чтобы сайт стал наиболее полным и достоверным источником информации о соках», — говорит президент Российского союза производителей соков Наталья Иванова.
Антон Чуйко, руководитель отдела web-проектов компании-разработчика «Первый БиТ»: «Задача по созданию портала о соках оказалась нетривиальной: такой сайт не является ни сайтом-визиткой, ни корпоративным сайтом, ни магазином. Мы нашли решение, в котором общению с потребителями соков уделено большое внимание. Это и расчет полезных веществ в стакане сока, и голосование за любимый сок, и возможность задать вопрос диетологу. Безусловно, ресурс должен пользоваться большой популярностью, ведь только теперь все самое интересное о соках собрано в одном месте — http://vseosoke.ru».
Портал о соках рассчитан на широкую аудиторию посетителей.
26 ПИВО и НАПИТКИ
4 • 2015
