Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы, научно-технические предпосылки её решения и задачи исследований 11
1.1. Характеристика молочного сырья как объекта исследований для производства мягких сыров и других продуктов І і
1.2. Использование компонентов молочного сырья при производстве мягких сыров и других продуктов 27
1.3. Научно-практические предпосылки применения козьего молока для получения продуктов питания 43
1.4. Научно-техническое обоснование концепции формирования функциональных свойств мягких сыров и других продуктов 52
1.5. Выбор направления работы и задачи исследований 58
Глава 2. Методология исследований 63
2.1. Организация работы и схема проведения исследований 63
2.2. Объекты исследований 65
2.3. Основные методы исследований 66
2.4. Математическое планирование и обработка результатов экспериментов 69
Глава 3. Изучение возможности использования белковых концентратов, получаемых био- и баромембранными методами, для производства мяг ких сыров и других продуктов 73
3.1. Исследование параметров биомембранного процесса получения и термомеханической обработки белковых концентратов 73
3.2. Изучение влияния концентрата натурального казеина и пахты на процесс сычужного свертывания и реологические свойства сырного сгустка 82
3.3. Исследование возможности использования сывороточных белков при производстве мягких сыров 84
Глава 4. Исследование трансформации казеина и сывороточных белков в смесях цельного молока, подсырной и творожной сыворотки 89
4.1. Теоретические предпосылки метода термокислотной коагуляции белков применительно к производству мягких сыров 89
4.2. Изучение влияния физико-химических показателей цельного молока и подсырной сыворотки на эффективность извлечения белков и жира в процессе термокислотной коагуляции 92
4.3. Исследование кинетики перехода казеиновой пыли, азотистых соединений и молочного жира из смеси цельного молока и подсырной сыворотки в белково-жировой продукт 101
4.4. Определение параметров коагуляции цельного молока и творожной сыворотки при получении творожного продукта 102
4.5. Оптимизация параметров трансформации компонентов молочного сырья при производстве мягких сыров и творога 105
Глава 5. Разработка рациональных технологий и предложений по аппара турному оформлению производства мягких, рассольных, сывороточных, плавленых сыров и спредов 116
5.1. Интенсивные технологии свежих мягких рассольных сыров 116
5.2. Малоотходные технологии мягких рассольных сыров 123
5.3. Ресурсосберегающие технологии термокислотных сыров 133
5.4. Малоотходные технологии сыров с чеддеризацией и термомеханической обработкой сырной массы 135
5.5. Инновационные технологии сыров из козьего молока 175
5.6. Альтернативные варианты безотходных технологий мягких сыров 183
5.7. Ресурсосберегающие технологии сывороточных сыров 190
5.8. Использование белковых концентратов в производстве плавленых сыров и спредов 192
Глава 6. Разработка ресурсосберегающих биотехнологий и предложений по аппаратурному оформлению производства оригинальных продуктов на основе компонентов молока, про- и пребиотиков 196
6.1. Пробиотические продукты 196
6.2. Продукты с полным использованием компонентов коровьего и козьего молока 197
6.3. Продукты на основе компонентов коровьего и козьего молока 202
6.4. Продукты для детерминированных групп населения 222
6.5. Тонизирующие напитки и сгущенные концентраты из молочной сыворотки 224
6.6. Синбиотические продукты 226
Глава 7. Изучение пищевой, биологической ценности и показателей безопасности разработанных продуктов 229
7.1. Состав, пищевая и биологическая ценность 229
7.2. Медико-биологическая оценка 253
7.3. Электронно-микроскопические и структурно-механические свойства.. 259
7.4. Адаптированная система качества ХАССП 268
Глава 8. Технико-экономическая, экологическая и социальная оценка разработанных технологий и продуктов 274
8.1. Маркетинговые исследования 274
8.2. Оценка экономической эффективности 282
8.3. Экологические и социальные аспекты производства 288
Выводы 292
Список литературы
- Характеристика молочного сырья как объекта исследований для производства мягких сыров и других продуктов
- Математическое планирование и обработка результатов экспериментов
- Исследование параметров биомембранного процесса получения и термомеханической обработки белковых концентратов
- Теоретические предпосылки метода термокислотной коагуляции белков применительно к производству мягких сыров
Введение к работе
Важнейшим направлением государственной деятельности в агропромышленном комплексе является формирование национальной инновационной системы, позволяющей внедрять современные технологии в любое хозяйство или предприятие. В свою очередь это должно обеспечить выполнение приоритетного национального проекта «Развитие АПК» и задач, поставленных Правительством РФ r области здорового питания населения за снег разработки и внедрения качественно новых безопасных пищевых продуктов, максимального использования биологических свойств сырья и компонентов, способствующих сохранению и укреплению здоровья нации. Такие продукты должны предупреждать заболевания, связанные с неправильным питанием [243].
