Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 7
1.1. Особенности формирования структуры аэрированных молочных продуктов 7
1.1.1. Теоретические аспекты пенообразования 7
1.1.2. Механизм стабилизации межфазных слоев аэрированных молочных продуктов 15
1.2. Характеристика состава и свойств стабилизаторов, используемых в технологии аэрированных молочных продуктов 26
1.3. Технологические аспекты создания аэрированных молочных продуктов с использованием растительного сырья 35
1.4. Заключение по обзору литературы, цель и задачи исследований 39
ГЛАВА 2. Методология проведения исследований 43
2.1. Организация выполнения работы 43
2.2. Объекты исследований 45
2.3. Методы исследований 45
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 48
3.1. Исследование влияния коллоидов на пенообразующие характеристики молочных основ 48
3.2. Исследование влияния коллоидов на устойчивость ГДС 54
3.3. Исследование влияния коллоидов на площадь межфазной поверхности в ГДС из молочных основ 57
3.4. Исследование влияния коллоидов на диаметр каналов Плато-Гиббса.61
3.5. Исследование влияния растительного сырья на пенообразующие характеристики и устойчивость ГДС 68
3.6. Исследование влияния полиолов на пенообразующие характеристики восстановленного обезжиренного молока 81
3.7. Практическая реализация результатов исследования 84
3.7.1, Технология аэрированных молочно-растительных продуктов на основе обезжиренного молока 85
3.7.2. Пищевая ценность и химический состав аэрированных молочно-растительных продуктов 91
3.7.4. Безопасность аэрированных молочно-растительных продуктов 92
3.7.4. Установление сроков годности 93
3.7.5. Расчет ожидаемой экономической эффективности 96
Выводы 101
Литература
- Особенности формирования структуры аэрированных молочных продуктов
- Характеристика состава и свойств стабилизаторов, используемых в технологии аэрированных молочных продуктов
- Организация выполнения работы
- Исследование влияния коллоидов на пенообразующие характеристики молочных основ
Введение к работе
Важнейшей стратегической задачей агропромышленного комплекса является удовлетворение потребностей населения в высококачественных и безопасных продуктах питания. Ее решение связано с улучшением структуры питания людей за счет увеличения доли продуктов с высокой пищевой ценностью, в том числе на 20-30% продуктов, обогащенных основными незаменимыми компонентами, с одновременной гармонизацией показателей качества и безопасности продовольствия в соответствии с рекомендациями ведущих специалистов.
Промышленная переработка молока традиционными способами в сливочное масло, сыр, творог и казеин неизбежно связана с получением побочных продуктов, в том числе обезжиренного молока. В странах с развитой молочной промышленностью обезжиренное молоко используют для получения сухого молока и различных сухих молочных продуктов. Рост объемов производства сухого молока имеет важное народнохозяйственное значение, особенно для тех районов страны, население которых из-за специфических природно-географических условий не может быть полностью обеспечено цельным молоком.
При восстановлении сухого обезжиренного молока возможно образование газожидкостных систем, в которых в качестве стабилизатора межфазных слоев выступают гидратированные белки. Способность восстановленного молока к пенообразованию используется для производства молочных взбитых (аэрированных) продуктов. Такие продукты обладают рядом ценных для организма человека свойств, которые обуславливают их функциональную направленность.
Содержащийся в продукте кислород активизирует моторные, ферментативные и секреторные функции желудочно-кишечного тракта, нормализует микрофлору кишечника, ускоряет метаболические процессы. Функциональные свойства аэрированных продуктов специалисты объясняют тем, что через желудок в ткани поступает примерно в 10 раз больше
кислорода, чем через легкие. Одна порция подобного продукта заменяет три-четыре часа на свежем воздухе, а кровь, обогащенная кислородом, активизирует работу внутренних органов.
При заболеваниях сердечно-сосудистой системы в результате атеро-склеротических образований происходит сужение кровеносных сосудов. Это ведет к нарушениям снабжения органов и тканей кислородом. Наряду с традиционными методами лечения и профилактики данного вида заболеваний рекомендуется включать в ежедневный рацион кислородный коктейль.
