Содержание к диссертации
Введение
1, Обзор литературы 6
1.1. Характеристика основных видов традиционного сырья для производства консервированных молокосодержащих продуктов с сахаром. 6
1.2. Роль кристаллизации лактозы в формировании физико-химических и органолептических показателей сгущенных молочных консервов с сахаром 10
1.3. Изменение реологических свойств молочных консервов с сахаром в процессе выработки и хранения. 21
1.4. Обоснование использование молочных концентратов в качестве ингредиентов для производства консервированных молокосодержащих консервов с сахаром 24
1.5. Задачи исследований. 31
2. Экспериментальная часть 32
2.1. Организация эксперимента и характеристика объектов исследований 32
2.2. Методики определения растворимости лактозы и физико-химических свойств насыщенных растворов . 33
2.3. Методика приготовления пересыщенных растворов. 35
2.4. Методика исследования кинетики кристаллизации. 35
2.5. Электронно-микроскопические исследования 36
2.6. Определение физико-химических свойств молокосодержащих консервов с сахаром 37
2.7. Методы обработки экспериментальных данных 39
3. Исследование свойств молочных концентратов и насыщенных растворов лактозы 40
3.1 Дисперсность распределений частиц белка в молочных концентратах 40
3.2 Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на растворимость лактозы . 48
3.3 Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на вязкость и плотность насыщенных растворов лактозы. 51
4. Влияние молочных концентратов на кристаллизацию лактозы в пересыщенных водных растворах . 56
4.1. Кинетика массовой кристаллизации лактозы в присутствии добавок концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого. 56
4.2. Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы . 67
5. Разработка технологии консервированного молокосодержащего продукта с сахаром 75
5.1. Обоснование дозы вносимых добавок молочных концентратов. 75
5.2. Исследование реологических характеристик разрабатываемого продукта. 79
5.3. Разработка рецептуры и обоснование технологических режимов. 92
5.4. Оценка качества разработанного продукта. 96
5.5. Промышленная проверка способа производства консервированного молокосодержащего продукта с сахаром. 102
Выводы 105
Список использованной литературы 107
Приложения. 117
- Роль кристаллизации лактозы в формировании физико-химических и органолептических показателей сгущенных молочных консервов с сахаром
- Методики определения растворимости лактозы и физико-химических свойств насыщенных растворов
- Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на растворимость лактозы
- Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы
Введение к работе
В последние 30 лет в молочноконсервной отрасли растут объёмы производства молокосодержащих рекомбинированных продуктов, что характерно как для зарубежных стран, так и для России /1,2/.
Пионерами в разработке методов производства рекомбинированных молочных продуктов являются США, которые начали заниматься этой проблемой во время второй мировой войны с целью снабжения армии. Затем в 50-х годах этим вопросом заинтересовались специалисты Японии. Широкомасштабное производство рекомбинированных продуктов началось на предприятиях Австралии и Юго-Восточной Азии. Первые заводы были построены для производства продуктов с высоким содержанием сухих веществ таких как сгущенное стерилизованное молоко и сгущенное молоко с сахаром /1,3/.
В настоящее время эта тенденция наблюдается при производстве масла, сметаны, сухих смесей мороженого и других продуктах с частичной заменой молочного жира растительными /4/.
Значительный вклад в развитие молочноконсервной отрасли в нашей стране внесли учёные: С.Ф. Кивенко, В.В. Страхов, И.А. Радаева, Л.В. Чекулаева, Н.М. Чекулаев, В.Д. Харитонов, Н.Н. Липатов, А.Н. Фиалков К.К. Полянский, А.И. Гнездилова, Л.В. Голубева и др. Однако работы в этой области посвящены в основном молочным консервам, вырабатываемым из традиционного молочного сырья, и практически отсутствуют исследования, направленные на повышение качества молокосодержащих консервов с сахаром. Для реализации государственной политики в области здравоохранения необходимо производство в широком ассортименте продуктов в соответствии с концепцией сбалансированного питания. Одним из путей улучшения структуры питания является производство молокосодержащих консервов с заданными свойствами: повышенной биологической и пищевой ценностью при одновременном сохранении качественных показателей при хранении.
