Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
1.1 Состав, свойства и перспективы использования белков молока в технологии продуктов питания 7
1.1.1 Биохимические свойства 7
1.1.2 Функционально-технологические свойства 16
1.2 Использование мембранной технологии в молочной промышленности 24
1.3 Заключение по обзору литературы и задачи исследований 38
2. Методика выполнения работы 42
2.1 Схема проведения эксперимента 42
2.2 Объекты исследований 44
2.3 Основные методы исследований 45
3. Результаты исследований и их обсуждение 50
3.1 Исследование влияния технологических факторов и процессов на закономерности концентрирования белков молока ультрафильтрацией 50
3.1.1 Подготовка молока для ультрафильтрации 50
3.1.2 Анализ закономерностей процесса ультрафильтрации 58
3.2 Оценка биохимического состава и свойств белков МБК-УФ 65
3.3 Изучение качественного и количественного состава микрофлоры... 70
3.4 Анализ технологических свойств МБК-УФ 74
3.4.1 Стабилизационные свойства в отношении газожидкостных дисперсных систем 76
3.4.2 Влагоудерживающие и эмульгирующие свойства 80
3.4.3 Реологические свойства. 82
4. Практическая реализация результатов работы 92
4.1 Технологическая схема по производству молочного продукта на основе ультрафильтрационного молочно-белкового концентрата 92
4.2 Состав, свойства и продолжительность хранения муссов 96
4.3 Химический состав, биологическая и энергетическая ценность муссов 101
4.4 Эффективность выработки / 103
Выводы и результаты 116
Список использованных источников
- Функционально-технологические свойства
- Основные методы исследований
- Подготовка молока для ультрафильтрации
- Состав, свойства и продолжительность хранения муссов
Введение к работе
На всех этапах развития общества к основным формам его деятельности относится получение продуктов питания. Обеспечение ими населения является важнейшей проблемой человечества. В нашей стране сущность и необходимость развития этого направления сформулированы в Концепции государственной политики в области здорового питания, одобренной постановлением Правительства РФ (№917 от 10.08.98). Этот документ предопределяет необходимость обеспечения населения продовольствием в достаточном ассортименте и количестве. Наряду с количественным аспектом решения продовольственной проблемы, связанным с увеличением производства пищевых ресурсов, на первый план выдвигается качественный, направленный на улучшение структуры питания.
Важнейшее место в реализации государственной политики в области здорового питания отводится молочной отрасли. Молоко и молочные продукты, являясь продуктами повседневного потребления, занимают одно из ведущих мест в рационах всех возрастных групп. Поэтому увеличение объемов производства, улучшение качества, повышение пищевой и биологической ценности, а также расширение и совершенствование ассортимента являются актуальными задачами молочной промышленности.
В настоящее время наметилась устойчивая тенденция переработки молочного сырья на основе комплексного использования сырьевых ресурсов, а также сочетания традиционных и новых физико-химических и био-технологических способов воздействия при его переработке. Значимость такого подхода возрастает в связи с тем, что по различным причинам сократить дефицит продовольствия наращиванием сельскохозяйственного производства в ближайшие годы представляется затруднительным.
Все вышеизложенное указывает на то, что в решении продовольственной проблемы существенное значение имеет привлечение в пищевой баланс дополнительных источников, ранее не использовавшихся или использовавшихся ограниченно для пищевых целей. Это возможно осущест-
вить на основе новых подходов к переработке, поскольку особенности строения и состава нетрадиционного сырья делают в ряде случаев неэффективными обычные методы технологического воздействия. В этой связи естественно предположить, что в XXI веке в значительной степени интенсифицируются технологии экологически безопасных и, самое главное, малозатратных экономически и технологически обоснованных процессов переработки материалов и получения на их базе полезных и необходимых для общества продуктов питания.
