Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 7
1.1 Современные аспекты создания функциональных продуктов 7
1.2 Физико-химические и технологические свойства сыворотки 17
1.3 Перспективы создания гелеобразных продуктов 26
1.4 Заключение по обзору литературы, цели и задачи собственных исследований 37
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследования 40
2.1 Общая схема исследований 40
2.2 Объекты исследования 42
2.3 Методы исследования 43
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 46
3.1 Изучение потребительского спроса на продукты из молочной сыворотки 46
3.2 Влияния сложных углеводов на гелеобразование сыворотки и механизм старения сывороточных гелей 51
3.3 Изучение химического состава смородины и продуктов ее переработки71
3.3.1. Общая характеристика сортов ягод смородины 72
3.3.2. Получение продуктов переработки ягод смородины сорта «Калиновка» и анализ их химического состава 77
3.4. Влияние ягодных наполнителей на свойства гелеобразных сывороточных продуктов 81
3.4.1. Влияние ягодных наполнителей на структурно-механические и органолептические характеристики сывороточных продуктов 81
3.4.2. Влияние ягодных наполнителей на физико-химические показатели сывороточных продуктов 88
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований 89
4.1. Разработка рецептур и технологии гелеобразных продуктов с ягодными наполнителями на основе молочной сыворотки 89
4.2. Исследование пищевой ценности разработанных продуктов 94
4.3. Установление продолжительности хранения продуктов 96
4.4. Расчет экономической эффективности выработки новых видов продуктов на основе молочной сыворотки 101
Выводы 104
Библиографический список
- Физико-химические и технологические свойства сыворотки
- Влияния сложных углеводов на гелеобразование сыворотки и механизм старения сывороточных гелей
- Влияние ягодных наполнителей на свойства гелеобразных сывороточных продуктов
- Исследование пищевой ценности разработанных продуктов
Введение к работе
Важным направлением развития отечественной пищевой промышленности является максимальное использование вторичных ресурсов, а также местного растительного сырья с целью разработки продуктов, обладающих защитными, профилактическими и лечебными свойствами. Это положение закреплено концепцией государственной политики в области здорового питания населения.
Пища человека является источником регуляторных и защитных факторов, необходимых для согласованной деятельности всех систем организма, приспособления к разным условиям среды, борьбы против внешних негативных воздействий. Для защиты организма человека от неблагоприятных воздействий необходимо включать в рацион продукты профилактического и лечебного назначения.
Особую роль в этом играют различные ингредиенты, выполняющие технологические функции в формировании качества готовых продуктов: незаменимые аминокислоты, пектиновые вещества, клетчатка, белки и другие. В связи с этим необходимо разрабатывать такие продукты, которые могли бы не только удовлетворять потребности организма человека в пищевых веществах и энергии, но и придавали продуктам питания функциональные свойства.
Одним из резервов увеличения эффективности производства в централизованных условиях является более рациональная переработка сырья с использованием всех составных частей. Из вторичного сырья молочной промышленности особое место занимает молочная сыворотка, ресурсы которой увеличиваются в связи с возрастанием объектов производства творога, сыра и казеина. В настоящее время её выпуск в России по разным источникам достигает 3,0 млн. т в год.
Несмотря на накопленный опыт промышленной переработки молочной сыворотки и использования вторичных молочных ресурсов в нашей
стране и за рубежом, в пищевом производстве используется лишь около четверти сыворотки. Значительные объемы сыворотки не используются для пищевых целей, а, например, сбрасываются в сточные воды, что отрицательно влияет на состояние окружающей среды. Это объясняет усилившуюся потребность в более глубокой переработке молочной сыворотки в пищевые продукты и полуфабрикаты, комбинированные продукты, а также кормовые средства для животноводства.
Современная наука о питании особое внимание уделяет вопросам создания продуктов функционального назначения, в составе которых используют биологически активные комплексы из компонентов животного и растительного происхождения. Они обладают хорошими потребительскими качествами, высокой биологической и пищевой ценностью, а также имеют невысокую себестоимость. В связи с широким ассортиментом структурирующих добавок, вкусовых наполнителей, ароматизаторов, применяемых в производстве продуктов, получают продукцию с различными свойствами и структурой.
Разработка технологии производства продуктов из молочной сыворотки с разнообразными наполнителями позволяет расширить ассортимент молочных продуктов и удовлетворить растущие потребности в недорогих молочных продуктах, а также использовать все составные части молока. В качестве обогащающих компонентов в основном используют растительные наполнители (плоды, овощи, ягоды и продукты их переработки), что позволяет обогатить молочные продукты витаминами, клетчаткой, пектином, которые являются компонентами функционального питания.