Перспективным в этой связи следует считать разработки новых видов молокосодержащих консервов. Способом решения этой задачи может быть 1 введение в состав продуктов помимо традиционных ингредиентов, которыми являются сухое обезжиренное молоко, сухая пахта и сухая сыворотка, молочных концентратов: концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого.
В связи с этим целью настоящей работы является разработка технологии консервированного молокосодержащего продукта с сахаром, обладающего повышенной стойкостью при хранении, а также повышенной биологической и пищевой ценностью.
Роль кристаллизации лактозы в формировании физико-химических и органолептических показателей сгущенных молочных консервов с сахаром
Кристаллизация лактозы в сгущенных молочных консервах с сахаром является одной из наиболее важных технологических операций, влияющих на качество готового продукта.
Как известно, при температуре 60-65 С лактоза в сгущенном молоке с сахаром находиться в растворенном виде. В готовом продукте, температура хранения которого не должна превышать 20С, как показывает анализ компонентного состава, она находится в состоянии пересыщения, что неизбежно ведет к её выкристаллизовыванию /13,54,55/, Для формирования однородной консистенции в молоке сгущенном с сахаром в 1 мм3 продукта должно быть не менее 400 000 кристаллов с линейным размером не более 10 мкм (табл. 1.1). В этом случае кристаллы лактозы органолептически не ощущаются /13,56/.
Следовательно, от правильности осуществления процесса кристаллизации зависит качество сгущенных молочных продуктов.
Сущность кристаллизации лактозы в сгущенных молочных консервах находится в соответствии с общими теоретическими представлениями о процессе кристаллизации.
Кристаллизация из растворов - это сложный, состоящий из нескольких этапов процесс, который согласно современным научным представлениям включает: зародышеобразование, рост образовавшихся центров кристаллизации, коагуляцию, агрегацию, разрушение при столкновении, перекристаллизацию и т. д /15/. Необходимым условием протекания процесса является пересыщение. Пересыщенным называется раствор, в котором содержание вещества в растворенном виде превышает растворимость. Растворимость вещества в воде (Н0) принято выражать в кг вещества на 100 кг воды /16,17/, Растворимость вещества в присутствии других компонентов (примесей) обозначают Н, кг/кг воды. Обобщающей характеристикой может служить коэффициент насыщения /18/:
Степень пересыщения раствора может характеризоваться различными величинами: абсолютным или относительным пересыщением, а также коэффициентом пересыщения /19,20,21/.
Абсолютным пересыщением называется разность между концентрацией раствора С и растворимостью Ср: Под относительным пересыщением понимается отношение абсолютного пересыщения к растворимости: Коэффициентом пересыщения называют отношение:
Все перечисленные способы выражения пересыщений являются функцией температуры, поскольку от неё зависит растворимость. Растворимость лактозы в воде в зависимости от температуры представлена в таблице 1.2 /17/.
Образованию кристаллов в растворе присущи общие закономерности возникновения новой фазы. Самопроизвольное возникновение новой фазы может идти в том случае, когда система находится в неравновесном состоянии и если отклонение системы от состояния равновесия достаточно для обеспечения возникновения новой фазы. Образование новой фазы должно способствовать переходу системы в равновесное состояние.
Любые фазовые превращения сопровождаются изменением свободной энергии системы 5F, определяемым уравнением: где jiib ц2 - химические потенциалы исходной и новой фаз, An - количество молей вновь образовавшейся фазы, S - поверхность.
Превращение фаз идёт самопроизвольно, если 5F 0. При 6F = 0 фазы находятся в равновесии друг с другом. Если же 5F 0, то для осуществления фазового перехода необходимо затратить работу /20,21 /.