Переход на малокалорийный режим питания сопровождается постоянным чувством легкого голода. Более того, при недоедании в организме накапливаются продукты обмена веществ. Чем больше ограничения в питании, тем больше таких продуктов накапливается в организме. В этом случае кислородные коктейли помогают сжечь недоокисленные продукты.
Особое значение приобретают аэрированные продукты в условиях перелетов. Результатами экспериментов доказано, что на высоте более 2400 м начинается кислородное голодание организма. Оно может достигать до 25% от физиологически рекомендуемой нормы. В этой связи для улучшения самочувствия при перелетах выдают кислородные коктейли. Для населения северных широт потребление аэрированных продуктов также особенно важно, так как в атмосфере городов содержится на 10-15% ниже кислорода. Все вышеизложенное доказывает целесообразность разработки новых видов аэрированных продуктов.
Исследования, направленные на разработку технологии аэрированных продуктов с применением в качестве стабилизаторов разнообразных структурообразующих веществ, ведутся в КемТИГГПе, ВНИМИ, СевКавГУ и других учреждениях.
Теоретические принципы создания аэрированных молочных продуктов заложены в работах П.А. Ребиндера, И.Н. Влодавца, Н.Н. Липатова,
А.П. Белоусова, А.Г. Храмцова, В.Д. Харитонова, П.Г. Нестеренко и других ученых.
В настоящей работе предпринята попытка исследования возможности использования восстановленного обезжиренного молока для создания технологии новых видов аэрированных продуктов. В диссертации теоретически обоснован и на практике реализован выбор стабилизаторов для получения устойчивой аэрированной структуры, получены данные об особенностях влияния на пенообразующую способность и устойчивость растительного сырья, разработан технологический регламент и рецептуры изготовления оригинальной молочной продукции, проведены сравнительные микробиологические исследования, подтверждающие ее безопасность. Результаты работы апробированы в производственных условиях. По материалам диссертации опубликовано восемь печатных работ, в том числе в теоретическом журнале «Хранение и переработка сельхозсырья».
Особенности формирования структуры аэрированных молочных продуктов
Важным процессом, имеющим место в пищевой промышленности, является пенообразование. По мнению различных авторов, практическое использование пен ограничено несколькими областями, в основном теми, в которых для оптимизации свойств пен можно использовать принципы регулирования технологических параметров [6, 70, 26, 35, 43]. Исследование процесса пенообразования дает ценные сведения для различных областей науки, в том числе пищевой технологии. По этой причине главной задачей в пищевой промышленности является разработка научных теоретических принципов получения пенообразных масс с заданными характеристиками [10, 18, 36, 78, 84, 85, 92, 93, 99, 100, 104, 126, 141].
Существует много способов получения пен. Как и другие дисперсные системы, пена может быть получена с помощью конденсационного и диспергационного способов [41, 56, 131, 159].
При конденсационном способе пена получается вследствие образования газовых пузырьков в жидком растворе при уменьшении давления или повышении температуры (достижении пересыщения раствора), а также в результате химической реакции [56].
При диспергационном способе пена образуется в результате дробления газа на пузырьки при подаче его в раствор пенообразователя через капиллярные трубки, пористые пластины, сетки или ткань (барботажные или пневматические способы) или при продувании газа через орошаемые раствором сетки. Диспергирование газа происходит также при встряхивании сосуда, частично заполненного жидкостью, при совместном перемешивании жидкости и газа с помощью мешалок, перфорированных дисков и цилиндров (роторно-пульсационные аппараты) [12, 95, 109] и других устройств, при выливании струи раствора с высоты на поверхность того же раствора, при эжектировании воздуха движущимся потоком жидкости. Различные варианты обоих способов широко распространены. Во многих отраслях пищевой промышленности наибольшее распространение получили разнообразные нехимические методы (перемешивание, пеногенери-рование, взбивание, выливание и т.п.). Наиболее распространенные газы, образующие дисперсные системы в пищевой промышленности - воздух (смесь газов), кислород-, углекислот-, азотсодержащие газы [43, 84, 93].
Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из пузырьков газа, разделенных прослойками жидкости, которая образуется при смешивании жидкости с газом во время транспортировки или при внедрении в нее газа. Дисперсия газа в жидкости, в которой концентрация газа мала, а толщина жидких прослоек сопоставима с размером газовых пузырьков, называется газовой эмульсией, или шаровой пеной. Форма пузырьков в газовой эмульсии сферическая (если размеры не очень велики), причем пузырьки не связаны друг с другом [56, 101, 127]. Жидкости способны образовывать пены, состоящие как из пузырьков шарообразной формы (дисперсия воздушных пузырьков), так и из пузырьков, имеющих форму многоугольника и разделенных прослойками жидкости (ячеисто-пленочная пена). Начиная с момента прекращения насыщения жидкости газом, на поверхности жидкости формируется слой ячеисто-пленочной пены. Данная пена образуется в результате отстаивания воздушных пузырьков и их соединения друг с другом, то есть коалесценции. Если скорость этого процесса очень велика, то уже при перемешивании возникающая воздушная дисперсия коалесцирует и образующаяся пена имеет пленочно-ячеистую структуру [141, 159].
Вследствие большой разности плотностей газа и жидкости пены довольно быстро расслаиваются на чистую дисперсионную среду и более концентрированную пену, которая в зависимости от условий (типа и концентрации поверхностно активного вещества (ПАВ), температуры и т.д.) в пенообразующем растворе либо быстро разрушается, либо превращается в полиэдрическую пену [142].
В монодисперсных пенах деформация сферических пузырьков с возникновением пленок в местах их контакта развивается, если содержание газа в системе достигает 50% при простой кубической упаковке пузырьков или 74% при гранецентрированной кубической или гексагональной упаковке. В полидисперсной пене переход к полиэдрической форме начинается при кратности пены, достигаемой 10, а структуру, соответствующую переходной форме пузырьков от сферической к полиэдрической, иногда называют ячеистой [56].
Характеристика состава и свойств стабилизаторов, используемых в технологии аэрированных молочных продуктов
Чтобы придать пищевым продуктам требуемую консистенцию или улучшить ее, а также обеспечить устойчивость дисперсии, применяют пищевые добавки, изменяющие их реологические свойства. Ассортимент веществ, улучшающих консистенцию, достаточно широк — это загустители, желе- и студнеобразователи, пищевые поверхностно-активные вещества, а также стабилизаторы физического состояния и разрыхлители. Химическая природа этих веществ разнообразна. Для этой цели используют как вещества неорганической природы, так и вещества растительного и микробного происхождения [108].
В доступной литературе имеются сведения о классификациях струк-турообразователей [3, 13, 76]. Существует несколько классификационных признаков структурообразователей, трактующих разные подходы. По источникам выделения различают структурообразователи животного, растительного и микробиологического происхождения. По происхождению - натуральные, биосинтетические, синтетические, полусинтетические, которые в свою очередь делятся на экссудаты, водорослевые сухие экстракты и порошки, получаемые, например, из семян растений. Остановимся более подробно на составе и свойствах основных видов структур ообразовател ей, используемых в технологии молочных продуктов [123, 125].
Агар (Е 406) является классическим представителем класса загустителей, стабилизаторов и желеобразующих веществ. Его получают из морских водорослей Белого моря и Тихого океана. Название этого полимера имеет малазийское происхождение и означает «желирующий продукт питания из водорослей». Основу агара составляет дисахарид агароза, молекула которой построена из D-галактозы и 3,6-ангидро-Ь-галактозы [108]. Здесь и в других случаях в скобках указан шифр по международной классификации пищевых добавок.
Свойства агара различаются в зависимости от его происхождения. Обычно агар состоит из смеси агароз, отличающихся по степени полимеризации; в их состав могут входить разные металлы (калий, натрий, кальций, магний) и присоединяться по месту функциональных групп. В зависимости от соотношения полимеров и вида металлов значительно изменяются свойства агара. Агар незначительно растворяется в холодной воде и набухает в ней, в горячей же воде образует коллоидный раствор, при остывании превращающийся в прочный студень, обладающий стекловидным изломом [37].