Особенности формирования сывороточных продуктов с функциональными свойствами рассмотрены в работах ведущих ученых -Н.Н. Липатова, А.Г. Храмцова, П.Г. Нестеренко, В.Н. Сергеева, В.Д. Харитонова, а также их учеников.
В настоящей работе рассмотрена возможность использования молочной сыворотки, комплексного структурообразователя из природных угле-
водов (метилцеллюлозы и крахмала), а также ягод смородины (пюре, сока), для приготовления гелеобразных продуктов. Определены рациональные параметры оценки и подготовки сырья для обеспечения высокого качества готовой продукции, показана возможность совмещения ряда полезных физиологических и пищевых качеств молочной сыворотки и местных растительных объектов. На основании проведенных исследований разработаны рецептуры структурированных десертных продуктов для общего и профилактического питания.
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Физико-химические и технологические свойства сыворотки
Проблема полного и рационального использования молочной сыворотки существует во всех странах с развитой молочной промышленностью независимо от формы собственности и системы экономических отношений [63, 104, 122, 127, 145, 159]. Это обусловлено значительными объемами молочной сыворотки, получаемой по традиционной технологии при производстве белково-жировых продуктов - сыров, творога, казеина (таблица 1.1).
Всего в мире ежегодно вырабатывается около 17 млн. т сыра, а ресурсы молочной сыворотки превышают 130 млн. т (т.е. перерабатывается около 14%). В странах с развитой молочной промышленностью (США, Германия, Франция, Нидерланды) перерабатывается от 50 до 95% ресурсов молочной сыворотки. Особенность использования молочной сыворотки в России - низкий уровень ее промышленной переработки [63].
Значительная часть неиспользуемой молочной сыворотки попадает в сточные воды, что наносит непоправимый ущерб природе [57, 59]. Напри мер, слив молочной сыворотки сыродельного завода средней мощностью 25 т перерабатываемого молока в сутки адекватен по ущербу бытовым канализационным стокам города с численностью населения 40 тыс. человек. Вместе с тем в мировой печати, посвященной молочной промышленности, систематически публикуются материалы, убедительно показывающие, что молочная сыворотка по своему составу, пищевой и биологической ценности относится к ценнейшему сырью, из которого можно производить необычайно широкий ассортимент пищевых продуктов, кормовых и технических средств [32, 107,129,132, 147].
Из сыворотки выделено и идентифицировано более 200 различных компонентов. Основной объем в сухих веществах сыворотки, как и в традиционных напитках занимают углеводы (более 70%).Основной углевод сыворотки - лактоза. Сладость ее в 6 раз меньше, чем сахарозы. Лактоза, как углевод животного происхождения, обладает специфическими свойствами. Она медленно всасывается в организме и, достигая отдела толстого кишечника, стимулирует жизнедеятельность бактерий, продуцирующих молочную кислоту [126]. Лактоза представляет собой уникальный углевод, играющий важную физиологическую роль в организме, который в природе больше нигде, кроме молочного сырья, не встречается [130].
Лактоза под действием растворов сильных щелочей и кислот подвергается гидролизу. Сначала образуются моносахариды (D-галактоза и D-глюкоза). Затем моносахариды превращаются в щелочной среде в сахариновые кислоты, в кислой - в оксиметилфурфурол. Гидролиз лактозы может быть осуществлен ферментативным путем - с помощью Р-галактозидазы (лактазы), получаемой из дрожжей и микроскопических грибов. Ферментативный гидролиз и глубокий распад (брожение) лактозы происходят в молоке и сыворотке под воздействием ферментов дрожжей, молочнокислых и других бактерий. При брожении лактоза распадается на разнообразные соединения: кислоты, спирты, эфиры, газы и проч. [25].
Продукты гидролиза лактозы - глюкоза и галактоза - обладают большей сладостью, чем лактоза, и способны заменить большое количество сахарозы в напитках. Не менее важным свойством лактозы является высокая способность сорбции ароматических веществ. Это свойство позволяет стабилизировать вкус и аромат готового продукта, а в некоторых случаях снизить расход ароматизатора.