Важное место среди таких технологических процессов являются мембранные, другие нетрадиционные и комбинированные процессы обработки веществ и материалов. Мембранные методы разделения сред уже сегодня заняли прочное место в арсенале промышленных технологических процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и технологии ожидается в XXI веке. Учитывая, что в молочной промышленности значительная часть сырья подвергается фракционированию, внедрение мембранных технологий является чрезвычайно актуальным.
Вклад в развитие мембранных технологий переработки молочного сырья внесли отечественные ученые П.Ф. Крашенинин, Н.Н. Липатов, A.M. Маслов, А.Г. Храмцов, Л.А. Остроумов, В.Д. Харитонов, И.А. Евдокимов, А.А. Храмцов, Н.А. Тихомирова, К.К. Полянский, С.А. Рябцева, Г.Б. Гаврилов и другие ученые.
Анализируя мировой опыт, установлено, что по пути промышленного использования мембранных технологий при создании молочных продуктов питания проводят интенсивные научные исследования наиболее развитые страны Европейского Экономического Сообщества, США, Кана-да, а также Япония, Китай, ведущие Азиатские страны. В нашей стране в начале 90-х годов XX века развитие рыночных отношений вызвали необходимость следовать общемировым тенденциям в технологии создания молочных продуктов. Для дальнейшего развития технологий необходимы новые научно-технические решения, базирующиеся на нетрадиционных
подходах к решению имеющихся проблем.
Разработка новых и совершенствование традиционных мембранных технологий в молочной промышленности направлено на повышение качества и безопасности продуктов, придание им новых и улучшенных потребительских свойств, снижение энергоемкости их получения. Помимо отмеченных преимуществ, мембранные технологии позволяют в значительной степени целенаправленно фракционировать самую ценную часть молока, а именно - молочные белки. Основными преимуществами использования мембранных методов переработки молока являются: возможность направленного регулирования его состава и свойств, создание продуктов с высокой пищевой и биологической ценностью; комплексное и рациональное использование технологических процессов.
Таким образом, возникла необходимость проведения дальнейших исследований, обеспечивающих осуществление процессов фракционирования и концентрирования компонентов молока для получения высококачественной продукции с заданными,свойствами. В этой связи выполнены экспериментальные и аналитические исследования физико-химических свойств сырья при создании новых видов продуктов питания, проведена промышленная адаптация технологий, налажено серийное производство продукции. Результаты и рекомендации, полученные на основании прове-денных исследований, использованы при разработке и внедрении технологий новых видов белковых молочных продуктов.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России, на 2007-2012 годы» по лоту «Работы по проведению 2-ой очереди проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии» (мероприятие 1.2 Программы)» шифр «2007-2-1.2-03-02-002».
Функционально-технологические свойства
Под функциональными свойствами белка понимают физико химические характеристики, определяющие его поведение при переработке в пищевые продукты. К наиболее важным из них относят растворимость и набухание, способность стабилизировать пены и эмульсии, образовывать гели в водных растворах полимеров. Требования к функциональным свойствам белка различаются в зависимости от характера процесса переработки молока в те или иные пищевые продукты, поэтому данные о них позволяют выбрать и оптимизировать процесс переработки белка [3, 135].
Растворимость - важное функциональное свойство, которое используют как первичный показатель качества белка. Растворимость белков главным образом связана со способами и режимами их выделения, сушки и хранения. На растворимость белка, равно как и на другие функциональные свойства, оказывает влияние рН, содержание солей, а также концентрация белка в растворе и степень его денатурации. Развертывание полипептидной цепи при денатурации глобулярных белков приводит к изменению их физико-химических свойств: вязкости, седиментации, диффузии.
Основные пищевые белки, в том числе и молочные, относятся к глобулярным белкам, хорошо растворимым в водных растворах. Однако стоит отметить, что белки, выделенные в изоэлектрической точке, обладают ограниченным диапазоном функциональных свойств. Поэтому в ряде случаев для повышения растворимости прибегают к модификации с использованием физических, химических и ферментативных методов [17, 20, 30, 142].
