Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Перспективы использования белково-углеводного сырья в технологии молочных продуктов 6
1.1.1. Общие вопросы переработки белково-углеводного сырья 6
1.1.2. Химический состав белково-углеводного сырья 12
1.1.3. Основные направления переработки белково-углеводного молочного сырья 18
1.2. Физико-химические основы получения пенообразных масс 25
1.3. Традиционные методы получения пенообразных масс 32
1.4. Заключение по обзору литературы и задачи исследования 37
Глава 2. Методика проведения исследований 42
2.1. Организация проведения экспериментов 42
2.2. Объекты исследования 44
2.3. Методы исследования 45
Глава 3. Результаты исследований и их анализ 48
3.1. Развитие теоретических основ пенообразования молочных систем 48
3.1.1 .Классификация молочных пен 48
3.1.2.Методические аспекты и некоторые проблемы системного анализа пенообразных пищевых масс 55
3.1.3.Принципы регулирования физико-химических свойств и состава пены 65
3.2. Исследование пенообразующих свойств обезжиренного молока и творожной сыворотки 69
3.2.1.Исследование пенообразующих свойств белково-углеводного сырья методом полного факторного эксперимента 70
3.2.2.Взаимосвязь компонентов химического состава с пенообразующими свойствами белково-углеводного сырья 84
3.3. Изучение технологических свойств стабилизаторов в технологии молочных взбитых продуктов на основе белково-углеводного сырья 93
3.3.1 .Технологические свойства агара 94
3.3.2.Технологические свойства желатина 101
3.3.3. Технологические свойства стабилизатора Хамульсион QVB 106
3.4.4.Технологические свойства пектина 112
3.3.5. Технологические свойства стабилизатора PRO-QUIC F-102 118
Глава 4. Практическая реализация результатов исследований 125
4.1. Рецептуры и технология молочных взбитых продуктов 125
4.2. Состав и свойства молочных взбитых продуктов 130
4.2.1 .Микробиологические характеристики 130
4.2.2.Органолептические, физико-химические и реологические характеристики 132
4.2.3. Пищевая, биологическая и энергетическая ценность взбитых десертов на основе белково-углеводного сырья 135
Выводы 138
Спиcок использованной литературы 139
Приложения 152
- Физико-химические основы получения пенообразных масс
- Исследование пенообразующих свойств обезжиренного молока и творожной сыворотки
- Изучение технологических свойств стабилизаторов в технологии молочных взбитых продуктов на основе белково-углеводного сырья
- Пищевая, биологическая и энергетическая ценность взбитых десертов на основе белково-углеводного сырья
Введение к работе
Первоочередными задачами молочной промышленности являются преодоление спада производства за счет рационального и комплексного использования сырья, особенно белково-углеводного (обезжиренного молока и молочной сыворотки) на основе широкого привлечения сырья немолочного происхождения, внедрения новых видов молочной продукции, новых способов переработки сырья; повышения качества и конкурентоспособности вырабатываемых продуктов.
Для решения проблемы обеспечения населения полноценными, доступными и безопасными продуктами питания в настоящее время усиленно проводятся исследования и научные работы в целях создания новых видов молочных продуктов. Для их разработки используется белково-углевод-ное сырье, поскольку в него попадает значительное количество веществ, которые с точки зрения биологических потребностей организма человека, имеют важное физиологическое значение.
Использование традиционных методов производства продуктов питания имеет ряд существенных недостатков. Важнейшим из них является низкий выход готовых продуктов, полученных из сельскохозяйственного сырья. Совершенствование технологических процессов, а также широкая переработка белково-углеводного сырья способствует повышению пищевой ценности продуктов питания при одновременном решении ряда вопросов рационального использования сырья и охраны окружающей среды. В связи с этим, исследования, направленные на разработку и внедрение в производство продуктов питания на основе принципов комплексной безотходной переработки молока, является актуальными.
Теоретические и практические основы создания ресурсосберегающей технологии в молочной промышленности заложены в классических работах Н.Н. Липатова, А.Г. Храмцова, И.А. Евдокимова, П.Г. Нестеренко, Н.П. Захаровой, И.С. Хамагаевой, К.К. Полянского и других ученых.