Из пересыщенных растворов лактоза кристаллизуется. При температуре ниже 93 С она выделяется с одной молекулой кристаллизационной воды в а-гидратной форме, при температуре выше 93 С - в безводной 3-форме. Кристаллическая лактоза практически нерастворима в органических растворителях. По сравнению с сахарозой она в 5 раз менее сладкая и хуже растворима в воде. Растворимость Р-лактозы выше, чем а-лактозы. Лактоза оптически активна, а- и р-формы вращают плоскость поляризации вправо. Вследствие явления мутаротации удельное вращение свежеприготовленных водных растворов лактозы при хранении изменяется. Это объясняется тем, что а- и Р-циклические изомеры лактозы при растворении и выдержке растворов переходят через альдегидную форму друг в друга.
Лактоза, как и все углеводы, служит в организме источником энергии, необходимой для осуществления биохимических процессов. Энергетическая ценность лактозы составляет 15700 кДж/кг (3750 ккал/кг), т.е. равноценна энергетической ценности сахарозы и белковых веществ.
Лактоза, поступающая в организм, практически полностью (99,7%) усваивается. Лактозе присуща бифидогенная активность. Способствуя усвоению кальция, а также магния и фосфора, лактоза препятствует декаль-цинированию костей, вследствие чего предупреждается развитие рахита у детей, что особенно важно для растущего организма [130]. Все виды молочной сыворотки (подсырная, творожная, казеиновая) обладают практически идентичными биологическими свойствами.
Влияния сложных углеводов на гелеобразование сыворотки и механизм старения сывороточных гелей
Для изменения структуры продуктов используются различные струк-турообразователи. На основании литературных данных выбор остановили на сложных углеводах, таких как крахмал и метилцеллюлоза. Известно, что метилцеллюлоза широко используется на пищевых предприятиях в качестве структурообразователя при изготовлении диетических продуктов сниженной калорийности, а также ее использование дополнительно обогащает продукт пищевыми волокнами [53, 85]. Кроме метил целлюлозы, в пищевой промышленности для изменения вязкости продуктов широко используются крахмалы [41]. В связи с этим, в данном разделе рассмотрены вопросы влияния различных факторов на механизм гелеобразования молочной сыворотки в присутствии метилцеллюлозы, крахмала (температура, массовая доля структурообразователя, наличие сахарозы, продолжительность выдержки), а также изучение механизма старения сывороточных гелей со структурообразователями, как одного из факторов, влияющих на срок годности и качество продукции.
В общем случае под условиями гелеобразования сыворотки следует понимать воздействие физико-химических, коллоидно-капиллярных, биотехнологических, электрохимических и иных факторов, которые определяют поведение сыворотки при переходе ее коллоидного состояния золя в гель. В общем случае факторы и условия, влияющие на процесс гелеобра зования, можно представить в виде совокупности процессов, подчиняющихся определенным законам.
Консистенция молочной сыворотки с метилцеллюлозой определяется концентрацией гелеобразователя и характером образующихся структур. Структурообразование, заключающееся в возникновении различных типов связей между контактирующими молекулами (коллоидом и сывороточными белками), приводит к увеличению значений предельного напряжения сдвига (рисунок 3.7).
Рисунок 3.7 - Зависимость предельного напряжения сдвига сывороточных гелей от массовой доли метилцеллюлозы, %, при массовой доле сывороточных белков, %: 1 - 0,6; 2 - 0,7; 3 - 0,8; 4 - 0,9
Факт повышения прочности обусловлен увеличением вероятности активного контакта молекул метилцеллюлозы, сывороточных белков и других веществ в сыворотке в результате повышения массовой доли гелеобразователя. Гелеобразованию способствует отсутствие устойчивой формы молекул метилцеллюлозы из-за наличия полиморфных модификаций [85]. При прочих равных условиях и массовой доле метилцеллюлозы не менее 1,2% сывороточные гели можно оценить как тела, характеризующиеся предель ным напряжением сдвига, который обусловлен силами межмолекулярного взаимодействия.
Это свидетельствует о присутствии в геле непрочно связанной влаги, которая способна выпрессовываться в результате механического воздействия. Переход сыворотки в состояние устойчивого геля сопровождается увеличением сил взаимодействия при одновременном снижении темпа разрушения структуры в результате воздействия сдвигающей деформации. Это позволяет отнести сывороточные гели на основе метилцеллюлозы к анормально-вязким жидкостям, в которых вязкость зависит от напряжения сдвига и градиента скорости.
