CC BY
20
УДК 532.785:637.1/.3:664(045)
Совершенствование методологии оценки консистенции продуктов, склонных к спонтанной кристаллизации Сахаров
А. Е. Рябова, канд. техн. наук; С.А. Хуршудян, д-р техн. наук, профессор; В.К. Семипятный, канд. техн. наук ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Москва
Реферат
Основным технологическим процессом в изготовлении сгущенных молочных консервов с сахаром является кристаллизация лактозы. От качества и характера этого процесса зависит однородность и бархатная консистенция конечного продукта. Для полного соответствия технологическим требованиям в одном кубическом миллиметре продукта должно находиться не менее 400 тыс. кристаллов лактозы с ограничением линейных размеров в 10 мкм. Для расширения диапазонов принятых оценочных критериев в работе представлены данные по зависимости органолептических показателей сгущенных консервов с сахаром на молочной основе в зависимости от размеров кристаллов лактозы, а также рассмотрена классическая методика определения коэффициента однородности по формуле Фигуровского. В случае, когда она не применима, представлен усовершенствованный математический аппарат методологии оценки эффективности кристаллизации с получением критериального показателя однородности от 0 до 1. Он определяет коэффициент однородности по следующим показателям: среднему значению размеров кристаллов лактозы; линейному размеру кристаллов; числу интервалов; скорректированной частоте встречаемости кристаллов в интервале. Последний показатель рассчитывается из базовой частоты с учетом коэффициента, равного среднеквадратическому отклонению размеров кристаллов. Формулы выдают наилучший (максимально однородный) и наихудший (две группы кристаллов с равными частотными характеристиками, размерами 4 мкм и 25 мкм) случаи распределения кристаллов лактозы, которым были присвоены пограничные значения 1 и 0 на шкале критерия однородности соответственно. Далее указана связь этого показателя с четырьмя группами кристаллов по порокам консистенции (однородная, слабомучнистая, мучнистая, песчаная), а также даны области детализации оценочного критерия в соответствии с функцией желательности Харрингтона для того, чтобы непрерывно заполнить диапазон получаемых значений. Разработано и предложено программное обеспечение и дана графическая интерпретация уровней желательности, позволяющая создавать экспериментальную базу данных размеров кристаллов и получать оценки кристаллизации для всего объема выпускаемой продукции.
Ключевые слова
кристаллизация; лактоза; сгущенные молочные продукты; функция желательности Харрингтона Цитирование
Рябова А.Е., Хуршудян С.А., Семипятный В.К. (2018) Совершенствование методологии оценки консистенции продуктов, склонных к спонтанной кристаллизации сахаров // Пищевая промышленность. 2018. № 12. С. 74-76.
Improving the methodology for evaluating the consistency of products prone to spontaneous crystallization of sugars
A. E. Ryabova, Candidate of Technical Sciences; S. A. Hurshudyan, Doctor of Technical Sciences, Professor; V. K. Semipyatnyj, Candidate of Technical Sciences
All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Non-Alcoholic and Wine Industry - a branch of the Gorbatov's Federal Scientific Center for Food Systems of RAS, Moscow
Abstracts
The main process in the manufacture of canned condensed milk with sugar is the crystallization of lactose. The uniformity and velvet consistency of the final product depends on the quality and nature of this process. To fully comply with the technological requirements in a single cubic millimeter of the product should be at least 400 thousand lactose crystals with a limited linear dimensions of 10 microns. To expand the ranges of accepted evaluation criteria, the paper presents data on the dependence of the organoleptic indicators of condensed canned sugar on a milk basis, depending on the size of lactose crystals, and also considers the classical method of determining the uniformity coefficient using the Figurovsky formula. In the case when it is not applicable, an improved mathematical apparatus is presented for evaluating the efficiency of crystallization with obtaining a criterion homogeneity index from 0 to 1. It determines the homogeneity coefficient by the following indicators: the average size of lactose crystals; the linear size of the crystals; the number of intervals; corrected frequency of occurrence of crystals in the interval. The latter indicator is calculated from the base frequency, taking into account a coefficient equal to the standard deviation of crystal sizes. The formulas give the best (maximum homogeneous) and worst (two groups of crystals with equal frequency characteristics, 4 |m and 25 |m in size) cases of distribution of lactose crystals, which were assigned the boundary values 1 and 0 on the homogeneity criterion scale, respectively. The following indicates the relationship of this indicator with four groups of crystals consistency blemishes (homogeneous, weakly powdery, powdery, sandy), and also gives areas of detail of the evaluation criterion in accordance with the function of Harrington's desirability in order to continuously fill the range of the obtained values. Software has been developed and proposed and a graphical interpretation of levels of desirability has been given, which allows creating an experimental database of crystal sizes and obtaining crystallization estimates for the entire volume of output.
Key words
condensed milk; crystallization; Harrington desirability function; lactose Citation
Ryabova A.E., Hurshudyan S.A., Semipyatnyj V.K. (2018) Improving the methodology for evaluating the consistency of products prone to spontaneous crystallization of sugars // Food processing industry = Pisshevaya promyshkennost'. 2018. № 12. P. 74-76.