Создание рациональных технологий биологически полноценных продуктов питания, является одним из актуальных и приоритетных направлений современной пищевой промышленности [103]. Научное обоснование данной задачи и пути ее решения приводятся в трудах Липатова Н.Н., Рогова И.А., Храмцова А.Г., Харитонова В.Д., Сизенко Е.И., Тутельяна В.А., Токаева Э.С., Шендерова Б.А., Молочникова В.В., Тихомировой Н.А., Ганиной В.И. и других видных ученых [37,42, 83,132,155,197,218,257,261,263, 264,286, 314, 321].
Промышленная переработка молока связана с получением значительного количества молочной сыворотки, обезжиренного молока и пахты. Данное вторичное молочное сырье используется недостаточно для создания новых продуктов. Академики Н.Н. Липатов и А.Г. Храмцов разработали концепцию полного и рационального использования всех компонентов молока на принципах безотходной технологии [132, 301].
Малоотходные и безотходные технологии (МОТ и БОТ) позволяют, с одной стороны, максимально и комплексно извлекать все ценные компоненты сырья, превращая их в полезные продукты, а с другой - исключать или уменьшать ущерб, наносимый окружающей среде в результате выбросов отходов производства. В настоящее время в условиях перехода пищевой и перерабатывающей промышленности к рыночной экономике перевод производства на замкнутые циклы рассматривается как одно из фундаментальных направлений в решении вопросов рационального использования природно-сырьевых ресур-
7 сов и охраны окружающей среды. Требования современного рынка диктуют
необходимость создания и внедрения в производство технологий с низкой
энерго-, ресурсо- и капиталоемкостью, позволяющих выпускать качественную
и конкурентоспособную продукцию [37].
Исследования вторичного молочного сырья, продолженные в дальнейшем П.Г. Нестеренко, И.А. Евдокимовым, Э.Ф. Кравченко, М.В. Залашко, В.Е. Жидковым, Е.А. Чеботаревым позволили повысить степень использования обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки на производство биологических полноценных продуктов и напитков [78 - 80, 158, 182,309].
Анализ экономического и технического состояния сыродельной отрасли и прогноз ее развития на перспективу особенно в свете вступления в ВТО предполагает существенное изменение в структуре, технологии и технике сыроделия. По мнению академика Остроумова Л.А. примерное распределение между отдельными видами сыров должно быть следующим: твердые сыры -40 %, мягкие - 30 % и плавленые - 30 % от общего объема производства сыров. В этом случае возможно быстрое наращивание выпуска, существенное расширение ассортимента и улучшение качества сыров [175].
В 2005 г. производство мягких сыров составило 5,5 %, а рассольных -7,3 % от общего количества натуральных сыров.
Теоретические и практические основы производства мягких, в том числе рассольных сыров заложены в трудах крупных ученых отечественного сыроделия: Королева А.Н., Граникова Д.А., Диланяна З.Х., Чеботарева А.И., Николаева A.M., Крашенинина П.Ф., Гудкова А.В., Остроумова Л.А., Уманского М.С., Алексеева В.Н., Рамазанова И.У., Оноприйко А.В., Свириденко Ю.Я., Шилера Г.Г., Шалыгиной A.M., Раманаускаса Р.И., Хамагаевой И.С., Бобыли-на В.В., Смирновой И.А., Майорова А.А., Дунченко Н.И., Щетинина М.П., Шергиной И.А. Гавриловой Н.Б., Голубевой Л.В. и других [24, 41, 46, 55, 64, 109,137,169,175, 206, 207,226, 235, 237, 269, 280, 316, 326, 327, 331].
В настоящее время увеличилось количество исследований по разработке новых видов мягких и (входящих в состав данной группы по новой классификации) рассольных сыров из-за наличия у них ряда преимуществ по сравнению с твердыми сырами. Выпуск мягких сыров более экономичен, так как на их производство расходуется в 1,5 раза меньше молока, не предъявляются
8 высокие специфические требования к его качеству, не нужны значительные
производственные площади для длительного созревания, хранения сыров и установки дорогостоящего специализированного сыродельного оборудования [238]. Организация их производства обеспечивает более быстрый оборот вложенных финансовых средств и позволяет сгладить сезонность фабрикации сыров [230, 231]. Сыры данной группы имеют хорошие товарные свойства и повышенную биологическую ценность. Выпуск мягких и свежих сыров можно организовать па любом молочком заводе [173]. Вместе с тем недостатки технологии основного представителя сыров данной группы - адыгейского, показывают, что длительные (свыше 30 мин) процессы формования и (6 - 16 ч) самопрессования снижают влажность и жирность в сухом веществе сыра. Это часто приводит к получению нестандартного по физико-химическим показателям продукта с грубой, крошливой консистенцией. Из-за отсутствия специального оборудования промышленный способ производства мягких термокислотных сыров в нашей стране несовершенен и требует дополнительных исследований. Данное заключение можно отнести и к трудоемкому производству сыров с чед-деризацией и термомеханической обработкой сырной массы. Технологические аспекты их производства в нашей стране исследованы мало, несмотря на значительный выпуск сыров данной группы.