С гигиенической точки зрения агар безвреден и во всех странах допускается его использование в пищевых целях [96]. Концентрация его не лимитирована и обусловлена рецептурами и стандартами на пищевые продукты. Агар применяют в кондитерской промышленности при производстве желейного мармелада, пастилы, зефира, при получении мясных и рыбных студней, желе, пудингов и т.п. При этом комитет экспертов ФАО/ВОЗ считает допустимой суточную дозу агара для человека до 50 мг/кг массы тела, что значительно выше той дозы, которая может поступить в организм с пищевыми продуктами [13].
Агароид (черноморский агар) получают из водорослей филлофлоры, растущих в Черном море. Основу агароида также составляет агароза. В молекулу агароида входят сульфокислые группы - 22...40% от общего числа функциональных групп и карбоксильные - 3...5%, тогда как в моле куле агара их соответственно 2...5 и 20...25% от доли всех функциональных групп. Эти различия в структуре определяют и разную студнеобра-зующую способность, которая у агароида в 2...3 раза ниже, чем у агара. Агароид, кроме того, имеет более низкие температуры плавления и застудневания, меньшую химическую устойчивость. В пищевой промышленности агароид находит аналогичное агару применение [74].
Фурцелларан (датский агар) - полисахарид, получаемый из морской водоросли фурцеларии. По способности к студнеобразованиго он занимает промежуточное положение между агаром и агароидом и применяется при производстве мармелада и желейных конфет, ароматизированных молочных напитков и пудингов. Экспертным комитетом по пищевым добавкам ФАО/ВОЗ определена допустимая доза фурцелларана - до 75 мг на 1 кг массы тела [13].
Каррагинаны (Е 407) по химической природе близки к агару и ага-роиду. Их название происходит от названия ирландского города Каррик. Каррагинаны называют также «ирландским мхом». Каррагинаны входят в состав красных водорослей, их структура гетерогенна. Различают несколько типов идеальных каррагинанов, обозначаемых греческими буквами «X», «ф , «х», «І», «ц» и «v». Вид водоросли влияет на тип получаемого из него каррагинана. Их структурообразующие свойства, также как и растворимость в воде, зависят от фракционного состава каррагинанов. Например, очень гидрофильный А,-каррагинан, макромолекулы которого могут находиться друг от друга на значительном расстоянии, препятствующем образованию связей, является только загустителем. Макромолекулы %- и С-каррагинанов, растворяющиеся при повышенных температурах, и после охлаждения образуют зоны сцепления, характерные для структурной сетки геля, проявляя свойства студнеобразователей. Каррагинаны не расщепляются ферментами в желудочно-кишечном тракте и могут применяться в области производства низкокалорийных продуктов [38, 124].
Организация выполнения работы
Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в соответствии с поставленными задачами в научно-исследовательской лаборатории кафедры технологии молока и молочных продуктов Кемеровского технологического института пищевой промышленности. Общая схема исследований представлена на рисунке 2.1. Весь цикл исследований состоял из нескольких логически взаимосвязанных этапов.
Первый этап посвящен исследованию влияния коллоидов на пенооб-разующие свойства молочных основ, под которыми понимали восстановленное обезжиренное молоко с различной массовой долей белка (до 9%). Он включал изучение влияния состава и свойств молочных основ на изменение их плотности при газонасыщении.
Проводили исследования по изучению влияния гелеобразователей различной химической природы (агара, желатина, пектина яблочного, картофельного крахмала, гуаровой камеди и моноглицеридов), а также различного растительного пюре (яблочного, клюквенного, морковного и тыквенного) на закономерности формирования молочных пен. Дозу гелеобра-зователя подбирали с учетом существующих рекомендаций: агара до 1%; желатина до 5%; пектина до 5%; крахмала до 5%; гуаровой камеди до 2,5%; моноглицеридов до 1,25%. Растительное пюре использовали в количестве до 50%. В качестве контролируемого параметра выбрали плотность газожидкостных дисперсных систем.