При использовании в качестве экстрагента раствора кислоты наблюдается несколько большие потери белка и отделение с ним части остаточных липидов, а также более высокая степень удаления минеральных веществ. Растворимость белка снижается менее значительно, чем при обработке спиртом, и может быть повышена нейтрализацией концентрата белка перед сушкой.
Белки обладают свойствами стабилизировать эмульсии. В этом качестве они имеют ряд преимуществ перед низкомолекулярными поверхност г но-активными веществами благодаря способности образовывать на по верхности дисперсных частиц прочный адсорбционный слой, препятствующий слиянию дисперсных частиц. Механизм действия их как эмульгаторов и формирование эмульсии жира в воде с последующей стабилизацией можно объяснить тем, что гидрофильные группы белка ориентируются к молекулам воды, липофильные - к частицам жира. В результате этого на поверхности частиц диспергированного жира образуется тонкая защитная белковая оболочка, которая предотвращает распад эмульсии в процессе термической обработки. Кроме того, эмульсии, получаемые на основе ка-зеината натрия, обладают стойкостью при замораживании. Структура белковой оболочки вокруг жировых шариков остается неповрежденной во время распылительной сушки эмульсий, что важно при производстве сухих эмульсий. Высушенные эмульсии способны восстанавливаться в воде без коалесценции жира [21, 80]. Наибольшей эмульгирующей способностью обладают белки животного происхождения, в частности казеинат натрия. Кроме того, казеин и его агрегаты проявляют более высокую эмульгирующую способность при гомогенизации с высоким давлением, обеспечивая лучшую сохранность продукта.
Исследования по изучению эмульсий с применением казеина и ка-зеинатов в модельных системах масло-вода с использованием методов электронного микроскопирования свидетельствуют о перспективности использования в качестве эмульгаторов казеина и казеинатов. Причем речь идет о применении казеина не только в нативном виде, но и отдельных его фракций, таких как asr и Р-, составляющих 75% от общего количества фракций [76, 103].
Важным функциональным свойством молочно-белковых концентратов является их водосвязывающая способность (ВСС), которая позволяет им найти широкое применение в пищевой промышленности. Применение молочно-белковых концентратов (МБК), и в частности, казеината натрия, в качестве функциональных пищевых добавок, препятствует синерезису, что обусловлено их способностью сорбировать на своей поверхности воду.
Кроме того, молочные белки способны набухать и удерживать влагу при достаточно высоких температурах, практически не изменяя свои свойства. Это дает возможность применять молочно-белковые концентраты при производстве ряда кисломолочных продуктов (йогурт, кефир и т.д.). На водо-связывающую способность молочно-белковых концентратов оказывает влияние способ их получения, вид коагуляции (кислотная или тепловая), химический состав белковых компонентов, присутствие солей и величина активной кислотности [62, 112, 115, 137].
Основные методы исследований
При выполнении работы использовали общепринятые, стандартные и оригинальные методы исследования.
Отбор проб и подготовка их к анализу проводили по ГОСТ 9225, ГОСТ 26809, ГОСТ 26929. Физико-химические показатели определяли по стандартным методикам: массовой доли влаги по ГОСТ 30305.1;
Массовую долю казеинов, сывороточных белков, а также общее содержание белка (в зависимости от вида продукта) определяли по ГОСТ 25179 рефрактометрически и методом формольного титрования. В качестве арбитражного использовали метод Къельдаля. Определение небелкового азота проводили в фильтрате после осаждения белков фотометрическим методом [56]. Фракционирование азотистых веществ, а также изучение их состава и свойств проводили по известным методикам [46].
Массовую долю аминокислот определяли методом распределительной хроматографии после гидролиза белков. Принцип метода состоит в том, что навеску вещества помещают в двухфазную систему, между которыми происходит распределение аминокислот в зависимости от коэффициента подвижности Fr [70].