Оценивая влияние кислых соединений молочной сыворотки на процесс ее гелеобразования в присутствии метилцеллюлозы (рисунок 3.8), выявлено, что ионы водорода стимулируют процесс упрочнения сывороточной дисперсии. В интервале активной кислотности от 5,52 до 5,02 происходит некоторое увеличение прочности геля, хотя уровень статистической погрешности находится на границе задаваемого показателя (т 0,05).
Влияние ягодных наполнителей на свойства гелеобразных сывороточных продуктов
Структурно-механические и органолептические характеристики при товароведной оценке продукта связаны между собой и оказывают взаимное влияние на итоговую оценку качества. Шкала балловой оценки гелеобразных продуктов, разработанная в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности подтверждает данный тезис (приложение А) [135]. В связи с этим анализ влияния ягодных наполнителей на указанные характеристики также проводили совместно.
Известно, что содержание пектиновых веществ в пюре и соке ягод смородины различно, и тем не менее они обладают определенной гелеобразую-щей способностью, которая по-разному проявляется в зависимости от концентрации растительных наполнителей. Это связано с различным строением пектинового комплекса растительного сырья и, соответственно, разным количеством перешедшего в ягодный сок или пюре растворимого пектина, спо собного участвовать в процессе гелеобразования. Реологические характеристики анализируемых образцов приведены при градиенте скорости 17,93 с"1.
Зависимость предельного напряжения сдвига от концентрации ягодного пюре приведены в таблице 3.12. На рисунке 3.16. приведена поверхность органолептическои балловой оценки гелеобразных сывороточных продуктов с наполнителем.
Полученные данные свидетельствуют о том, что внесение пюре из черной смородины в молочную сыворотку изменяло структурно-механические характеристики. Установлено, что использование только растительного наполнителя из смородины, не позволило получить сывороточные продукты с достаточной вязкостью и упругостью, а значения касательного напряжения не превышали 15,24 Па.
При концентрации комплексного гелеобразователя 1,0±0,1%, ягодного пюре от 5±0,5% до 10±0,7% полученные продукты характеризовались низкими значениями предельного напряжения сдвига в диапазоне 70±5 Па. При увеличении массовой доли ягодного пюре до 25±2,0% при той же массовой доле структурообразователя приводит к повышению предельного напряжения сдвига до 80±ЗПа, что также является недостаточным для получения прочной нетекучей структуры, при этом цвет, вкус и запах становятся менее выраженными.
При концентрации комплексного гелеобразователя 1,0±0,1%, ягодного пюре 15±0,5% полученные продукты характеризовались оптимальными органолептическими характеристиками (вкус - не приторный, сладкий с кислинкой, запах выражен в меру, приятный, цвет - равномерный темно-розовый) при невысоких структурно-механических показателях.
При массовой доле КГ 1,0±0,1%, ягодного пюре от 28±1,1% до 30±1,5% полученные продукты также не получили высокой оценки из-за реологических показателей 90±4,1Па (прочность структуры не соответствовала требованиям) и, следовательно, органолептическая оценка не превышала 80 баллов, при этом гели обладали излишне выраженным цветом и вкусом.
При концентрации КГ 2,0±0,1%, ягодного пюре от 5±0,5% до (10±0,7)% полученные продукты характеризовались низкими значениями предельного напряжения сдвига в диапазоне 70±5 Па. При увеличении массовой доли ягодного пюре до 15±0,5% при той же массовой доле КГ происходило закономерное упрочнение структуры, и предельное напряжение сдвига достигало 85±3%, что также является недостаточным для полу чения прочной структуры, при этом цвет, вкус и запах становятся менее выраженными.
Увеличение массовой доли КГ до 2,0±0,1% и ягодного пюре до 30±1,5% являлось причиной того, что образцы получили такую же невысокую органолептическую оценку, как и при массовой доле КГ 1,0±0,1%, что связано с излишней выраженностью сладкого вкуса и запаха ягодного пюре. Несмотря на увеличение количества гелеобразователя, образцы отличались невысокими реологическими показателями 98±5,1 Па.
Введение ягодного пюре в количестве до 35±2,0% приводило к повышению предельного напряжения сдвига до 110±3 Па, значения приближены к требуемым, образцы отличаются хорошей упругостью и плотностью. Однако значительная доля ягодного пюре отражается на органолептическои оценке продуктов - отмечена повышенная кислотность образцов, резковатый запах.
