Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературных данных по вопросу "Состояние и перспективы использования высокого гидростатического давления в технологии продуктов питания, в том числе молочных" 6
1.1 Высокое гидростатическое давление и его применение в технологии продуктов питания 6
1.2 Влияние высокого гидростатического давления на качественные показатели молока 15
1.3 Специальное питание: требования к сырью и ингредиентам для организации его производства 21
1.4 Качество и безопасность продуктов питания 28
Глава 2 Методология проведения исследований 34
2.1 Постановка экспериментальных исследований 34
2.2 Объекты и методы исследований 36
2.2.1 Физико-химические методы и органолептические показатели 37
2.2.2 Микробиологические методы 38
2.2.3 Реологические методы 39
2.2.4 Определение влагоудерживающей способности 40
2.2.5 Методы математического анализа 40
Глава 3 Результаты исследований и их анализ 41
3.1 Обоснование и разработка сбалансированных молочно-белковых модельных сред 41
3.2 Математическое моделирование экспериментальных данных по конструированию модельных сред 48
3.3 Формулирование рабочей гипотезы проведения пилотных исследований 53
3.4 Подбор оптимальной концентрации GDL (glucono-5-lactone) для имитационного сквашивания молочно-белковых модельных сред 54
3.5 Исследование влияния высокого гидростатического давления и термической обработки на физико-механические характеристики молочно-белковых гелей 57
3.6 Исследование процесса ферментации молочно-белковых модельных сред, обработанных высоким гидростатическим давлением 75
3.7 Математическая обработка полученных данных процесса ферментации молочно-белковых модельных сред 80
3.8 Определение степени влияния высокого гидростатического давления на сохранность витаминов и эффективность ферментирования молочно-белкового продукта 83
Глава 4 Разработка рецептуры и технологии биопродукта для специального питания 89
4.1 Обоснование требований к составу и свойствам нового биопродукта 89
4.2 Компонентный состав и проектирование рецептур нового биопродукта 90
4.3 Определение срока годности продукта 98
4.4 Определение пищевой, биологической и энергетической ценности биопродукта 101
Глава 5 Практическая реализация результатов исследования 107
5.1 Разработка технологии и нормативной документации для производства биопродукта 107
5.2 Определение себестоимости и отпускной цены на биопродукт 111
5.3 Промышленная апробация технологии биопродукта 113
Основные результаты и выводы 114
Перечень сокращений и условных обозначений 116
Библиографический список литературы 117
Приложения 133
- Влияние высокого гидростатического давления на качественные показатели молока
- Объекты и методы исследований
- Математическое моделирование экспериментальных данных по конструированию модельных сред
- Компонентный состав и проектирование рецептур нового биопродукта
Введение к работе
В современных условиях развития молочной отрасли в рамках тенденций сближения мирового сообщества меняются подходы к созданию продуктов питания на молочной основе. Это связано с изменением потребительских рынков, социальной модели питания людей, развития информационного пространства, возрастания экологических и других проблем. Современные технологии основаны на использовании новых методов обработки сырья и высокотехнологичного оборудования, приборов, что приводит к необходимости проведения исследований по определению влияния на качество и безопасность новых продуктов.
Значительный вклад в теоретическое обоснование технологий специализированных молочных продуктов и их практическую реализацию внесли И.А. Рогов, В.Г. Высоцкий, В.А. Тутельян, А.А. Покровский, П.Ф. Крашенинин, Н.Н. Липатов, Л.А. Остроумов, В.Д. Харитонов, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, Ю.Я. Свириденко, A.M. Шалыгина, Н.И. Дунченко, Н.А. Тихомирова, Г.Б. Гав-рилов, М.С. Уманский, А.А. Майоров, А.Ю. Просеков, И.А. Смирнова, Л.М. Захарова, Л.В. Терещук, Н.Б. Гаврилова, а также другие отечественные и зарубежные учёные.
Обработка пищевого сырья и продуктов высоким давлением является предметом исследований многих зарубежных учёных, которые направлены на сохранение нативных свойств сырья и повышение качества готовых продуктов. Всё перечисленное позволяет считать выбранное направление исследований современным и актуальным, так как направлено на повышение уровня жизни человека.
Научная новизна работы. Экспериментально установлен, на основе математического моделирования индикаторов качества, состав модельных молочно-белковых сред. Подобраны концентрации GDL для имитационного сквашивания и получения молочно-белковых гелей с заданными характеристиками. Проведены пилотные исследования влияния высокого гидростатического давления на структурно-механические характеристики молочно-белковых гелей, установлены закономерности образования устойчивых белковых структур. Изучено воздействие высокого гидростатического давления на сохранность витамина С в опытных продуктах, что позволило определить уровень обогащения нового биопродукта витаминами. Спроектирована рецептура продукта, разработана его технология, определены пищевая, биологическая, энергетическая ценность и срок годности.