Технология большинства рассольных сыров так же имеет существенные недостатки: длительное самопрессование, созревание и хранение в рассоле, транспортирование и реализация в бочках с рассолом и др. Это является причиной появления таких пороков, как излишне соленый, кислый вкус, грубая и крошливая консистенция, ослизнение поверхности сыра [206].
К тому же следует отметить, что при дефиците сыропригодного сырья все современные технологии сыров позволяют использовать только 50 % сухих веществ молока и поэтому не могут быть мало- и безотходными. При переработке молока на сыр сопутствующим продуктом является масло. При этом в качестве вторичных отходов образуются: обезжиренное молоко, пахта, сыворотка и другие. Важным и целесообразным является комплексное использование всех компонентов молочного сырья с целью организации мало- или безотходной переработки молока на сыр, масло, белковые, белково-жировые, белково-углеводные и другие продукты.
В связи с вышеизложенным, разработка и внедрение в производство ресурсосберегающих технологий мягких сыров, не имеющих традиционных недостатков и в то же время обладающих высоким качеством, пищевой и биологической ценностью, является актуальной задачей.
Кроме того, целесообразным и обоснованным представляется использование для получения сыров данной группы дополнительного сырья - козьего молока. Особый интерес значимость представляют гипоаллергенные и биологические свойства козьего молока [163]. Медицина отводит особую роль козьему молоку как продукту питания ослабленных и страдающих пищевой аллергией детей. Аллергики обычно чувствительны к протеину коровьего молока (aSi -казеин), а козье молоко содержит в два раза меньше этой фракции [122]. Однако промышленного выпуска сыров из козьего молока в нашей стране нет. Технологии продуктов из козьего молока требует серьезной теоретической и практической проработки. По мнению Кунижева СМ., Аполоховой С.Ф., Остроумовой Т.Л. высокотехнологичные пищевые продукты на основе козьего молока, сыры и другие белковые продукты могут обеспечить рациональное, полноценное и здоровое питание населения нашей страны [15, 19, 59, 99, 122,163,].
Новые баромембранные процессы, исследованные Молочниковым В.В., Храмцовым А.А., Евдокимовым И.А., Конаныхиным А.В., Раманаускасом Р.И., Чагаровским А.П., Фетисовым А.Б., Дыкало Н.Я., Гавриловым Г.Б., Те-кеевым А.А., Рябцевой С.А., Серовым А.В. позволяют перейти не только на мало- и безотходные технологии переработки молока в сыры, но и получать новые функциональные продукты с уникальными лечебно-профилактическими и бифидогенными свойствами [17, 67, 66, 149, 221, 232, 233, 251, 258, 296].
Обобщая вышеизложенное можно сделать выводы о том, что исследования ресурсосберегающих технологических процессов производства мягких сыров и других продуктов являются необходимыми и целесообразными. Углубленное изучение физико-химических, микробиологических, структурно-механических, биологических, технологических характеристик сырьевых молочных ресурсов (коровьего и козьего цельного, а так же обезжиренного молока, пахты, подсырной и творожной сыворотки) с последующей разработкой методов направленного регулирования свойств белково-жировых систем с
10 учетом получения сыров и новых молочных продуктов является составляющими
процессов создания современных технологий.
Вышеизложенное определило актуальность постановки настоящей работы.
Целью настоящей работы является научно-техническое обоснование и экспериментальные исследования направленной и управляемой трансформации молочного сырья - коровьего и козьего молока, пахты, подсырной и творожной сыворотки с реализацией ресурсосберегающих технологий и предложений по аппаратурному оформлению производства мягких сыров и других продуктов.
Работа выполнена в соответствии с заданиями Минмясомолпрома СССР, Госагропрома СССР, в рамках научно-технических программ ГКНТ СССР 0.39.01 «Продовольствие», 038 «Пищевые продукты» п.п. 12.04 Т и 12.04.01 целевой комплексной программы «Лечебно-профилактические продукты на основе технологии «Био-Тон» и традиционных технологий» Минатома РФ, по договорам с Минсоцзащиты РФ, Минсельхоза Ставропольского края и предприятиями отрасли. Исследования осуществлялись также согласно планам НИОКР СКФ ВНИИМС и НИИКИМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Теоретическое обоснование выбора направления исследований малоотходных технологий мягких сыров по законченному технологическому циклу.
Закономерности физико-химических процессов получения сыров и других белковых продуктов по био- и баромембранным технологиям.
Исследования ресурсосберегающих технологий сыров на основе направленной и управляемой трансформации казеина и сывороточных белков молочного сырья.