При использовании КГ 3,0±0,1% и ягодного пюре 15±0,5% полученные продукты характеризовались значениями предельного напряжения сдвига в диапазоне 120±5 Па, что соответствует традиционной плотности гелеобразных продуктов, структура не текучая, устойчивая к хранению. При увеличении массовой доли ягодного пюре до 20±0,7% при той же массовой доле КГ происходило закономерное упрочнение структуры, и предельное напряжение сдвига достигало 135±3 Па, что также является достаточным для получения прочной структуры, при этом цвет, вкус и запах становятся более интенсивными. Образцы также характеризовались самой высокой органолептическои оценкой. Следует отметить, что использование ягодного пюре в количестве 15±0,5% к массе готового продукта является достаточным и внесение большего количества пюре нецелесообразно.
Исследование пищевой ценности разработанных продуктов
Функциональные продукты занимают важное место в рационе современного человека. На данном этапе развития промышленности большое внимание уделяется продуктам, полученным на основе вторичного сырья -творожной сыворотки, и растительных наполнителей - продуктов переработки смородины черной. С точки зрения химического состава такие продукты обладают высокой пищевой ценностью, оптимальным составом и высокой усвояемостью. Причем для переработки сыворотки до сих пор идет поиск новых технологических решений, вкусовых добавок и усовершенствование имеющихся схем переработки.
Для получения объективных данных проводили анализ химического состава разных образцов и сравнивали данные со справочными величинами и между собой. Полученные данные обобщены в таблице 4.5.
В работе основное внимание уделяли подбору компонентов для сывороточных продуктов гелеобразной структуры. Рассмотрена возможность повышения пищевой ценности продукта за счет обогащения его природными источниками витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон и максимальное сохранение их в процессе технологической обработки. Использование растительных наполнителей позволяет разработать продукты с высокими потребительскими характеристиками.
Установлено, что пектин черной смородины обладает комплексообра-зующей способностью, т.е. может связывать ионы тяжелых металлов и выводить их из организма. Достоверно известно, что воздействие гидродинамических воздействий может влиять на размер частиц, в том числе макромолекул протопектина, который содержится в большей степени в ягодном пюре. В связи с этим провели исследование комплексообразующей способности продуктов с ягодным пюре и соком ягод черной смородины. Результаты исследования приведены в таблице 4.6.
Полученные данные подтверждают различия содержания пектина в продукте с ягодным соком и ягодным пюре. Полученные данные коррелируют с данными, полученными в результате изучения химического состава сока и пюре из черной смородины. Таким образом, продукты, вырабатываемые с натуральными ягодными наполнителями, обладают способностью связывать ионы тяжелых металлов (0,15±0,01 гМе/г пектина) и, соответственно, обладают профилактическим эффектом.
Использование вторичного молочного сырья в сочетании с растительными наполнителями местного растениеводства, позволяет рационально использовать все составные части молока, а также получить сбалансированные молочные продукты с хорошими органолептическими показателями различной вязкости и плотности, причем повысить содержание пищевых волокон в дневном рационе всех групп населения. Данный подход позволяет решить задачу расширения ассортимента продуктов на молочной основе.
Предложенные технологии производства структурированных продуктов с растительными компонентами потребовали установления их сроков хранения и годности на основе комплексных исследований, в результате которых должны подтвердиться сохранение качества, включая физико-химические и органолептические показатели, а также микробиологическую надежность в течение предполагаемого срока хранения.
Наиболее распространенными видами порчи является микробиологическая и химическая. Химическую порчу могут вызывать окислительные процессы, а также нежелательные превращения, происходящие под действием ферментов, то есть в результате внутренних и внешних воздействий. При этом изменения идут в направлении снижения пищевой и биологической ценности.
Предполагали, что химическую порчу можно предупредить исключением каталитического воздействия света, кислорода воздуха и повышенной температуры. После завершения технологического процесса продукты расфасовывали в полистироловые стаканчики и запаивали фольгой. Исследуемые образцы хранили при температуре (4±2)С в упакованном виде.
Использование в рецептурах сахара и стабилизаторов (метилцеллюлозы и крахмала) может существенно изменить условия жизнедеятельности микроорганизмов. В связи с этим, смесь для изготовления сывороточных продуктов после внесения всех рецептурных компонентов пастеризовали при температуре 95±1С, после чего анализировали изменение физико-химических характеристик (таблица 4.6) и микробиологическую надежность.
Анализ полученных результатов позволил установить, что первый временной отрезок (от 0 до 15 ч), которому принадлежат значения предельного напряжения сдвига, свидетельствует об упрочении структуры. Так, для опытных образцов сывороточных гелей этот период составил 15 ч, а увеличение прочности отмечено на 45,6% по сравнению с начальным образцом.