Практическая ценность работы. Разработана технология биопродукта для специального питания и техническая документация для его производства СТО 49527279-001-2010 (приложение 1). Научная новизна технологического решения отражена в патенте на изобретение № 2379904 "Композиция для получения молочно-белкового биококтейля" (приложение 2).
Проведена промышленная апробация технологии нового продукта в производственных условиях молочного предприятия "Манрос-М" филиала ОАО "Вимм-Билль-Данн" (г. Омск).
Влияние высокого гидростатического давления на качественные показатели молока
Молоко и продукты, изготовленные из него и на его основе, являются предметом изучения европейских исследователей уже не одно столетие. При этом основной проблемой, привлекающей интерес учёных и практиков, является пролонгирование сроков хранения молока-сырья и применение для этой цели методов и процессов, не вызывающих изменений его нативных свойств и их минимизацию.
Открытие Луи Пастера привело к появлению технологического процесса, названного в 1880 г. пастеризацией. В качестве альтернативы данному процессу для тех пищевых продуктов, тепловая обработка которых нежелательна, В. Hite в 1899 г. предложил изучить влияние высокого давления [НО, 118, 127, 137, 139].
Приводятся результаты сравнительного исследования влияния температуры и высокого давления на белки молока. Молочные продукты — недорогой источник высококачественного белка. Он содержится в коровьем молоке обычно в количестве около 3,5 % (в козьем молоке примерно столько же, а в овечьем -около 5,5 %). В йогурте этот уровень часто возрастает до 5%, в то время как сыры содержат примерно 25 % белка в зависимости от вида. Основными белками молока являются казенны (примерно 80 % от общего количества). Казеин коровьего молока содержит четыре индивидуальных генных продукта as!-, as2-, P-, и к-казеин, взаимодействие которых образуют мицеллы. Растворимые или сывороточные белки включают (3-лактоглобулин, а-лактальбумин, сывороточный альбумин, иммуноглобулины, и различные ферменты. Детальная информация о молочных белках может быть найдена у Fox и McSweeney [129].
Перед описанием эффекта давления стоит принять во внимание влияние более традиционного процесса нагревания и охлаждения. Чтобы снизить рост микроорганизмов и активность молочных ферментов, сырое молоко охлаждают до температуры 4 С на ферме перед транспортировкой на молочный завод для пастеризации. При низких температурах гидрофобные связи ослабевают, и при 4 С значительное количество р- и к-казеина диссоциирует из мицелл. Этот процесс обратим нагреванием. Поскольку казеиновые мицеллы чрезвычайно стабильны к нагреванию, то молоко может быть стерилизовано даже УВТ обработкой (140 С в течение 5 секунд) или автоклавировано (115 С до 20 мин). Перегрев вызывает дефосфорилирование и некоторую перегруппировку ди-сульфидных связей внутри мицеллы. Однако при нормальных условиях обработки повышение температуры ведет к усилению гидрофобных связей и связыванию целостности мицелл.
Сывороточные белки намного менее устойчивы к нагреванию, чем казенны. Нагревание свыше 70 С в течение 1 мин вызывает прогрессивную потерю природной глобулярной структуры. Иммуноглобулины и сывороточные альбумины являются наиболее чувствительными, р-лактоглобулин подвергается денатурации между температурами 80 С и 90 С. а-лактальбумин наиболее устойчив к нагреванию. Для проведения более интенсивной денатурации требуется воздействие температуры, превышающей 90 С в течение 1 мин. Денатурация приводит к структурным изменениям, потере растворимости при рН равном 4,6 и образованию агрегатов [115, 120].
Сывороточные белки тоже денатурируют под давлением. Были исследованы воздействия высокого давления на отдельные очищенные белки (главным образом Р-лактоглобулин), на восстановленные концентраты сывороточных белков (КСБ) и на сывороточные белки в молочных системах. Термограммы диф ференциальной сканирующей калориметрии (DSC) обработанных давлением растворов р-лактоглобулина показали значительное снижение энтальпии, которая предполагает потерю структуры и разворачивание молекулы [126].
Другие исследователи посвятили свои труды проблеме использования белков молока, обработанных высоким давлением в качестве ингредиентов в продуктах для образования молочной пены, эмульсий и гелей, при этом особое внимание уделено сывороточным белкам [130, 131, 142, 154].