Максимальное количество новой фазы, способное к самостоятельному существованию, называется зародышем. Он является центром кристаллизации новой фазы. С увеличением пересыщения скорость образования зародышей резко возрастает, а размеры их уменьшаются. Влияют на неё и другие факторы: различного рода примеси, физические воздействия разного типа, наличие затравочных кристаллов.
Размеры зародышей зависят от условий кристаллизации. Зародышем становится частица, достигшая определённой минимальной величины, которая называется критической. Частицы, размер которых меньше этой величины, растворяются или распадаются на составные элементы.
Зародышем может служить не только мельчайшая частица кристаллизующегося вещества, а также любая другая твёрдая частица, способная адсорбировать на своей поверхности ионы или молекулы кристаллизующегося вещества.
Как известно /22,23,24,25/, существуют три типа зародышеобразования: гомогенное (спонтанное), первичное гетерогенное (на стенках сосуда и на поверхности частиц твёрдых примесей) и вторичное гетерогенное (в присутствии кристаллов того же вещества). Зародышеобразование в растворах практически всегда является гетерогенным, так как при умеренно высоких пересыщениях скорость гомогенного зародышеобразования пренебрежительно мала по сравнению со скоростью гетерогенного процесса. Это подтверждается зависимостью скорости образования зародышей от каждой повторной очистки раствора, материала сосуда, объёма раствора и другими факторами.
Методики определения растворимости лактозы и физико-химических свойств насыщенных растворов
Известные в настоящее время в литературе методы экспериментального определения растворимости лактозы /91,92,93/ требуют значительных затрат времени и труда на приготовление насыщенного раствора или установление его состава. В настоящей работе для определения растворимости лактозы применялась методика, в известной мере лишенная указанных недостатков /94/.
Для проведения эксперимента в термостатируемый стакан при температуре опыта отвешивалось определенное количество лактозы и из термостатируемой пипетки постепенно добавлялся водный раствор примеси (растворитель) известного состава при непрерывном перемешивании магнитной мешалкой до полного растворения. Полнота растворения кристаллов контролировалась путём фиксации избытка кристаллической лактозы в растворе.
Время насыщения в опыте изменялось в пределах 6-10 часов и зависело от природы, состава растворителя и температуры. Состав насыщенного раствора рассчитывался на основе данных о массовой доле сухих веществ, измеряемых с помощью рефрактометра. Затем проводился пересчет растворимости моногидрата лактозы на растворимость безводной лактозы с учетом молекулярных масс моногидрата и безводной лактозы.
Для оценки точности результатов измерений была поставлена серия опытов по определению растворимости лактозы в чистой воде. Полученные данные (табл. 2.1) обработаны статистически /95 - 99/: Найденное среднее значение массовой доли лактозы составило 16,1 %, стандартное отклонение 0,02%, статистическая ошибка - 0,06 %, при доверительной вероятности 0,99 доверительный интервал составил 16Д±0,1 %. При изучении состава и свойств объектов исследований измерение физико-химических показателей проводилось по типовым и общепринятым методикам /100,101,102/. Показатель преломления измерялся на лабораторном рефрактометре РПЛ-3 с погрешностью ± 2-Ю"4. Вязкость определялась вискозиметром Гепплера ВН-2 с погрешностью измерений ±0,5-1%. Плотность растворов измерялась пикнометречески. Погрешность измерений составила ±0,0005-0,0010. Измерения перечисленных выше физико-химических параметров проводилось при температурах: 293, 308, так как они соответствуют промышленным условиям кристаллизации лактозы в сгущённом молоке с сахаром. Термостатирование осуществлялось с помощью ультратермостата UTU-4. Опыты проводились в трехкратной повторносте. Результаты опытов представлены в приложении 1, (табл. 1, 2).