Результаты физико-химических, микробиологических, биохимических, реологических, электронно-микроскопических, биологических исследований новых видов мягких сыров, в том числе из козьего молока.
Технологии оригинальных продуктов здорового питания на основе молочного сырья, про- и пребиотиков, пищевых волокон.
Предложения по аппаратурному оформлению процессов производства мягких сыров и других молочных продуктов.
Технико-экономическая и экологическая оценка разработанных технологий и продуктов.
Характеристика молочного сырья как объекта исследований для производства мягких сыров и других продуктов
Молоко является сложной полидисперсной системой, содержащей в своем составе большинство неорганических компонентов, лактозу, водорастворимые витамины, небелковые азотистые вещества и другие низкомолекулярные соединения [48,252].
Молоко содержит 87 - 88 % воды. Вода находится в связанном и свободном состоянии. Свободная вода служит дисперсной средой органических и неорганических соединений. Несвязанная вода более (2,0 - 3,5 %) участвует во всех биохимических процессах и посредством гидрофильных групп -NH2 -СООН -, - ОН -, = NH3, - СО -, SH - связывается с белками, фосфолипидами, полисахаридами [252]. Основные компоненты коровьего молока представлены 12 - 14 % сухих веществ; 2,7 - 6 % жира; 4,8 % углеводов и 0,7 % минеральных веществ. Молочный жир в молоке содержится в виде эмульсии из смеси тригли-церидов, содержащих в своем составе более 60 основных жирных кислот. Размер жировых шариков в коровьем молоке составляет от 0,1 до 10 мкм в количестве около 101 мл"1. Проблема липидного состава молока, закономерности биохимической трансформации липидных компонентов молока в процессе выработки сыра рассматривалась Уманским М.С. Им же предложена дифференцированная классификация липидов молока на базе комплексного сочетания признаков строения, состава и свойств компонентов [269].
В состав минеральных солей молока входят макро- и микроэлементы, составляющие около 0,7 %. Минеральные компоненты молока оказывают влияние на сычужное свертывание и свойства сгустка, органолептику, микробиологические процессы и выход сыра. Наибольшее значение имеет содержание Са и Р. Известно, что содержание Са и Р в молоке пропорционально содержанию ка зеина. В состав коллоидного фосфата кальция входит около 30 % Са, в состав казеината кальция - 40 %. 29 - 33 % Са находится в форме истинного раствора, 7 - 10 % Са ионизировано. Коллоидная форма Р составляет около 60 % и 20 % входит в коллоидный фосфат кальция [252]. Требования к коровьему молоку для производства сыров обусловлены биологической сущностью технологических процессов выработки и созревания сыров. Требования к качеству молока для сыроделия согласно ТУ 9811-153 04610209-2004 приведены в таблице 1.1.
Наиболее важным компонентом молока с точки зрения сыроделия являются белки [352]. 75 - 85 % от содержания белка в молоке приходится на казеин. Казеин представляет собой фосфопротеид, который в изоэлектрической точке при 20 С и рН 4,6 коагулирует под действием кислых протеаз. Содержание казеина является основным фактором, влияющим на сыропригодность молока и выход сыра [64, 86]. Повышенное содержание казеина в молоке улучшает его физико-химические показатели (увеличивается содержание Са и Р, повышается титруемая кислотность, ускоряется сычужное свертывание, возрастает качество сгустка и его синерезис), снижает потери жира и белка. Казеинкальцийфосфатный комплекс состоит из 95 % белковых фракций: as,p,%- казеина, наиболее предпочтительных для количественного выхода сыра [118, 240].
Согласно модели Горбатовой К.К. субмицеллы казеина удерживаются в составе мицелл коллоидным фосфатом кальция, цитратом кальция, гидрофобными связями, главным образом отрицательно заряженными группами СОО", РРз и положительно заряженными ионами кальция. Гидрофильные группы связываются с молекулами воды, в результате чего вокруг мицеллы образуется гидратный слой, обеспечивающий стабильность мицеллы казеина в свежем молоке (рН - 6,6) [48].
Другим видом сырья в сыроделии является молочная сыворотка. Она представляет собой ценнейшее белково-углеводное сырье. Анализ достижений ученых различных регионов (Храмцова А.Г., Остроумова Л.А., Нестеренко П.Г., Евдокимова И.А., Жидкова В.Е., Объедкова К.В., Залашко М.В., Кравченко Э.Ф. и др.) подтверждает возрастающую тенденцию использования сыворотки и продуктов ее переработки [76 - 78, 80,152, 172, 302, 304].