Гелеобразование - это другое функциональное свойство сывороточных белков, которое может быть вызвано обработкой давлением. Van Camp и Huyghebaert в 1995 г. исследовали гелеобразование при высоком давлении некоторых белков, включая КСБ [168]. Свойства таких гелей были сравнены с термостабилизированными гелями, выработанными при температуре 80 С в течение 30 мин. Начиная обработку растворов белков при 20 С, эти авторы оценили, что максимальная температура, достигаемая обработкой давлением при 400 МПа, составила 31 С. Прочность геля возрастала в ответ на повышение давления или продолжительности обработки. Концентрация белка была фактором, влияющим и на прочность геля, и на объем несвязанной жидкости, которые также зависят от рН системы. Реология гелей из КСБ, выработанных давлением (400 МПа в течение 30 мин) или нагреванием (80 С в течение 30 мин), была также сопоставлена Van Camp и Huyghebaert в 1995 г. Модуль упругости (G1) гелей, изготовленных нагреванием, был выше, чем у изготовленных давлением, и зависел от концентрации белка. Кривые растяжения-сжатия в ходе тестов на сжатие показали, что модуль упругости для каждой из концентрации белка был ниже для гелей, образованных давлением, чем для гелей, образованных нагреванием [158, 167, 168, 169].
Объекты и методы исследований
В качестве объектов исследования использовались: - сухое обезжиренное молоко (COM) "Milex 240" компании "Aria Foods", Дания (приложение 6); - изолят сывороточного белка (ИСБ) "PSD 047" компании "Aria Foods", Дания (приложение 7); -FD-DVS YC-380 - Yo-Flex - термофильные культуры компании "Chr. Hansen", Дания (приложение 8); - glucono-8-lactone (GDL) компании "Acros Organics", Бельгия. GDL обеспечивает постепенное окисление растворов белка до заданного уровня рН с целью моделирования процесса ферментации; - сахар-песок по ГОСТ 21-94. Для получения достоверных и полных характеристик сырья и готовых продуктов применялись современные методы исследования и стандартные приборы. Химический состав и безопасность кисломолочного продукта определены в лабораториях университета г. Копенгагена, в лицензированной лаборатории предприятия ООО "Манрос-М", а также в аккредитованной испытательной лаборатории пищевой продукции санитарно-эпидемиологической службы г. Омска. При определении химического состава и свойств в молочном сырье и готовых продуктах использовали следующие методы: - определение массовой доли жира по ГОСТ 5867-90 [12]; - определение массовой доли белка по ГОСТ 25179-90 [4]; - определение массовой доли углеводов по ГОСТ 3628-78 [11]; - определение массовой доли влаги по ГОСТ 3626-73 [10]; - определение плотности по ГОСТ 3625-84 [9]; - отбор и подготовка проб по ГОСТ 26809-86 [6]; - активная кислотность электрометрическим методом на рН-метре (713 рН Meter) по ГОСТ 26781-85 [5]; -титруемая кислотность стандартной методикой в градусах Тернера по ГОСТ 3624-92 [8]; - количество сахара по фактической закладке; - содержание минеральных веществ методом атомной абсорбции на спектрофотометре шведской фирмы "PerkinElmer-360" по ГОСТ 27996-88 [7]; - содержание общего азота (белка) в готовом продукте методом Кьельдаля по ГОСТ 23327-98 [3]; - аминокислотный состав автоматическим аминокислотным анализатором ААА-339М[33,53]; - количественное содержание аминокислот методом двухколоночной ионообменной хроматографии; - содержание витаминов методом инфракрасной спектроскопии на приборе ИК-4500 и методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на хроматографе "Милихром" [141, 171]; - вязкостные характеристики методом ротационной вискозиметрии и ос-цилляторной сдвиговой реологии на ротационном вискозиметре Bohlin CVO[156]; - прочность сгустка пенетрационным методом на установке Instron 5564 [134]; - влагоудерживающую способность центрифугированием образцов [157]. Органолептическую оценку готовых продуктов проводили методом закрытых дегустаций, разработанным на основании ГОСТ 28283-89. Контролировали следующие показатели: запах, вкус, консистенцию, внешний вид и цвет, которым было присвоено количественное выражение в баллах (таблица 2.1).
Математическое моделирование экспериментальных данных по конструированию модельных сред
Для объективного определения перспективности модельных сред с целью проведения дальнейших исследований осуществлялось математическое моделирование полученных в процессе эксперимента данных, отражающих в различной степени влияние количества сывороточных белков на индикаторы качества модельных сред.
Цель моделирования - определить на основании анализа графических зависимостей оптимальный состав модельных сред.
В качестве регулируемого фактора X принято количество ИСБ в процентах в составе модельной среды.