Массовую долю жира определяли кислотным методом Гербера по ГОСТ 5867. Метод основан на выделении жира из молока и молочных продуктов под действием концентрированной серной кислоты и изоамилового спирта с последующим центрифугированием и измерении объема выделившегося жира в градуированной части жиромера.
Массовую долю моно- и дисахаров определяли по руководству [70].
Титруемую кислотность определяли по ГОСТ 3624, активную кислотность измеряли на потенциометрическом анализаторе по ГОСТ 26781.
Массовую долю макро- и микроэлементов определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Принцип метода основан на способности диссоциированных атомов элементов поглощать свет в узкой области спектра. Исследования проводили на приборе "Hitachi" (Япония) по приложенной инструкции.
Содержание витаминов в арбитражных случаях по ГОСТ 7047; плотности ГОСТ 3625.
Микробиологические показатели определяли с учетом требований, указанных в СанПиН 2.3.2.1078-01 по стандартным и общепринятым методикам с учетом требований, указанных в МУ 4.2.727-99 «Гигиеническая оценка сроков годности пищевых продуктов»: бактерии группы кишечных палочек, КМАФАнМ по ГОСТ 9225; патогенные микроорганизмы в т. ч. бактерии рода Salmonella - ГОСТ 30519, ГОСТ Р 50480; Staphylococcus aureus по ГОСТ 30347; плесени и дрожжи по ГОСТ 10444.12.
Определение содержания токсичных элементов, пестицидов, антибиотиков и радионуклидов: свинца - по ГОСТ Р 51301, ГОСТ 26932, ГОСТ 30178, ГОСТ 30538 и МУК 4.1.986; мышьяка - по ГОСТ Р 51766, ГОСТ 26930 и ГОСТ 30538; кадмия - по ГОСТ Р 51301, ГОСТ 26933, ГОСТ 30178, ГОСТ 30538 и МУК 4.1.986; ртути - по ГОСТ 26927 и МУ 5178; радионуклидов стронция-90 и цезия-137 - по МУК 2.6.1.1194.
Средний диаметр мицелл казеина определяли методом светорассеяния, который основан на измерении, интенсивности рассеяния падающего света частицами белка [56]. Способность к формированию ГДС (пенообразующую способность) определяли методом П.А. Ребиндера (методом кратности пен) и выражали в процентах [107].
Устойчивость ГДС за определенную продолжительность времени вычисляли как отношение начальной высоты ГДС к конечной и выражали в процентах [54].
Дисперсность ГДС, размер и количество воздушных пузырьков определяли методом микрофотографирования с предварительным замораживанием образцов в атмосфере жидкого азота. Обработку результатов проводили по методикам, изложенным в [107].
Влагосвязывающую, жироэмульгирующую и жироудерживающую способность МБК-УФ изучали по традиционным методикам, приведенным в практикуме по коллоидной химии [107].
Подготовка молока для ультрафильтрации
При ультрафильтрации обязательным является тщательная предварительная подготовка молока, которая осложняется тем, что оно представляет собой сложную биологическую систему, в. которой растворенные минеральные соли, углеводы, липиды, азотистые вещества и другие вещества представляют собой дисперсную систему со взвешенными коллоидными, и эмульсионными частицами. Помимо них, содержащиеся в молоке микроорганизмы, способны в значительной степени снижать качество получаемых концентрата и пермеата.
Проведенный нами анализ литературных данных позволил сформулировать требования к предварительной обработке молока перед ультрафильт рацией: максимальное удаление микрофлоры и регулирование состояния казеиновой фазы с целью максимального ее извлечения при минимизации явления концентрационной поляризации. Обеспечить эти требования возможно путем пастеризации исходного молока-сырья, а также придание мицеллам казеина такого размера, который был бы достаточным для их извлечения (размеры частиц жировой фазы в достаточной степени удовлетворяют техническим требованиям ультрафильтрации, а молекулы лактулозы слишком малы и в незначительной степени переходят в концентрат при ультра-фильтрационной обработке).