Многофункциональность сывороточных белков позволяет использовать их в качестве ингредиентов (сыродельной, кондитерской, маслодельной, хлебопекарной промышленности в качестве обогатителей), пивобезалкогольной при производстве напитков, медицинской, комбикормовой, косметической, витаминной и других отраслях пищевой промышленности [40, 145, 177, 278, 279, 294, 336]. Высокое содержание в сыворотке биологически ценных белков, витаминов, минеральных солей позволяет создавать на ее основе совершенно новые продукты функционального назначения, а использование сывороточного белка в рецептуре традиционных продуктов повышает их биологическую ценность и усваиваемость на 20 - 30 % [14, 83, 303].
Ежегодно в нашей стране освобождается 15-20 млн. т обезжиренного молока, пахты и сыворотки, что составляет около 70 % объема перерабатываемого цельного молока. Почти вся пахта, 40 % обезжиренного молока и 18 % сыворотки используется на пищевые цели [125, 283, 301, 328]. Учитывая это обстоятельство, актуален вопрос организации промышленной переработки молочного сырья в рамках замкнутого технологического цикла. Состав и свойства сыворотки зависят от вида производимого основного продукта. Сыворотку подразделяют на под сырную, творожную и казеиновую [301, 242]. В процентном отношении степень перехода основных компонентов молока в сыворотку составляют: молочного жира - 5,5 %, белка - 24,3 %, сывороточных белков - 95,0 %, лактозы - 99,5 %, минеральных солей - 98 %, сухого вещест-ва-JZ 7о putj.
Математическое планирование и обработка результатов экспериментов
Исследования ультраструктуры белковой фазы сыров проводили по методике ВНИИМС с помощью трансмиссионного электронного микроскопа ЕМ-410 методом сверхбыстрого замораживания - скалывания - травления. Для уменьшения размеров микрокристаллов льда, образующихся при замораживании, образцы сыра замораживались с очень высокой скоростью в среде жидкого азота до температуры - 180 С и помещались в массивный металлический блок, охлажденный до температуры - 196 С. Затем блок с образцом помещался в вакуумную камеру, где после достижения разряжения 10" мм. рт. ст. подвергался раскалыванию. Поверхность скола протравливалась в вакууме и на нее напылялась под углом 30 контрастирующая пленка платины толщиной 3-5 нм. Далее на поверхность напылялся закрепляющий слой углерода толщиной 30 нм. После размораживания объекта полученная реплика снималась с поверхности скола, очищалась от остатков образца и тщательно промывалась. В дальнейшем реплика помещалась на поддерживающую медную сетку и подвергалась исследованиям в электронном микроскопе при увеличении 6000х и 43000х.
Пищевую ценность рассчитывали методом интегрального скора путем сопоставления показателей химического состава сыров с формулой сбалансированного питания [160, 192, 193, 236].
Энергетическую ценность или калорийность сыров рассчитывали путем умножения показателей содержания белков, жиров и углеводов на соответствующие коэффициенты и суммирование полученных произведений. Показатель количества белков умножали на коэффициент 4, жира на коэффициент 9, углеводов (лактозы) на 3,75 [193].
Биологическую ценность белков сыра определяли химическим методом, основанным на подсчете аминокислотного скора, который сводился к вычис лению содержания каждой незаменимой аминокислоты в исследуемом белке сыра, выраженное в процентах от содержания этой же аминокислоты по справочной аминокислотной шкале, соответствующей полностью сбалансированному по аминокислотному составу гипотетического (идеального) белка [193, 360, 397] по следующей формуле: „, г аминокислоты в 100 г данного белка 1ЛЛ ,,n Скор аминокислоты = х 100 (/ U г аминокислоты 100 г стандартного белка
Лимитирующей биологическую ценность (БЦ) аминокислотой считается та, скор которой имеет наименьшее значение.
Биологическую ценность определяли также биологическим методом, который основан на изучении и влиянии одних и тех же количеств различных (исследуемых и стандартных) белков на развитие растущих животных.
Биологическую ценность мягких сыров изучали биологическим методом - в эксперименте - на крысятах-отъемышах 25 - 30- дневного возраста. Опыт проводили по комбинированному методу, объединяющему в себе классические варианты подобных исследований [24, 69, 360, 397] и включающему в себя росто-весовые показатели, балансовые исследования и биохимические показатели, характеризующие основные обменные процессы организма животных. Длительность экспериментов в соответствии с рекомендациями ФАО/ВОЗ составляла 28 суток. В опытных группах было по 10 животных, в рационе которых было 10 % белка, полностью состоящих из исследуемых и контрольных образцов.
Прибавка массы тела животных при известном потреблении рациона и белка позволяет судить о питательности рациона в целом и эффективности белка в частности. Частное от деления прибавки массы тела животных на количество потребленного белка принято называть коэффициентом чистой эффективности белка КЭБ или КЧЭБ, характеризующим биотрансформацию составных частей рациона и анаболические свойства белка. Расчет КЭБ проводится по формуле [192]: ЯЭ2? = А = , (2.2) где: Во - масса животного в начале опыта; В - масса животного в конце опыта; ЛВ - прирост массы тела (в г) за период наблюдения; J - суммарное количество белка (в г), потребленного животным за тот же период. КЧЭБ регистрировали с учетом эндогенного азота.