Второй этап работы связан с исследованием механизма стабилизации структуры газожидкостных дисперсных систем (ГДС). Варьируя параметры воздействующих факторов изучали изменение межфазной поверхности, устойчивости, плотности а также устанавливали динамику производной величины диаметра каналов Плато-Гиббса.
Результаты, полученные в ходе выполнения второго этапа работы использовали для разработки рецептур и обоснования технологического регламента выработки аэрированных молочных продуктов (третий этап работы). Проводили исследования, направленные на установление опти мальных концентраций коллоидов и растительного пюре. Варьируя соотношение ингредиентов рецептуры получали аэрированные молочно-растительные продукты с требуемыми органолептическими показателями.
На следующем этапе изучали химический состав, анализировали пищевую и биологическую ценность разработанных молочных продуктов на основе восстановленного обезжиренного молока, устанавливали продолжительность хранения.
Заключительный этап работы связан с практической реализацией результатов, а именно — разрабатывали нормативную документацию, проводили промышленную апробацию технологии, оценивали ожидаемую эффективность выработки.
Объектами исследования на разных этапах работы являлись: молоко обезжиренное сухое (ГОСТ 10970-87); желатин марки 11 (ГОСТ 11293-89); агар (ГОСТ 16280-88); пектин яблочный ВЯ-1 (ГОСТ 291-86); картофельный крахмал (ГОСТ 7699-78); сахар - песок (ГОСТ 21-94); глюкоза (Р 70.367.39); фруктоза (ТУ 9111-001-58 706213-04); сорбит (ТУ 9325-001-517-60333-2002); гуаровая камедь, моноглицериды и ксилит (сертификаты); вспомогательное сырье и материалы (овощное и плодово-ягодное сырье урожаев 2003-2004 гг.), отвечающие требованиям ОСТ 111 1-81; аэрированные молочно-растительные продукты на основе восстановленного обезжиренного молока, полученные в лабораторных и промышленных условиях с различным составом и свойствам.
При выполнении настоящих исследований использовали общепринятые и специальные физико-химические, микробиологические и органо-лептические методы исследования: - отбор и подготовку проб к анализу проводили по ГОСТ 5904-82; ГОСТ 3622-68; ГОСТ 9225-84; ГОСТ26668-85; - массовую долю сухих веществ определяли ускоренным методом по ГОСТ 3626; - массовую долю лактозы определяли по ГОСТ 3628 йодометриче-ским методом; - массовую долю витаминов Вь В2, РР, А определяли по общепринятым методикам, изложенным в [57]; - массовую долю аскорбиновой кислоты определяли йодометриче-ским методом по ГОСТ 3628; - массовую долю микро- и макроэлементов определяли методом атомно-адсорбционной спектрометрии [116]. Принцип метода основан на способности диссоциированных атомов элементов поглощать свет в очень узкой области спектра; - массовую долю золы определяли методом сжигания; - титруемую кислотность определяли по ГОСТ 3624-67. Метод основан на нейтрализации кислот и их солеёй, содержащихся в продукте, раствором едкой щелочи в присутствии индикатора фенолфталеина; - активную кислотность измеряли на потенциометрическом анализаторе ЭВ-74 по ГОСТ 26781; - определение микробиологических показателей проводили по ГОСТ 9225-85; ГОСТ 30347-97; ГОСТ 50474-93; ГОСТ Р 50480-93; - состав и свойства восстановленного обезжиренного молока исследовали по стандартным методикам
Исследование влияния коллоидов на пенообразующие характеристики молочных основ
Известно, что для получения ГДС с требуемыми свойствами, а также обеспечения их устойчивости применяют пищевые добавки, изменяющие свойства дисперсионной среды. Ассортимент ПАВ, применяемых для регулирования пенообразующих свойств в технологии продуктов питания, достаточно широк. Химическая природа этих веществ разнообразна: для получения пенообразных масс требуемой кратности и дисперсности, а также стабилизации межфазных структур используют вещества белковой природы, полисахариды, а также моноглицериды - производные трехатомного спирта глицерина.