В настоящее время предприятия молочной промышленности выпускают различные комбинированные продукты питания, в том числе - со взбитой структурой. Они пользуются спросом у населения, имеют хорошие органолептические показатели, однако ассортимент этих продуктов узок, что, вероятно, обусловлено ограниченным количеством видов пенообразователей, необходимых для их производства. Помимо взбитой основы, они содержат различные плодово-ягодные и овощные наполнители, способствующие расширению их ассортимента. Ягодное и овощное сырье, как важный источник поступления в организм человека макро- и микроэлементов, витаминов, пектина, клетчатки и других биологически-активных веществ также характеризуется рядом технологических свойств.
Учитывая вышеизложенное, научный и практический интерес представляет систематизация накопленной научной информации по пенообра-зующим свойствам молочных систем, а также изучение возможности создания технологии взбитых продуктов на основе принципов комплексной переработки обезжиренного молока и творожной сыворотки.
В работе предложена классификация молочных пен, разработан алгоритм расчета межфазной поверхности, изучена пенообразующая способность обезжиренного молока и творожной сыворотки, научно обоснованы технологии и рецептуры комбинированных взбитых продуктов с сырьем немолочного происхождения, показан стабилизирующий эффект агара, пектина, желатина и других стабилизаторов, определено их влияние на технологический процесс, проведен анализ химического состава и биологической ценности, условия хранения готовых продуктов.
На основании полученных результатов сделаны выводы и даны практические рекомендации по использованию новых продуктов. Разработана нормативная документация, позволяющая использовать данные исследования в молочной промышленности.
Физико-химические основы получения пенообразных масс
Пены представляют собой дисперсные системы, которые состоят из газа, диспергированного в жидкости. Пены характеризуются тем, что межфазная граница в них разделяет два вещества, обладающих различными свойствами [64]. В монодисперсной пене деформация сферических пузырьков с возникновением пленок в местах из контакта развивается, если содержание газа в системе достигает 50% при простой кубической упаковке пузырьков или 74% при гране центрированной кубической или гексагональной упаковке (рис. 1.1) [12,43,95]. При более высокой концентрации дисперсной фазы ее частицы вследствие взаимного сжатия деформируются, образуя определенного вида полиэдры, т.е. переход из полидисперсной пены к полиэдрической форме начинается при кратности пены, достигаемой 10, а структуру, соответствующую переходной форме пузырьков от сферической к полиэдрической, иногда называют ячеистой [43,118]. Ячейки пен, для которых соотношение объемов газовой и жидкой фазы составляет несколько десятков и даже сотен, разделены очень тонкими пленками, их ячейки представляют собой многогранники.
Образование и изменение структуры пен обусловлено физико-химическими, биохимическими, коллоидно-капилярными процессами и всегда приводит к изменению первоначальных свойств системы [51]. Специалисты [2] выделяют основные свойства, которые всесторонне характеризуют пенную систему: - пенообразующая способность раствора (вспенивание) - количество пены, выраженное объемом или высотой столба, которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение заданного времени; - кратность пены - отношение объема пены к объему раствора, пошедшему на его образование; - стабильность пены - способность пены сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости (синерезису); - дисперсность пены, которая может быть задана средним размером пузырька, распределением пузырьков по размерам или поверхностью раздела раствор-газ в единице объема. При плотном контакте двух газовых пузырьков в жидкой среде с образованием двухсторонней пленки ее форма зависит от размера пузырьков и их избыточного давления. Если размеры пузырьков и давления в них неодинаковы (Rj R2, Pt Р2), то разделяющая их пенная пленка изгибается, обращаясь выпуклой поверхностью в сторону пузырька большего радиуса (с меньшим давлением). Радиус кривизны Яъ определяется по урав нению: где а- поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Путем преобразования и решения уравнения найдем: где в - угол между тонкой пленкой и равновесной с ней объемной фазой. При расчете кривизны тонких пленок учитывают изменение натяжения пленки [34]: Известно, что образование устойчивой (долгоживущей) пены в чистой жидкости невозможно. Устойчивые полиэдрические пены получают только в присутствии ПАВ. Введение ПАВ в жидкость существенно изменяет свойства газовых дисперсий и жидких пленок: снижается поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-газ, облегчается диспергирование газа и уменьшается размер пузырьков, изменяется режим и скорость их всплывания [25,43,63].