Анализ полученных результатов показал, что с увеличением как температуры, так и продолжительности теплового воздействия эффективность пастеризации возрастает. Это означает, что увеличивается отношение количества уничтоженных бактериальных клеток к количеству бактериальных клеток в сыром молоке. Требуемая эффективность пастеризации (не менее 99,99%) отмечается при следующих тепловых режимах: температура 92+2С, продолжительность не менее 300 с, температура 97+2С, продолжительность не менее 180 с.
Параметры пастеризации неизбежно приводят к изменению казеинат-кальцийфосфотного комплекса и нативного состояния сывороточных бел ков: изменяется диаметр мицелл казеина, происходит частичное изменение сольватации его молекул, изменяется соотношение в структуре образованных азотистых веществ. Комплекс этих явлений в конечном счете будет влиять на закономерности мембранного концентрирования. В этой связи рассмотрим влияние пастеризации на изменения, происходящие с белковой фазой молока.
Установлено, что с увеличением температуры пастеризации дисперсность мицелл казеина увеличивается: в непастеризованном молоке 51,3% всех мицелл имели диаметр менее 60 нм, аналогичный показатель для молока, пастеризованного при температуре 92+2С в течение 300 с, составляет 72,0%, а при температуре 97+2С в течение 180 с, колеблется на уровне 88%. Тем не менее, агрегация мицеллярного казеина в частицы с диаметром более 80 нм при пастеризации не отмечается, что, вероятно связано с неспособностью мелких субмицелл сорбироваться на межфазной поверхности крупных мицеллярных агрегатов. Данный факт вероятно связан с перераспределением соотношения между отдельными формами белковых молекул в молоке.
Для установления особенностей деградации белковых молекул при пастеризации провели серию экспериментов, результаты которых приведе ны в табл. 3.2.
Выявлено, что пастеризация приводит к изменению фракционного со-става азотистых веществ молока, однако изменение фракций казеиновых белков оказывается минимальным (на уровне 2,8%, что является меньше погрешности измерений). Полученные данные подтверждают термоустойчивые свойства белков казеиновых фракций. Напротив, обработка молока при температуре 92+2С в течение 300 с является причиной снижения белкового азота на 8,5%, повышение температуры до 97+2С приводит к снижению обсуждаемого показателя на 12,8%. Подобные изменения произошли в результате денатурации сывороточных белков (на 27,3 и 45,5%, соответственно и переходу их фракции небелкового азота).
Состав, свойства и продолжительность хранения муссов
Анализ проведенных экспериментальных данных позволил разработать технологию молочно-белкового концентрата, а также обосновать возможность рационального использования его свойств в технологии десертной молочной продукции. Разработанные по нашей технологии продукты получили название «муссы уникальные», которые в зависимости от использованных компонентов выпускают следующих наименований: «Капучино», «Шоколадный», «Ванильный», «Фруктовый», «Карамельный», «Кофе» и др.
Технологический процесс осуществляют по схеме, представленной на рис. 4.1, в последовательности: приемка и подготовка сырья; подогрев, сепарирование, пастеризация обезжиренного молока и сливок, их хранение; нормализация молока; гомогенизация молока, пастеризация и охлаждение нормализованного молока; заквашивание и сквашивание нормализованной смеси; подготовка основы к ультрафильтрации, ультрафильтрация сгустка; охлаждение молочно-белкового концентрата; внесение подготовленных вкусовых компонентов и сахарного сиропа, подготовленных стабилизаторов, газонасыщение оксидом азота; фасовка, доохлаждение, хранение.
Рецептуры на муссы в зависимости от видовых особенностей (массовой доли жира и используемых наполнителей) приведены в табл. 4.1-4.2.
Анализ полученных результатов показал, что по содержанию санитар-но-показательных и патогенных микроорганизмов исследуемые образцы отличаются высокой надежностью, поскольку искомые микроорганизмы (бактерии группы кишечной палочки, золотистый стафилококк, сальмонеллы) в нормируемых массах продута не обнаружены.