Для изучения влияния коллоидов на пенообразование молочных основ провели серию опытов, используя различные структурообразователи: желатин, агар, пектин, картофельный крахмал, гуаровую камедь и моноглицериды. Известно, что коллоидные растворы данных веществ способны образовывать пены, что свидетельствует об их влиянии на поверхностное натяжение, вязкость, плотность и другие характеристики, которые оказывают влияние на формирование дисперсий. Полагали, что максимальная пенообразующая способность коллоидов достигается в определенном интервале концентраций. Поэтому основной целью данных опытов являлось определение рациональных концентраций коллоидов, позволяющих полу чить ГДС из молочных основ в условиях использования интенсивных гидромеханических воздействий.
Из литературных данных известно, что рациональными технологическими параметрами обработки в роторно-пульсационном аппарате являются: величина зазора между ротором и статором - 0,3±0,2 мм; частота вращения ротора — 3000 об/мин; продолжительность воздействия - 3 мин.
Наряду с применением различного рода структурообразователей изменяли и концентрацию белка в молочной основе. Это обусловлено тем, что белок является амфотерным высокомолекулярным соединением и, следовательно, логично предположить, что его обводненность, выраженная через массовую долю, будет оказывать влияние на пенообразующие характеристики молочных основ.
Поскольку измерение пенообразующей активности через кратность пены не дает полного представления о диаметре, количестве, и плотности упаковки пузырьков, а также в известных способах выражается несистемными единицами СИ, то для оценки пенообразующей способности молочных основ опирались на плотность получаемых пен. На рисунке 3.1 показано изменение плотности ГДС в зависимости от изменения концентраций белка и поверхностно-активных добавок в молочных основах.
В результате анализа экспериментальных данных установлено, что максимальными пенообразующими характеристиками обладают молочные основы, содержащие 3% белка. Минимальная плотность этих образцов составила от 302 до 314 кг/м3. Увеличение массовой доли белка до 6 и 9% приводило к повышению плотности получаемой пены до 481-503 и 707-733 кг/м , соответственно.
Выявлено, что внесение в молочную основу желатина (рисунок 3.1, а) служило причиной увеличения пенообразующей способности и, как следствие, снижения плотности. В зависимости от массовой доли белка, плотность образцов изменялась по-разному. Снижение плотности (в 1,29 раза) наблюдали при внесении 5% желатина в молочную основу с содер Влияние коллоидов (a желатин ; б - агар ; в — пектин ; г — картофельный крахмал; д - гуаровая камедь; є - моноглицериды) на пено-образующие свойства молочных основ с массовой долей белка: 1-3%; 2-6%; 3-9% жанием белка 9%. Внесение такого же количества желатина в молочные основы с меньшим содержанием белка (6 и 3%), напротив приводило к увеличению плотности и, соответственно, к ухудшению пенообразующей способности. У образца содержащего 3% молочного белка, с увеличением массовой доли желатина от 1 до 3% плотность снизилась лишь незначительно (в 1,15 раза). Лучших результатов (снижение плотности в 1,27 раза) удалось добиться при внесении 3% желатина в молочную основу с содержанием белка 6%. В целом, можно констатировать, что использование желатина позволяет регулировать пенообразующие свойства молочных основ, однако высокое (до 9%) содержание белка (независимо от концентрации коллоида) не позволяет получить высокодисперсные ГДС.
На рисунке 3.1, (б) представлена динамика пенообразующей способности молочных основ в присутствии агара. Анализируя полученные данные, пришли к выводу, что агар определенным образом влиял на пенообразующие свойства молочных основ: плотность снижалась в среднем на 16-37%, что сопоставимо с аналогичными показателями, характерными для молочных основ с желатином. Исключение составляют молочные основы с содержанием белка 3%, которые отличаются тем, что внесение агара даже в незначительном количестве приводит к повышению плотности пены.