По Ребиндеру, пены относятся к структурированным системам. Они являются термодинамически неустойчивыми системами, так как имеют сильно развитую поверхность раздела фаз. Их образование сопровождается увеличением свободной энергии системы: где AG - свободная энергия Гиббса; AF — свободная энергия Гельмгольца; AU - тепловой эффект образования пены; АН - изменение внутренней энергии при образовании пены; AS - изменение энтропии системы при образовании пены; а - поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость-газ; AS ід - изменение удельной поверхности системы при образовании пены В связи с этим, процессы в пенах имеют тенденцию к коалесценции, связанную с сокращением межфазной поверхности, а следовательно и с уменьшением поверхностной энергии. Устойчивое состояние системы соответствует полной коалесценции, то есть расслоению системы с превра щением в две объемные фазы (жидкость и газ) с минимальной поверхностью раздела. Стабилизирующее действие адсорбционных слоев связано также с подвижностью молекул адсорбционного слоя и силой сцепления между молекулами. С увеличением насыщения адсорбционного слоя поверхностно-активным веществом сила сцепления между молекулами растет, а подвижность жидкости падает. Устойчивость пен также зависит от их дисперсности. Обычно, свежеприготовленная пена состоит из сферических пузырьков, разделенных толстыми стенками жидкости. С течением времени пленки объединяются жидкостью, пена постепенно изменяет свою структуру - превращается в систему из многогранных пузырьков, разделенных плоскими пленками. Одновременно происходит изменение удельной поверхности пены за счет диффузии газа из маленьких пузырьков в большие вследствие разности капиллярных давлений. По причине исчезновения маленьких пузырьков общее их количество в данном объеме пены уменьшается, устойчивость пены падает [32,62]. Важной характеристикой пенообразных масс является их дисперсность, так как она определяет большинство свойств и процессов протекающих в них, поскольку кинетика изменения дисперсности отражает скорость внутреннего разрушения в результате коалесценции и диффузии газа. Для оценки дисперсности используют [43] средний радиус пузырька (а также наибольший и наименьший размер), максимальное расстояние между противолежащими «стенками» пузырька (условный диаметр) и удельную поверхность раздела жидкость-газ. Наиболее полно дисперсность пен характеризуется распределением пузырьков по размерам, например, по радиусу эквивалентной сферы. Обычно для получения подробной информации о распределении пузырьков по размерам их разбивают на фракции и подсчитывают число пузырьков в каждой фракции. На основании этих данных можно определить радиус пузырька, усредненный:
Исследование пенообразующих свойств обезжиренного молока и творожной сыворотки
Необходимость регулирования физико-химических свойств и состава пены с целью оптимизации качества пищевых продуктов с полидисперсной взбитой структурой обусловлена увеличением выпуска продуктов данной группы. Реализация данного направления возможна только с учетом на шо-обоснованных принципов проектирования пен, зависящих от назначения пены.
Регулирование физико-химических свойств пены возможно на основе знания структурно-механических параметров пены, которые зависят от многих факторов способа получения, количества и вида ПАВ, температуры, используемых стабилизаторов, а также скорости кинетических изменений (диффузии, коалесценции, синерезиса). На оптимизацию технологических параметров пены особое влияние оказывает кратность пены. Это обусловлено различными требованиями к содержанию массовой доли влаги в продуктах на ее основе. Учет свойств пен различной влажности связан с тем, что на поведение низкократных пен значительное влияние оказывает кинетика процессов утончения пленок, диффузия газа и синерезиса, тогда как для обеспечения устойчивости высокократных пен более важны равновесные свойства, а именно: толщина пленок, распределение жидкости по высоте, а также зависимость скорости разрушения столба пены и скорости внутреннего разрушения от капиллярного давления и дисперсности.
Очевидно, что одна и та же кратность может быть достигнута как для пены с мелкими пузырьками и, соответственно, с тонкими каналами и пленками, так и для грубодисперсной пены с толстыми пленками и каналами.
К основным принципам регулирования физико-химических свойств пены следует отнести следующие.