Иная картина установлена при определении плесеней и дрожжей, которые были обнаружены в продукте, причем на восьмые сутки (192:24=8) их содержание превысило установленный верхний предел (на 48,0 и 16,8%, соответственно). Из этого можно заключить, что гарантийный срок хранения с учетом 1,5 срочного (регламентированного Роспотребнадзором) составляет 5 суток (8:1,5=5,3).
Аналогичная картина складывается при контроле в муссе молочнокислых микроорганизмов и лактобацилл, содержание которых достигает минимальной величины на восьмые сутки, т.е. менее 1x107 на 8,3%. Применяя известную методику по оценке продолжительности хранения пробиоти-ческих продуктов, показано, что вероятная продолжительность хранения муссов составляет 5 суток.
По окончанию хранения (на восьмые сутки) изучали показатели безопасности муссов, хранившихся в полимерной пластиковой упаковке, дополнительно контролировали органолептические показатели. Результаты опытов приведены в табл. 4.7 и 4.8.
Установлено, что миграции токсичных элементов в продукт не отмечается, контролируемые потенциально опасные химические вещества содержатся в продукте в концентрациях, более чем на порядок не превышающих установленных нормативов. Помимо перечисленных веществ, содержание радионуклидов цезия-137 (норматив не более 50 Бк/кг) и стронция-90 (норматив не более 25 Бк/кг) в продукте не установлено. зателей не произошло, что указывает на правильность выбранного периода и температурных режимов хранения. Важным критерием оценки качества продуктов является их пищевая, биологическая и энергетическая ценность, причем два последних показателя являются производными от интегрального показателя, которым является пищевая ценность. В свою очередь, пищевая ценность зависит от химического состава продуктов. В связи с тем, что нами разработано более 20 рецептур муссов, которые в дальнейшем заложены в технологической инструкции, приведем усредненные данные в показателях химического состава разработанных муссов (табл. 4.9).
В связи с эффективным использованием сывороточных белков за счет высокотемпературной пастеризации и ультрафильтрационной обработки общий белок, содержащийся в муссах, является полноценным. Скор по незаменимым аминокислотам, которые в некоторой степени лимитируют белки цельного молока (метионин и цистин) колеблется на уровне 100-102%.
1. Исследовано влияние технологических факторов и процессов на закономерности концентрирования белков молока ультрафильтрацией, разработана технология молочно-белковых концентратов, полученных ультрафильтрацией (МБК-УФ), а также регламент выработки муссов «Уникальные» с использованием полученных концентратов.
2. Изучены аспекты подготовки молока к концентрированию белков ультрафильтрацией. Показана целесообразность высокотемпературной пастеризации (92+2С, продолжительность не менее 300 с), ферментация закваской в количестве 5-7% до рН 4,9+0,1.
3. Доказано, что рациональной температурой ультрафильтрации является 50-55С, продолжительность 3-5 ч. Выявлено, что с увеличением скоро-сти движения молочнокислого сгустка до 2,0x10"" м/с удельная производительность ультрафильтрационной установки достигает своих максимальных значений при использовании закваски, содержащей мезофильные культуры.
4. Изучены состав и свойства МБК-УФ. Максимальные значения пено-образующей и влагоудерживающей .способности составили 390-400% и 3,84-5,14 г/г, соответственно), что позволяет использовать МБК-УФ в технологии дисперсных молочных продуктов, содержащих газовую фазу и эмульсию молочного жира.
5. Разработана технология молочных белковых продуктов. Изучены их состав и свойства муссов, показано, что скор белка по незаменимым амино кислотам составляет не менее 100%.
6. На новые продукты разработана техническая документация (ТУ 9222-002-48649017-2002) с массовой долей жира 6 и 9% («Шоколадный», «Карамельный», «Ванильный», «Кофе», «Капучино», «Фруктовый», «Ароматизированный»), установлена продолжительность хранения, результаты работы внедрены в производство: за 2007 г. выработано 149,4 т продукции.