Обеспечение населения качественными продуктами питания в востребованном ассортименте и количестве является актуальной народнохозяйственной задачей. Априори в реализации соответствующих социально-экономических программ важное место занимает продукция молочной промышленности. А с учетом географических особенностей и климатических условий России, стратегических соображений, сложившейся фрагментации потребительского рынка и экономических факторов особое значение приобретают исследования, направленные на совершенствование традиционных технологий молочных консервов как высокопитательных продуктов с выраженным приоритетом повышенной хранимоустойчи-вости.
При производстве сгущенных консервов с сахаром на молочной основе одним из главных технологических процессов является кристаллизация лактозы, заключающаяся в создании условий для массового формирования и последующего регулируемого роста кристаллов [1-3]. Принято, что для формирования однородной консистенции продукта необходимо иметь в 1 мм3 не менее 400000 кристаллов с ограничением линейных размеров - не более 10 мкм [1, 4-7]. При соблюдении этих параметров наличие кристаллов лактозы органолептически не ощущается и продукт характеризуется «бархатистой» консистенцией. Соответственно кристаллизацию лактозы с такими показателями принято оценивать как массовую и однородную, а консистенцию продукта - отвечающую требованиям, предъявляемым к сгущенным молочным продуктам с сахаром соответствующими нормативными документами.
На сегодняшний день линейные размеры кристаллов лактозы в исследуемых образцах сгущенных молочных продуктах с сахаром принято определять микроскопированием по методике Л.В. Чекулаевой при увеличении в 600 раз [1, 2, 7].
При этом средний размер кристаллов находится по формуле:
(1)
где Д - среднее значение размера кристаллов лактозы, мкм; п - частота кристаллов; а - линейный размер кристаллов, мкм.
Коэффициент однородности кристаллизации и определяется по формуле Н. Фигуровского:
Г?
QUALITY AND SAFETY
где Да - предел размера кристаллов, мкм; V - расхождение данного размера со средним, мкм.
Ориентировочное количество кристаллов лактозы в 1 мм3 продукта устанавливают по среднему размеру кристаллов лактозы в соответствии со справочными данными [1, 2].
Анализ методологической базы и фактические результаты исследований показали, что отсутствие однозначных критериев оценки коэффициента однородности (максимального и промежуточных значений с их интерпретацией), а также возможности получения значения разницы расхождения (V) размера кристалла со средним равным 0, предполагает наличие ситуаций, когда соответственно применение формулы Н. Фигуровского неинформативно или невозможно. В связи с этим усовершенствован математический аппарат методологии и разработано программное обеспечение (ПО).
Усовершенствованный математический аппарат методологии оценки эффективности кристаллизации
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
представлен ниже.
д =
_ jWgigj
у N
f-Ntf
и =
Пример распределения размеров кристаллов
a m s n a m s n
4 5 3 10 16 5 3 10
6 5 2 8,66 18 5 4 11,18
8 5 1 7,07 20 5 5 12,25
а„ = 10 5 0 5 22 5 6 13,22
12 5 1 7,07 24 5 7 14,14
14 5 2 8,66 25 5 8 15
где и - коэффициент однородности; Д - среднее значение размера кристаллов лактозы, мкм; а! -линейный размер кристаллов, мкм;
0 - среднеквадратичное отклонение размеров кристаллов, мкм; к - число интервалов; N - число кристаллов;
- частота кристаллов в [а!; а+Да]; п - скорректированная частота кристаллов в [а^ а+Да]; Да ~ шаг дискретизации; б - количество интервалов в промежутке от заданного размера до эталонного (пример в табл.
1 при а0=10 мкм, а0 - эталонный (искомый) размер).
Предлагаемая методология определяет значение коэффициента однородности в интервале от 0 до 1. С учетом фактического диапазона а1 для сгущенного молока с сахаром и при допущении, что наихудшее распределение достигается при наличии равнозначного количества кристаллов минимального (4 мкм) и максимального (25 мкм) размеров, получен нижний предел 0,16 - абсолютно неоднородное, а 1 - абсолютно однородное распределение. На рис. 1 представлена соответствующая граница минимальных значений однородности при фрагментации кристал-
10
o.s ZD
s
и 0 1
|
I
О
I
i
0.2
1 3 -1
Группа кристаллов
Рис. 1. Кривая минимальной однородности и область актуальных значений при фрагментации кристаллов на 4 группы
КАЧЕСТВО И БЕЗОПАСНОСТЬ
5. Rjabova, A.E. Lactose crystallization: current issues and promising engineering solutions/A.E. Rjabova [et al.] // Food and Raw Materials. - 2013. - T. 1. - № 1. -C. 66-73. DOI 10.12737/1559
6. Гнездилова, А.И. Развитие научных основ кристаллизации лактозы и сахарозы в многокомпонентных водных растворах. Дисс. д. т. н. - Вологда, 2000.- 490 с.
7. Петров, А. Н. Производство молочных консервов: инновации в формировании свойств сырья/А. Н. Петров [и др.] // Молочная промышленность. -2010. - № 5. - С. 74-77.