1. Использование способа пенообразования, дающего максимально однородную по кратности пену (смешение потоков газа и раствора в трубе или на сетках, взбивание жидкости механическим устройствам).
2. Получение пены с максимально высокой степенью дисперсности и минимальной полидисперсностью, что достигается понижением поверхностного натяжения и гомогенизацией пены.
3. Получение пены по возможности в виде очень тонких слоев с минимальным равновесным давлением в каналах.
4. Использование композиций ПАВ и специальных стабилизирующих систем, способствующих максимальной стабилизации адсорбционных слоев и вязкостных характеристик.
5. Снижение скорости диффузного переноса газа и связанного с ним укрупнения пузырьков роста и полидисперсности, что достигается введением добавок, понижающих скорость растворения, десорбции и молекулярной диффузии газа, использование в качестве дисперсной фазы газа с малой растворимостью и скоростью диффузии.
Указанные мероприятия позволяют регулировать свойства низкократных пен. Принципы регулирования физико-химических свойств высокократных полиэдрических пен основаны на более точных зависимостях. Это обусловлено возможностью поиска точных числовых значений коэффициентов уравнений, описывающих взаимосвязь кратности, дисперсности, равновесной толщины пленок, капиллярного давления, синерезиса и разрыва пленок высокократных пен. Высокократную пену целесообразно получать любым из известных методов при условии последующего осушения. Наиболее перспективным способом регулирования высокократных пен является изменение давления в каналах, дисперсности пены и поверхностного натяжения исходного раствора. С другой стороны, целенаправленно управлять свойствами пены стало возможным на основе установления кинетики законов синерезиса и внутреннего разрушения.
При регулировании концентрации ПАВ, необходимой для образования устойчивых пленок, можно подобрать такие параметры технологического процесса, при которых возможно образование черных пятен и черных пленок, которые служат важной характеристикой пеностабилизирующей способности.
Очевидно, что оптимизация технологических свойств пены базируется на те?с же основных закономерностях, что и регулирование физико-химических свойств пены. Для разработки методов оптимизации состава и свойств пены требуется проведение ряда дополнительных исследований с учетом конкретно выбранной области пищевой индустрии. Это позволит установить основное свойство или группу свойств, определяющих потребительские качества пен (химический состав, устойчивость, кратность, дисперсность, реологические характеристики и т.д.). При известных взаимосвязях технологических и физико-химических свойств последующую разработку методов оптимизации можно проводить на основе указанных ранее приемов.
Учет всех отмеченных закономерностей и зависимостей позволяет генерировать пены с заданными физико-химическими свойствами и изменять их в нужном направлении.
Указанные разнообразные способы интенсификации технологических процессов, протекающих в пенах, в общем виде основаны на управлении свойствами структуры, образованной частицами системы. Основными параметрами, характеризующими структуру полидисперсной системы, является суммарная потенциальная энергия связей Wp, приходящихся на одну частицу, и кинетическая энергия частиц Wk. Отношение потенциальной энергии к кинетической определяет в общем случае степень разрушения ее структуры.
Управление свойствами пены сводится к варьированию параметра Wp/Wk. Например, использование ПАВ позволяет снизить потенциальную энергию взаимодействия. Аналогичное действие оказывает введение дополнительного количества дисперсионой среды, т.е. понижение концентрации частиц или уменьшение их дисперсности.
С другой стороны, перевод системы в динамическое состояние, например, за счет вибрации или в результате пропускания через пену потока дисперсной среды (газа), приводит к росту кинетической энергии частиц.
Изменения Wp и Wk с целью регулирования свойств пены приводят к аналогичным результатам - частичному разрушению структуры, т.е. к снижению эф фективной вязкости системы пЭфф и повышению коэффициентов диффузии. Количественное описание указанных процессов можно провести, введя некоторые предположения о характере структуры системы, т.е. построив ее модель. Вместе с тем, по условиям проведения технологических процессов увеличение дисперсности системы приводит к понижению качества пен или возрастанию энергоемкости процессов, что делает нерациональным такой подход к проектированию пены.
В результате анализа существующих тенденций в области рационализации и оздоровления питания, создания продуктов питания, в том числе - на основе пенообразных масс, следует выделить основные направления модификации состава пены (а, следовательно, пищевых продуктов на ее основе).