В балансовых исследованиях строго учитывали потребление рациона животных, потребление белка, выведение азота с мочой и калом. Учет этих данных позволил установить количество полученного животными азота, а известные величины выведения азота с мочой и калом позволили установить баланс азота, переваримость (усвояемость) его и утилизацию в организме подопытных животных.
Показатель биологической ценности БЦ (BV) [360] определяет отношение удержанного в балансовых опытах азота пищи к азоту, абсорбированному из пищеварительного тракта. При расчете этого показателя делаются поправки на количество эндогенного азота мочи и кала, которые теряются организмом в условиях свободной от белка диеты. Показатель биологической ценности рассчитаем по следующей формуле: EmBV) = -=J {F + U)x\00, (2.3) A J-F где: BV- показатель биологической ценности; А - абсорбированный азот; В - азот, входящий в состав тела, измеренный в конце опытного периода; J- азот, потребленный с пищей; F- азот кала; [/-азот мочи.
Математическое планирование и обработка результатов экспериментов
Выявление и отбор основных значимых факторов, влияющих на интенсивность технологических процессов получения белково-жирового продукта, проводились в соответствии с методологией априорного ранжирования факто ров [35]. При изучении влияния технологических факторов на протекание процессов был реализован ряд однофакторных и многофакторных экспериментов.
Анализ и обработку полученных экспериментальных данных выполняли с использованием пакетов прикладных программ: Fisher, MathCAD 13 Professional, MS Excel 2007, StatSoft Statistica 6 [35].
Обработка результатов однофакторных экспериментов выполнялась методом корреляции с использованием персонального компьютера, путем получения уравнений регрессий и графиков функций [28].
Для определения оптимальных параметров и изучали взаимное влияние нескольких факторов на эффективность и полноту процесса, выход и состав продукта.
Для решения таких задач была использована методика центрального композиционного планирования, основанная на построении планов многофакторных экспериментов, позволяющих существенно сократить количество опытов, необходимых для построения адекватной математической модели исследуемых процессов и режимов. В настоящей работе были реализованы планы полных двух- и трехфакторных экспериментов. При осуществлении плана полного многофакторного эксперимента, исследуемые факторы варьируются, как правило, на двух уровнях: верхнем С,+ и нижнем С,".
Исследование параметров биомембранного процесса получения и термомеханической обработки белковых концентратов
Во ФГУП НИИКИМ (ранее ВНИИКИМ) под руководством чл-корр. Россельхозакадемии В.В. Молочникова проведены комплексные целевые исследования по разработке безотходной технологии фракционирования молока полисахаридами, которая получила название «Био-Тон» [150, 180, 262]. На основе системного анализа имеющейся информации по технологии «Био-Тон» Храмцовым А.А. разработано «дерево целей» термодинамического разделения молочного сырья полисахаридами [296].
Представляет интерес исследования влияния ряда технологических факторов на концентрирование белкового комплекса. Для этого была выдвинута рабочая гипотеза, получившая в дальнейшем практическое подтверждение в различных технологиях ряда белковых продуктов, сыров, кисломолочных продуктов и ТД на их производство.
Из обезжиренного или цельного молока при введении в него полисахаридов возможно получение белковых или белково-жировых и бесказеиновых концентратов. Жидкостная структура концентратов может быть целенаправленно совмещена с жировыми, углеводными компонентами и, под действием кислотного или ферментного катализа белка, будет образовывать прочные структуры с заданными составом и свойствами. Они могут служить основой для создания группы белковых продуктов: сыров, творога, творожных изделий, получаемых по малоотходной технологии. Полученные продукты могут быть дополнительно обогащены пробиотическими и бифидогенными свойствами.
На первом этапе концентрации пектина и кислотности молока на содержание белка в КНК (рис. 3.1). Из проведенных экспериментов исследования проведены эксперименты по установлению влияния следует, что максимальная доля белка выделяется при концентрации пектина в системе 0,55 - 0,65 %. Кислотность молока оказывает значительное влияние на белковость КНК, Оптимально процесс идет при кислотности обезжиренного молока 18 Т. Установлена зависимость повышения белка в КНК и его выхода с увеличением белка в молоке (рис. 3.2).
Проводились исследования с целью выявления концентрации белка в обезжиренном молоке его температуры и кислотности, а также температуры 5 %-го раствора пектина на качество получаемых КНК и КСП при центробежном разделении.