Согласно методике, описанной в главе 2.2., готовились насыщенные растворы лактозы. В качестве растворителя была использована дистиллированная вода и растворы молочных концентратов. После приготовления растворы отфильтровывались под вакуумом через стеклянный фильтр №1. Затем путем упаривания на лабораторном роторном вакуум-аппарате марки RVO-64 растворы доводились до заданного пересыщения, после чего охлаждались до температуры опыта. Температура опытов составляла: 293, 308 К, 400 мл пересыщенного раствора, приготовленного по методике, описанной в главе 2.3, герметически переводилось в стеклянный термостатируемый кристаллизатор. После достижения раствором температуры опыта осуществлялось перемешивание раствора на лабораторной установке ER-10 с помощью стеклянной пропеллерной мешалки. На основе предварительных опытов была подобрана частота вращения мешалки, которая составляла n=lc"1.t В ходе опытов через определенные интервалы времени с помощью термостатируемой пипетки отбирался пересыщенный раствор и в нем определялся показатель преломления и мутность. По полученным значениям показателя преломления определялась массовая доля сухих веществ и лактозы с помощью калибровочных зависимостей. Результаты опытов представлены в приложении 2 (табл. 1,2). Продолжительность индукционных периодов фиксировалась нефелометрически на визуально-фотоэлектрическом нефелометре НФМ. Погрешность измерения мутности составила ± 2,85 %. Измерения проводились на зеленом светофильтре при длине волны 560 нм. Мутность J рассчитывалась по формуле
Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на растворимость лактозы
Растворимость лактозы в присутствии добавок КНК и КСП определялась согласно методике согласно методике, представленной в главе 2.2. Опыты проводились при температурах Т=293 и Т=308 К, так как эти температуры соответствуют технологическому режиму проведения промышленной кристаллизации лактозы в сгущённых молочных консервах с сахаром /107/. Для оценки растворимости лактозы по экспериментальным данным (приложение 1, табл. 1) был рассчитан коэффициент насыщения Кн и его зависимость от концентрации добавок (7) представлена на рис. 3.6 и 3.7. Из рисунка 3.6 следует, что с увеличением концентрации КНК в растворителе коэффициент насыщения сначала увеличивается, а затем практически не изменяется. Данная закономерность объясняется тем, что дисперсия белковых веществ (казеина) представляет собой двухфазную систему, состоящую из жидкой фазы L и полимерной фазы S. Фаза L включает воду и низкомолекулярные водорастворимые белки (НМБ), фаза S содержит наряду с низкомолекулярными высокомолекулярные белки (ВМБ),что подтверждается экспериментальными данными по исследованию дисперсности распределения белковых частиц КНК (рис. 3.5). Поскольку растворимость НМБ в фазе L имеет предел, то после насыщения этой фазы дальнейшее добавление белка приводит только к росту фазы S. Следует отметить, что лактоза растворима только в фазе L за счёт присутствия в ней НМБ и нерастворима в фазе S. Поэтому при увеличении Нб вначале наблюдается увеличение растворимости лактозы, которое Концентрация белка в растворителе Нб9 кг/кг Н2О Рис.3.7. Влияние концентрата структурирующего пищевого на коэффициент насыщения Кн при Т: 1 - 293; 2 - 308 К. прекращается при насыщении раствора НМБ фазы L. Следовательно, чем больше доля ВМБ в КНК, тем ниже его растворяющая способность. Поскольку в КНК размер мицелл казеина выше, чем в обезжиренном молоке (табл. 3.3), следовательно, его растворяющая способность должна быть ниже. Влияние КСП на растворимость лактозы представлено на рис. 3.7. Как видно из рисунка, при увеличении концентрации КСП растворимость лактозы при Т=308 К также возрастает и имеет предельное значение.
Однако, при температуре 293 К в области невысоких концентраций КСП растворимость лактозы несколько уменьшается. Это может быть объяснено дегидратацией молекул лактозы за счёт высаливающего действия минеральных солей и за счёт высокой гидратационной способности углеводов, входящих в состав КСП /77,78/. Установленные закономерности по изменению коэффициента насыщения Кн были описаны с помощью уравнения: где Ъ и Кф постоянные величины. Для нахождения Ъ и К уравнение (3.5) было преобразовано к виду; С учётом Ъ и К по уравнению (3.5) было рассчитано значение Кн. Результаты расчётов показывают удовлетворительное согласование с экспериментом. Среднее относительное отклонение расчётных значений Кн от опытных данных для систем Лактоза - Вода - КНК и Лактоза - Вода - КСП составило ± 2,51 и ± 0,7 % соответственно. Результаты экспериментальных данных о вязкости и плотности (приложение 1, табл. 1,2) были представлены графически (рис.3.8 - 3 Л1).