1. Производство безопасной, экологически чистой пищевой пены: получение пены без использования синтетических ПАВ, консер вантов, заменителей натуральных пенообразователей; - получение пены с максимальным набором компонентов нативного исходного сырья.
2. Производство пищевой пены с учетом содержания незаменимых нутри ентов пищи: использование в качестве пенообразователей природных белков, максимально приближенных по своему составу к идеальному белку (коррекцию аминокислотного состава можно проводить, по возможности, натуральными белоксодержащими продуктами); использование в качестве пенообразователей жиросодержащие продукты, максимально приближенные по своему жирнокислотному составу к идеальному жиру за счет корректировки растительными жирами.
Изучение технологических свойств стабилизаторов в технологии молочных взбитых продуктов на основе белково-углеводного сырья
Анализ результатов исследований, приведенных на рис. 3.13 показал, что использование агара для стабилизации пен на основе обезжиренного молока является нерациональным, поскольку температура взбивания молока более чем на 30 С ниже оптимальной температуры стабилизирующего действия агара.
Агар не только изменял пенообразующие свойства белково-углеводного сырья, но и обуславливал дисперсность полученных пен (рис. 3.14-3.15)
Данные, приведенные на рис. 3.14 показали, что сывороточные пены, не содержащие агар, состояли из достаточно крупных частиц дисперсной фазы ( 80% пузырьков воздуха имели преобладающий размер частиц (5±0,5) мм).
Использование агара позволило получить пены с меньшим размером частиц дисперсной фазы. С технологической точки зрения наилучшими органолептиче-скими показателями характеризовалась система с концентрацией агара 1,5%. При этом, основной размер частиц колебался от 0,5 до 1,5 мм, а количество пузырьков с большим диаметром уменьшалось пропорционально их размеру.
Анализ результатов, приведенных на рис. 3.15 позволил установить, что взбитые системы на основе обезжиренного молока и стабилизированные агаром являлись крупнодисперсными (преобладающий размер воздушных пузырьков колеблется от 3 до 5 мм в зависимости от дозы агара), хотя следует отметить, что дисперсность молочных пен с увеличением концентрации агара несколько сни жалась. Данных факт можно объяснить разной оптимальной температурой застудневания агара и оптимумом взбивания обезжиренного молока.
В табл. 3.16-3.17 показано изменение адгезионных свойств пен на основе белково-углеводного сырья с разным составом.
Выявлено, что с увеличением концентрации стабилизатора в системе сила взаимодействия продукта с материалом возрастала, что связано с повышением площади межфазной поверхности продукта, контактирующей с рабочим органом (сталью 40x13 или полиэтиленом марки 10803-020). Следует отметить, что величина адгезии с большей интенсивностью увеличивалась по отношению к полиэтилену, что вероятно, обусловлено снижением гидрофобных свойств продукта из-за связывания части влаги макроколлоидами агара.
В результате проведенных исследований, направленных на установление закономерностей изменения значений адгезии молочных пенообразных масс было установлено, что агар хотя и связывал некоторое количество воды, но являлся причиной повышения сил сцепления между продуктом и рабо чими органами оборудования. Наибольшее увеличение адгезии было установлено при повышении концентрации агара с 0 до 0,5%.
При визуальном анализе молочных пен было установлено, что хорошими ор ганолептическими показателями характеризовались образцы пенообразных масс на основе творожной сыворотки с массовой долей сахарозы и агара 5 и 1,5%, со ответственно. Это подтверждено результатами физико-химического, структурно механического и микроскопического анализа.
Пенообразные массы на основе обезжиренного молока и стабилизированные агаром в диапазоне его концентрации от 0 до 2% характеризовались пониженными значениями пенообразующей способности и устойчивости, а также отличались повышенной дисперсностью. Все вышеизложенное показало, что использование агара в качестве стабилизатора пенообразных масс на основе обезжиренного молока не является рациональным.