Управляемые факторы были различной значимости: Yj — титруемая кислотность модельной среды, —» Т min; Y2 — показатель биологическая ценность, не 60 %; Y3 - аминокислотный скор лимитирующих аминокислот "метионин+цистин", не 100; Y4 - органолептическая оценка, баллы, — max (15 баллов). Комплексные показатели, характеризующие степень влияния регулируемого фактора на каждый из управляемых, приведены в табл. 3.2.1. Здесь же показаны результаты нормирования по максимальному значению однородного показателя по формуле:
Учитывая то, что показатель КРАС — min, то при расчете целевой функции он будет с отрицательным значением. Выделение основных обесценивающих показателей, влияющих на органолептическую оценку модельных сред, позволило данный показатель ввести в целевую функцию с положительным значением. Следовательно, целевую функцию определяли по формуле:
На основании максимального значения целевых функций по каждой серии модельных сред для дальнейших исследований выбраны оптимальные. Расчёты проводились в табличном процессоре "Ms. Excel" путем шаблонного введения соответствующих формул.
На рисунках 3.2.1-3.2.4 представлены графические зависимости, отражающие степень зависимости каждого управляемого фактора от значения регулируемого.
Согласно данным, приведенным в табл. 3.2.2, можно заключить, что все уравнения регрессии с достаточной степенью точности описывают взаимосвязь регулируемого и управляемых факторов. Это подтверждается минимальными значениями ошибки прогнозирования.
Проведённое нормирование управляемых факторов позволило определить значение целевой функции для каждой модельной среды (табл. 3.2.1). Сравнительная характеристика значений целевых функций представлена в виде гистограмм нарис. 3.2.5.
Анализ полученных регрессионных уравнений и сравнительной характеристики целевой функции позволяет сделать выводы: - все модельные среды отличаются высокими характеристиками индикаторов качества; - наиболее оптимальными показателями отличается модельная среда МБС 1; - на втором месте по показателям качества находится модельная среда МБС 2.
Компонентный состав и проектирование рецептур нового биопродукта
Основным молочным компонентом продукта является обезжиренное (нежирное) молоко, полученное путем сепарирования цельного коровьего молока или сухое обезжиренное молоко, восстановленное традиционным способом. В соответствии с результатами экспериментальных исследований выбран следующий ингредиент — изолят сывороточных белков в виде препарата PSD 047. Химический состав молочных ингредиентов приведен в табл. 3.1.2. Для обогащения продукта подобраны витамины фирмы "Хоффманн-ля Рош", широко используемые в пищевой промышленности и рекомендуемые для обогащения молочных продуктов. Определение количества витаминов А, Е и С проводили расчётно-экспериментальным путем. При этом учитывалось, что среднесуточная потребность юношей и девушек составляет витамина А (РЭ) 1000 мкг, витамина Е (ТЭ) 12-15 мг, витамина С (аскорбиновая кислота) 65-75 мг. В состав плодов, овощей и других растительных продуктов входят самые разнообразные химические соединения: углеводы, органические кислоты, витамины, минеральные, ароматические и красящие вещества. Растительные компоненты играют исключительно важную роль в питании человека, снабжая организм всеми необходимыми веществами. Вследствие их биологической ценности, вкусовых качеств они используются в натуральном виде, а также в совокупности с другими пищевыми продуктами.
Основная цель подбора растительных ингредиентов - использование их ценного химического состава и вкуса для обогащения или создания нового биопродукта. В частности, из витаминов особое внимание было уделено массовой доли витамина С (аскорбиновая кислота). В связи с чем выбраны плоды шиповника и ягоды черной смородины, химический состав которых приведён в табл. 4.2.1. Результаты оптимизации свидетельствуют о достижении цели. На следующем этапе проведена проверка достаточности нормирования основных витаминов в биопродукте. Контролем служило основное сырье - обезжиренное молоко, витаминный состав которого в расчётах приведен по литературным данным [27, 68, 89, 101]. Расчёты представлены в табл. 4.2.7. На основании сравнительного расчёта, результаты которого приведены в табл. 4.2.7, определено, что продукт необходимо обогатить такими витаминами, как С, А, Е, которые являются жизненно важными для организма юношей и девушек. Установлено, что вышеперечисленных витаминов в 100 г продукта должно быть не менее: - витамина С - 10,5 мг; - витамина А (РЭ) 150 мкг; - витамина Е (ТЭ) - 6,75 мг. Для обогащения нового биопродукта витамином С подобрана добавка L-аскорбиновой кислоты (ЕЗОО). С учетом технологических потерь (20 %) её количество должно составлять на 1000 кг - 0,13 кг. Для обеспечения в биопродукте нормативного количества витамина А используется добавка препарата "Витамин А Ацетат 1,5 млн. МЕ/г", которая содержит 450000 мкг ретинола/г, стабилизированного токоферолом. Данной добавки необходимо ввести 0,021 кг на 1000 кг нормализованной смеси для биопродукта. Для обогащения биопродукта витамином Е подобран препарат "dl-a-Токоферол-Е307", это масляная форма витамина Е. Его расчётное количество составляет на 1000 кг нормализованной смеси компонентов 0,075 кг.