При исследовании вязкости насыщенных растворов лактозы в присутствии исследуемых добавок следует выделить две концентрационные Рис.3.9. Влияние КСП на вязкость насыщенных растворов лактозы при Т: 1 - 293 К; 2 - 308 К. области (рис. 3.8-3.9). В первой области при невысоких значениях Нб, вязкость возрастает незначительно. Во второй концентрационной области наблюдается более интенсивное увеличение вязкости. При этом вязкость насыщенного раствора лактозы в присутствии добавки КНК возрастает при увеличении температуры, что может быть обусловлено увеличением общего содержания сухих веществ в растворе. В присутствии добавки КСП вязкость насыщенных растворов выше по сравнению с вязкостью в системе с добавкой КНК и снижается при увеличении температуры. Это может быть обусловлено присутствием в КСП пектина и упрочнением за счёт этого межмолекулярных связей. Экспериментальные данные по вязкости ц насыщенных растворов были аппроксимированы с помощью уравнения
Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы
Влияние концентрата натурального казеина и концентрата структурирующего пищевого на процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы. Для выявления механизма влияния КНК и КСП на процесс зародышеобразования и расчёта продолжительности индукционных периодов использовалась модель, основанная на современных представлениях химической кинетики, согласно которой частицы новой фазы образуются путём укрупнения дозародышевых ассоциатов до размеров критических зародышей /15,20,21/. Согласно этой модели продолжительность индукционных периодов Tind составляет: Е - энергия взаимодействия ассоциата с молекулой кристаллизующегося вещества, Дж/моль; Еа - энергия активации процесса роста ассоциата, Дж/моль; т, тм, ти - концентрация кристаллизующегося вещества в пересыщенном растворе, на первой границе метастабильности и в насыщенном растворе, соответственно, моль/1000 г Н20; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К; Г- температура, К; п - порядок роста ассоциата;
В - постоянная величина. При Т = const уравнение (4.3) принимает вид: Влияние примеси на Ты учитывалось через параметры: mH, тм, АЕ, n.BviD. Для расчёта этих параметров применялась следующая методика. По экспериментальным данным о продолжительности индукционных периодов (табл. 4.5) были построены логарифмические зависимости \nrind от абсолютного пересыщения Лт=(т-тн) и найдены значения lnZ и п при Т = const согласно уравнению (4.6) (рис.4.9 - 4.11). Затем было рассчитано ln[D/( т - ти)] при различных Т и в соответствии с уравнением (4.7) были определены В и АЕ. Результаты расчётов показали удовлетворительное согласование с экспериментом.
Среднее относительное отклонение вычисленных данных от опытных составило ± 7,31 %. Как следует из таблицы 4.6? изученные примеси оказывают влияние на ширину метастабильной зоны: как на её абсолютное значение А, так и на относительное V. Снижение ширины метастабильной зоны в присутствии КНК и КСП свидетельствует о том, что изученные примеси способны интенсифицировать процессы образования и роста ассоциатов, что подтверждается данными по снижению АЕ в их присутствии . Показатель степени п в уравнении (4.3) также является одной из важнейших характеристик фазового превращения. Согласно /15,47/, порядок процесса п определяет число молекул, взаимодействующих на последней стадии образования зародыша. Таким образом, п связан с завершающим актом перехода от ассоциата к кристаллу и, как следует из полученных данных (табл.4.6), добавки КНК и КСП инициируют этот переход. Установленные теоретические закономерности были учтены при проведении промышленной кристаллизации лактозы.