Пищевая, биологическая и энергетическая ценность взбитых десертов на основе белково-углеводного сырья
В настоящем обзоре литературы приведены сведения о возможности использования белково-углеродного сырья в технологии молочных продуктов, рассмотрена физико-химическая сущность процесса ценообразования, определены основные методы исследования состава и свойств пены. На основании приведенных литературных данных сформулирована цель и задачи исследования.
Промышленная переработка молока традиционными способами в сливочное масло, сыр, творог и казеин неизбежно связана с получением побочных продуктов - обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки, которые относятся к вторичным сырьевым ресурсам с обобщающим названием белково-углеводное сырье (БУС).
В нашей стране накоплен значительный положительный опыт промышленной переработки и использования БУС. Разработаны основные технологические процессы выделения и использования молочного жира, производства сухих и сгущенных концентратов. Предложены технологии выделения, обработки и сушки белков молока с последующим их использованием. Расширяется производство разнообразных напитков из пахты и обезжиренного молока и молочной сыворотки.
Чтобы правильно оценить состояние переработки белково-углеводного сырья в России целесообразно определить состояние переработки до начала реформ, начатых после 1990 г. (например, за период 1985-1990 гг.), и за период после начала реформ (1991-1996 гг.). Период до 1990 г. характеризовался постоянным ежегодным ростом производства молока, а в дальнейшем, начиная с 1991 года резким спадом [47,67,68].
Американский эксперт К.Грей в 1990 году высказывался о проблемах переработки молока в СССР в конце 80-х годов следующим образом, что советские граждане потребляли только 60% белка, содержащегося в молоке, 40% скармливалось животным или терялось. В США продуктивно использовалось более 90% белка молока [132]. В целом же советский потребитель получал ежедневно с молоком и молочными продуктами на 5-6 г белка меньше, чем западный. Сухую сыворотку в СССР практически не производили, а в скандинавских странах из 1 т молока получали 7,3 кг этого продукта. Советская молочная промышленность перерабатывала только 18% подсырной сыворотки и немногим более трети обезжиренного молока, остающегося после приготовления сметаны и масла [111].
Известно, что теоретический выход молочной сыворотки - около 90% от массы перерабатываемого молочного сырья. Однако фактически он был установлен от 65 до 80% (потери молочной сыворотки составляли от 10 до 25%). Основные объемы молочной сыворотки использовали крайне нерационально (в основном на скармливание сельскохозяйственным животным в натуральном виде). Все это приводило к снижению экономической эффективности производства, использованию дорогостоящего молочного сырья и загрязнению окружающей среды. В связи с этим были необходимы дополнительные научные исследования по созданию продуктов и полуфабрикатов на основе молочной сыворотки для применения в пищевых, кормовых и технических целях, обеспечивающих максимальное использование всех компонентов молочного сырья.
В результате проведенной работы объемы переработки молочной сыворотки возросли 13,7% до 50%о и более за период с 1975 г до 1989 г. Также постепенно сократились потери [68].
В 80-х годах было разработано множество различных технологий и направлений переработки молочной сыворотки, значительная часть разработок была внедрена в промышленность [67,68,72,94,97,123,125].
Лучшее положение сложилось с переработкой пахты. Ее почти полностью используют на пищевые цели: для производства напитков и творога, а также для нормализации молока. Что касается переработки обезжиренного молока, то почти половину -46,5% возвращали сельскому хозяйству, 10,7% направляли на производство ЗЦМ и 9,4% - на производство сухого обезжиренного молока. И только 33,4% использовали для производства пищевых продуктов.
Реформы, начатые в России после 1990 г, нацеливали на создание в агропромышленном комплексе, в том числе в перерабатывающих отраслях промышленности, многоукладной экономики: образовались различные секторы экономики, созданы разнообразные типы агропромышленных формирований и производственных объединений. Создание этих формирований происходило в условиях плохо сформировавшегося рынка, обвальной либерализации цен приватизации, что привело к высокому уровню инфляции и различным финансовым проблемам. Влияние государства на все эти процессы оказалось минимальным. Разрушились производственные и сырьевые связи со странами СНГ и, в большей степени, внутри России. Сократились закупки импортного сырья, вспомогательных материалов, запчастей к импортному оборудованию. Резко увеличился импорт различных пищевых продуктов, в том числе молочных. Изменились покупательский спрос и финансовые возможности потребителей.
