Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Классификация видов мороженого 9
1.2. Технологический процесс производства мороженого 11
1.3 Основные компоненты мороженого 13
1.4. Влияние компонентов мороженого на качество и стабильность продукта 15
1.5. Новые тенденции в производстве мороженого 17
1.6. Замена молочных белков 19
1.7. Замена сахара 19
1.8. Применение комбинированных стабилизаторов-эмульгаторов 20
1.9. Физический механизм гомогенизации 21
1.10. Механизм образования скоплений жировых шариков при гомогенизации смесей мороженого 24
1.11. Влияние гомогенизации на взбиваемость 26
1.12. Фризерование 26
1.13. Кристаллизация смесей мороженого 27
1.14. Дестабилизация в процессе замораживания 28
1.15. Влияние состава смеси на взбиваемость 29
1.16. Оборудование для фризерования. Фризеры периодического и непрерывного действия. Производительность фризера 30
Выводы по обзору 35
Глава 2. Методика постановки эксперимента. объекты и методы исследования 37
2.1. Постановка эксперимента 37
2.2. Методы исследований 38
2.2.1. Определение степени деэмульгирования по методу Желтакова 40
2.2.2. Определение коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-жидкость методом вытекания жидкости из круглой трубки. Теория метода и описание установки 41
Глава 3. Основные теоретические положения процесса гомогенизации 44
3.1. Физико-химический механизм гомогенизации 44
3.2. Физический механизм гомогенизации. Расчет среднего диаметра жировых шариков после гомогенизации 49
3.3. Определение коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жир-водный раствор.
Глава 4. Основные теоретические положения процесса фризерования 60
4.1. Физико-химический механизм фризерования 60
4.2. Физико-математическая модель процесса фризерования 64
Глава 5.Обсуждение экспериментальных результатов 69
5.1. Влияние жидких растительных масел на качество мороженого 69
5.2. Влияние типа стабилизатора-эмульгатора на качество мороженого .74
5.3. Влияние времени созревания на качество мороженого 77
5.4. Влияние количества глюкозы на качественные показатели мороженого 85
5.5. Влияние температуры фризерования на скорость таяния мороженого 88
Выводы по работе 90
Список использованных источников 92
Приложения 99
- Технологический процесс производства мороженого
- Определение коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-жидкость методом вытекания жидкости из круглой трубки. Теория метода и описание установки
- Физический механизм гомогенизации. Расчет среднего диаметра жировых шариков после гомогенизации
- Влияние количества глюкозы на качественные показатели мороженого
Введение к работе
Актуальность работы. Питание определяет здоровье и работоспособность человека. Основа современных представлений о рациональном питании связана с концепцией сбалансированного питания, требующего поставки в организм достаточного количества продуктов, обеспечивающих энергетические и пластические потребности.
Нормальная жизнедеятельность организма возможна только при поступлении соответствующих количеств жиров, Сахаров и белков, а также при соблюдении строго определенных соотношений между пищевыми и биологически активными веществами. Особое значение придается сбалансированности питания. Необходимым является поступление в организм эссенциальных веществ, не синтезируемых организмом человека или синтезируемых в недостаточном количестве.
Одним из жизненно необходимых компонентов пищи, определяющих ее биологическую ценность, вкусовые достоинства, калорийность, являются ли-пиды. Основными факторами, характеризующими эффективность использования пищевых липидов, являются сбалансированность их жирнокислотного состава, наиболее полно удовлетворяющего потребности организма, а также обеспечение минимальной стоимости готового продукта. Особую роль в составе липидов играют эссенциальные полиненасыщенные жирные кислоты, не синтезируемые в организме. Достаточно важным является и поступление фос-фолипидов. Исключение их из рациона человека может привести к серьезному нарушению процессов жизнедеятельности.
Одним из продуктов, широко используемых в питании, человека является известное с древних времен мороженое, в традиционный состав которого входит достаточно большое количество молочного жира благодаря его высоким вкусовым и технологическим свойствам. Однако молочный жир обладает и рядом негативных свойств: он содержит значительное количество насыщенных жирных кислот и холестерина при дефиците незаменимых полиненасыщенных
б жирных кислот, а также имеет достаточно высокую стоимость. Для обеспечения сбалансированности жирно кислоти о го состава мороженого в последнее время разрабатываются технологии его производства с модифицированным жирнокислотным составом за счет добавления в смесь растительных жиров и масел. Такое мороженое классифицируется как мороженое со сложным сырьевым составом, а именно: молочно-растительное и растительно-сливочное. Проведение исследований, позволяющих предложить технологию производства мороженого с рациональным комбинированием нескольких источников липи-дов, является актуальным как с экономической точки зрения, так как позволяет предприятиям минимизировать затраты на сырьё, так и с позиций увеличения пищевой ценности конечного продукта при снижении зависимости производства от сезонных поступлений молока.
Пель и задачи исследований. Исходя из вышесказанного, целью настоящей работы явилась разработка технологии и производства мороженого на основе композиции молочного жира и рафинированных и дезодорированных растительных масел и исследование свойств полученного продукта.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
осуществить выбор растительного масла и установить наилучшее соотношение молочного жира и растительного масла, обеспечивающее производство качественного продукта с улучшенным жирнокислотным составом;
подобрать состав стабилизатора-эмульгатора, обеспечивающий высокое качество мороженого из смеси, включающей жидкое растительное масло;
исследовать физико-химический механизм стабилизации и дестабилизации жировых шариков в смесях с молочным жиром и растительным маслом;
разработать физико-математическую модель процесса гомогенизации смесей с растительным маслом;
разработать метод и его аппаратурное оформление для определения коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-жидкость;
предложить расчетные соотношения для определения диаметра жировых шариков, получаемых в процессе гомогенизации;
исследовать физико-химический механизм процесса фризеровання гомогенизированных смесей, содержащих молочный жир и растительное масло;
разработать физико-математическую модель процесса фризеровання. Предложить расчетные соотношения для определения времени фризеровання;
изучить влияние основных технологических факторов на свойства мороженого, полученного из смесей, содержащих молочный жир и растительное масло, скорректировать рецептуру продукта и установить наилучшие технологические режимы его производства;
на основании результатов проведенных исследований предложить технологическую схему производства мороженого из смесей, содержащих молочный жир и растительное масло.