Уравнение регрессии, выражающее содержание белка в КНК от переменных факторов X] Х2 Х4 при исключении незначимых коэффициентов примет вид: Y, = 9,76 + 14,21Х, + 7,44Х2 + 21,08X4 + 2,41Х,Х2 -4,17Х,Х4 (3.1) Xj - массовая доля белка в обезжиренном молоке, %; Х2 - температура обезжиренного молока, С; Х3 - температура раствора пектина, С; Х4 - кислотность обезжиренного молока, Т; Массовая доля белка в КСП описывается уравнением, имеющим следующий вид: Y,= 2,53 + 0,82Х, - 1,24Х2 - 1,76 Х4 + 2,94XiX3 (3.2) Графическая интерпретация уравнений (3.1), (3.2) представлена на рис. 3.3, рис. 3.4.
Из полученных результатов следует, что оптимальное значение концентрации белка в КНК зависит как от температуры, так и от кислотности и массовой доли белка в обезжиренном молоке и находится в пределах 52 -56 С, 2,8 - 3,1 %, причем, чем ниже кислотность молока, тем выше белковость полученного КНК.
Минимальное значение концентрации белка в КСП находится в узком диапазоне кислотности 16 - 18 Т и в пределах всего диапазона варьирования температуры 50 - 60 С.
На экспериментальном биотехнологическом заводе ФГУП НИИКИМ проведена проверка технологического процесса переработки обезжиренного молока с применением полисахаридов (яблочного и цитрусового и натрий-карбоксиметилцеллюлозы) методом центробежного разделения и получения концентрата натурального казеина (КНК) и концентрата структурирующего пищевого (КСП). Проверка проводилась на экспериментальном комплекте оборудования для приготовления и разделения системы обезжиренного молока -раствор полисахарида, включающий в себя экспериментальный сепаратор, разработанный на базе сепаратора ОС2-НС, установку приготовления раствора пектина или натрийкарбоксиметилцеллюлозы, дозирующие и смешивающие устройства. В результате проверки были получены концентраты, характеризующиеся следующими показателями представленные в таблице 3.2.
Установлено, что технологический процесс (производительностью 2 т/ч) центробежного разделения системы обезжиренное молоко - раствор полисахарида позволяет получить КНК с регулируемым содержанием белка от 13 до 17 % и КСП до 1 % белка.
Термоустойчивость молочных белков зависит в основном от их состояния и солевого баланса. Факторы, вызывающие сдвиги белково-солевого равновесия, влияют так же и на термостабильность. В технологии «Био-Тон» в качестве молочного сырья выступают концентрат казеина и сывороточно-полисахаридной фазы и молочное сырье на их основе.
Изучали зависимость термоустойчивости КНК и молочных смесей на их основе от массовой доли белка, рН, кислотности, режимов гомогенизации и способов получения концентратов.
Определяли влияние гомогенизации на термоустойчивость смесей, бел-ково-жировых продуктов составленных на основе КНК отстойным методом полученным (смесь № 1) и КНК центробежным методом (смесь № 2). По мере увеличения давления гомогенизации термостойкость смесей снижается независимо от способа получения концентрата и практически мало отличимая, а при давлении от 12 до 18 кПа она остается величиной постоянной.
Установлено, что между содержанием общего кальция и тепловой стойкостью молока существует довольно тесная отрицательная связь. Увеличение количества общего кальция в молоке (I и IV кварталы года) до 130 мг% спо собствовало быстрому свертыванию при нагревании, при снижении концентрации кальция (II и III кварталы года) до 109 мг % термоустойчивость молока возрастала.
В концентрате казеина содержание общего кальция составляет 373 мг%, что почти в 3 раза превышает его содержание в нетермостойком молоке, что частично объясняет низкую термоустойчивость концентрата казеина и смесей на его основе.
В молочной промышленности известны несколько способов повышения термоустойчивости молока. Наиболее экономичным и доступным способом является введение в смесь перед пастеризацией растворов трехзамещенных лимоннокислого натрия и калия. В продуктах детского питания применение этих солей приводит к образованию нежного, хорошо атакуемого ферментами, сгустка.
Изучение влияния цитратов на повышение термостойкости концентрата казеина и смесей на его основе проводили на концентрате казеина, имеющего следующие показатели: массовая доля белка 14,7 %, рН - 5,99, кислотность -70 Т; концентрат скоагулировал при нагреве до 42 С.
Теоретические предпосылки метода термокислотной коагуляции белков применительно к производству мягких сыров
По современной классификации сыры термокислотного способа осаждения отнесены к кисломолочным сывороточным сырам. Механизм термокислотного способа коагуляции молока недостаточно изучен, как сычужный и кислотный, так как в нашей стране раньше ему ранее уделялось мало внимания, а зарубежные данные недостаточно полные [190].
Изучению основных закономерностей термокислотного свертывания молока последнее десятилетие посвящены исследования Остроумова Л.А., Оноприйко А.В., Смирновой И.А., Бобылина В.В. [100 - 102,104].