8. Фетисов, Е.А. Планирование и анализ результатов технологических экс-периментов/Е.А. Фетисов [и др.]. - М.: Сталинград, 2015. - 98 с.
лов на 4 группы по существующим порокам консистенции, связанным с размерами кристаллов лактозы, сгущенных молочных продуктов (I однородная - 4,6.10 мкм; II слабомучнистая - 12,14 мкм; III мучнистая -16,18.24 мкм; IV песчанистая > 25 мкм). При этом максимальные значения неоднородности по указанным группам устанавливались по минимальной точке первой группы (4 мкм) и наибольшему значению размера кристалла каждой группы соответственно. Таким образом, получена область (затемненная часть рисунка) актуальных значений.
Для детализации значений интервала и их оценочных критериев дополнительно задействована функция желательности Харрингтона [8]. При этом применены следующие значения признак-коэффициента: минимуму 0,16 - соответствует значение частной функции желательности 0,0001; максимуму 0,9999 - соответствует значение частной функции желательности 0,9999. Остальные критерии 0,8000-0,435; 0,63210,3805 и 0,3679-0,3231 получены с применением двоичного поиска. Для организации систематизированного анализа и накопления базы данных разработано программное обеспечение, интерфейс и графическая интерпретация которого представлен на рис. 2.
Оператор вводит в соответствующих графах значения размеров кри-
сталлов и их частоты, шаг дискретизации (среднее арифметическое значение размерностей или интервалов), коэффициент удаленности от эталонного размера (эталонный размер приравнивается к нулю, а каждый последующий увеличивается на единицу).
Таким образом, усовершенствован метод оценки коэффициента однородности кристаллов и предложено программное обеспечение, которые существенно повысили информативность традиционных оценочных подходов. Программное обеспечение размещено на информационном портале wolframalpha.com в свободном доступе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чекулаева, Л.В. Технология консервирования молока и молочного сырья: Учеб пособие/Л.В. Чекулаева [и др.]/ -Воронеж: Изд. Воронеж. Государственного университета, 1996. - 248 с.
2. Галстян, А. Г. Теория и практика молочно-консервного производства/А.Г. Галстян [и др.]. - М.: Федотов Д.А. - 2016. - 181 с.
3. Петров, А. Н. Методология формирования органолептических свойств консервов на молочной основе: монография/ А. Н. Петров, И.А. Радаева, Е. В. Шепелева. - Кемерово, 2013. -232 с.
4. Храмцов, А. Г. Молочный сахар/А.Г. Храмцов. - М.: «Агропромиз-дат», 1987. - 224 с.
REFERENCES
1. ChekuLaeva, L.V. TekhnoLogiya konservirovaniya moLoka i moLochnogo syr'ya: Ucheb posobie/ L. V. ChekuLaeva [i dr.]/ - Voronezh: Izd. Voronezh. Gosudarstvennogo universiteta, 1996. -248 s.
2. G a L s t y a n, A. G. Teoriya i praktika moLochno-konservnogo proizvodstva/A.G. GaLstyan [i dr.]. - M.: Fedotov D.A. - 2016. - 181 s.
3. Petrov, A. N. MetodoLogiya formirovaniya organoLepticheskih svojstv konservov na moLochnoj osnove: monografiya/A. N. Petrov, I.A. Radaeva, E. V. ShepeLeva. - Kemerovo, 2013. -232 s.
4. Hramcov, A. G. MoLochnyj sahar / A.G. Hramcov. - M.: «Agropromizdat», 1987. - 224 s.
5. Rjabova, A.E. Lactose crystallization: current issues and promising engineering solutions/A.E. Rjabova [et al.] // Food and Raw Materials. - 2013. - T. 1. - № 1. -C. 66-73. DOI 10.12737/1559
6. GnezdiLova, A.I. Razvitie nauchnyh osnov kristaLLizacii Laktozy i saharozy v mnogokomponentnyh vodnyh rastvorah. Diss. d. t. n. - Vologda, 2000. -490 s.
7. Petrov, A.N. Proizvodstvo moLochnyh konservov: innovacii v formirovanii svojstv syr'ya/A.N. Petrov [i dr.] // MoLochnaya promyshLennost'. - 2010. - № 5. -S. 74-77.
8. Fetisov, E. A. PLanirovanie i anaLiz rezuL'tatov tekhnoLogicheskih eksperimentov/E.A. Fetisov [i dr.]. - M.: StaLingrad, 2015. - 98 s.
Авторы
Рябова Анастасия Евгеньевна, канд. техн. наук, Хуршудян Сергей Азатович, д-р техн. наук, профессор, Семипятный Владислав Константинович, канд. техн наук ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7, anryz@hotmai1.com
Authors
Ryabova Anastasiya Evgen'evna, Candidate of Technical Sciences, Hurshudyan Sergej Azato vich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Semipyatnyj Vladislav Konstantinovich, Candidate of Technical Sciences AU-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Non-Alcoholic and Wine Industry - a branch of the Gorbatov's Federal Scientific Center for Food Systems of RAS, 7, Rossolimo str., Moscow, 119201, anryz@hotmai1.com