По мнению этих авторов при термокислотной коагуляции белков происходят следующие изменения: - образование комплексов между сывороточными белками а-лакто-альбумином, р-лактоглобулином, а также альбумином сыворотки; - образование комплексов в результате полимеризации одного из сывороточных белков; - взаимодействие между К-казеином и сывороточными белками ((3-лактоглобулином) с помощью остатков Н-групп и других гидрофобных связей; - взаимодействие сывороточных белков с лактозой (реакция Майяра).
По данным Дьяченко П.Ф. кислотная коагуляция осуществляется в два этапа: на первом - от казеинаткальцийфосфатного комплекса отщепляется кальций, а на втором - подавляется буферная емкость молока и рН доводится до изоэлектрической точки [68].
Установлено, что процесс структурообразования при кислотной коагуляции белков молока состоит из четырех стадий: индукционный период, стадия флоккуляции (массовой или явной коагуляции), стадия метастабильного равновесия (уплотнения сгустка) и стадия синерезиса.
При изменении нативного состояния белка в молоке и сыворотке происходит его денатурация, которая изменяет структуру и свойства белка. Денату рация белков сопровождается изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния частиц. С помощью различных факторов нагревания, механического воздействия, изменения рН среды, введения сольватирующих веществ и детергентов можно вызвать денатурацию сывороточных белков.
При достаточной тепловой денатурации белков разрываются ковалент-ные или межмолекулярные связи, что нарушает устойчивость белковых макромолекул. При доведении рН до изоэлектрической точки кислотами или щелочами происходит разрыв солевых связей мицелл.
С повышением температуры коагуляция белков происходит уже при более высоком рН.
Наряду с составом молока, его кислотность, температура нагревания, состояние солей кальция являются наиболее важными факторами, влияющими на полноту процесса термокислотного осаждения белков.
Известно, что повышение температуры нагревания до 100 С способствует более высокому выделению сухих веществ из молока. Это является результатом совместной коагуляции казеина и сывороточных белков, которые вместе с жиром захватываются сеткой скоагулированных казеиновых мицелл и, осаждаясь, обеспечивают более высокий выход сырной массы.
В то же время, длительное воздействие температуры на частички белка приводит к излишнему их огрублению и получению мучной и песчанистой консистенции [78]. Высокая температура может привести к вытапливанию жира при коагуляции жирного молока, что приводит к его окислению с появлением прогорклого вкуса и запаха.
Немаловажное влияние на процесс термокислотного осаждения белков оказывает и кислотность дестабилизатора, скорость и доза его внесения [98].
При производстве сыров термокислотного способа осаждения обычно используют кислую под сырную сыворотку, уксусную или лимонную кислоты. Однако недостатком использования наиболее простого способа внесения кислой подсырнои сыворотки является то, что она портится при хранении из-за большого количества остаточной микрофлоры. Использование молочнокислых палочек - активных кислотообразователей L. bulgaricus требует оптимальных для них температур культивирования 41-44 С, что как правило не соблюдается в производственных условиях. Это приводит к накоплению низкой кислотности дестабилизатора 100 - ПО Т и соответственно увеличению дозы его внесения (12 - 15 %) для коагуляции смеси и снижения температуры. При этом происходит затягивание процесса и недостаточная полнота осаждения белков.
Применение в качестве дестабилизаторов органических и минеральных кислот сдерживается из-за их высокой стоимости, недостаточной степени осаждения и придания готовому продукту постороннего вкуса [98,103].
Применение предложенных сложных дестабилизаторов для коагуляции белков [166], несмотря на их эффективность, требует дополнительных затрат.
Анализируя реограммы кислотной и термокислотной коагуляции молока Оноприйко А.В. и Малашенко А.А. [140, 181] пришли к выводу о том, что процессы в обоих способах протекают идентично в две стадии. На первой происходит распад казеиновых мицелл на субмицеллы, на второй - агрегирование субмицелл и конформационные превращения белковых частиц в пространственную структуру - гель, причем в термокислотном способе осаждения (ТКО) из-за высоких температур (85 - 95 С) и быстрого снижения рН, обусловленного внесением кислотного дестабилизатора, скорость обеих стадий оказалась значительно (в десятки раз) выше. Коагуляция белков горячего мо лока происходит от нескольких секунд до 5 мин. в зависимости от разных факторов: состава и свойств молока, температуры, скорости и глубины его под-кисления, интенсивности перемешивания, быстроты удаления из зоны коагуляции выделившегося белка и др. Учитывая, что термокислотная коагуляция белков молока используется при производстве мягких сыров, считаем целесообразным продолжение исследований по выяснению роли процесса ТКО и определению его параметров при формировании структуры, физико-химических и реологических показателей белково-жировых продуктов и сыров, получаемых на основе - молока, подсырной сыворотки и пахты.