Научная новизна работы. Изучена возможность создания молочно-растительных жировых композиций, пригодных для создания смесей для производства мороженого, при этом частичная замена молочного жира подсолнечным высокоолеиновым маслом с пониженным содержанием холестерина и повышенным содержанием токоферолов позволяет улучшить жирно кислотный состав смеси для мороженого. Исследовано влияние отдельных технологических фаісгоров, таких как массовая доля растительного масла в продукте, состав и количество вносимых стабилизаторов-эмульгаторов, содержание глюкозы, продолжительность созревания смеси, параметров гомогенизации и фризеровання.
Предложен модифицированный метод определения коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-жидкость. Рассмотрена физико-химическая и физико-математическая модели процесса гомогенизации;
s получено адекватное уравнение, позволяющее рассчитать диаметр жировых шариков в зависимости от свойств гомогенизируемой смеси и параметров процесса гомогенизации.
Предложена физико-химическая модель процесса фризерования. На основании предложенной теплофизической модели процесса фризерования получена адекватная формула для определения производительности фризера непрерывного действия.
Научная новизна работы подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение способа производства сливочного мороженого № 2201096 от 27.03.2003.
Практическая значимость работы. Проведена промышленная выработка сливочного мороженого на основе растительных масел (акт внедрения на ООО "Ленмороженое").
Разработано изменение к техническим условиям (ТУ № 9228-001-39463443-91) на производство мороженого на основе растительных масел (дата введения 17 апреля 2000 г.).
Работа выполнялась в рамках Федеральной программы "Создание новых комбинированных продуктов функционального жизнеобеспечения с максимальным содержанием эссенциальных веществ, свободных от экотоксинов".
Технологический процесс производства мороженого
Технологический процесс производства мороженого включает следующие основные операции: приемку и подготовку сырья, составление смеси, пастеризацию, гомогенизацию, охлаждение и созревание смеси, фризерование, закаливание, упаковку, хранение [42,49,50,67].
Перед составлением смеси все компоненты соответствующим образом подготавливаются: жидкое сырье фильтруется, сыпучее сырье просеивается, сухое молоко перемешивается с сахарным песком из расчета 2:1 и растворяется, сгущенные молочные продукты вносятся в смесь без предварительного растворения, сливочное масло очищается от штафа, растапливается или разрезается на куски.
Плодово-ягодное сырье сортируют, при необходимости освобождают от кожуры, косточек, семян, разрезают на кусочки, дробят, протирают, для получения однородной нежной массы в виде пюре с соком. Подготавливают стабилизаторы. Составление смеси проводят в ваннах, имеющих тепловую рубашку и мешалку. Смесь составляется в определенной последовательности: вносятся жидкие продукты, подогреваются до температуры 35...40 С, затем сгущенные и растопленное сливочное масло, сухие и яичные продукты и последними — стабилизаторы.
Для удаления осадка смесь фильтруется, а для уничтожения патогенной микрофлоры пастеризуется. В промышленности приняты следующие режимы пастеризации: при температуре 70 С - 30 мин, 75 С - 20 мин, 80...85 С -50...60 с. Предпочтительным является режим высокотемпературной пастеризации, что связано с высоким содержанием сухих веществ, а следовательно, и высокой вязкостью смеси, оказывающими защитное действие на микрофлору.
Пастеризация смеси в тонком слое непрерывного потока без доступа воздуха обеспечивает высокую эффективность тепловой обработки, сохранение ароматических веществ и витаминов.
Гомогенизация улучшает качество продукта, т.к. происходит дробление и равномерное распределение жировых шариков. В хорошо гомогенизированной смеси диаметр жировых шариков не должен превышать 1...2 мкм без наличия жировых скоплений. Повышение дисперсности жировой фазы способствует образованию мелких кристаллов льда при замораживании, а, следовательно, улучшению структуры готового продукта. Гомогенизация проводится при температурах, близких к температуре пастеризации, но не ниже 63 С, т.к. при температуре ниже 60 С происходит усиленная агрегация жировых шариков, приводящая к образованию жировых скоплений, увеличению вязкости и снижению взбиваемости в процессе фризерования. Давление гомогенизации должно быть тем выше, чем ниже содержание жира. Так, гомогенизацию ведут при давлениях: молочной смеси - 12,5...15 МПа, сливочной - 10...12,5 МПа и пломбирной - 7,5...9 МПа.
После гомогенизации смесь быстро охлаждают до температуры 2...6 Си направляют на созревание, продолжительность которого составляет от 4 до 24 ч. При созревании происходит отвердевание примерно 50 % молочного жира, набухание белков молока и стабилизаторов, вязкость смеси возрастает. Благодаря отвердевшему жиру созревшая смесь хорошо поглощает и удерживает пузырьки воздуха при замораживании. Готовый продукт должен иметь высокую взбитость, нежную структуру, отсутствие крупинок льда.
В случае, когда в качестве стабилизаторов используются агар и агароид, обладающие высокой гидрофильностью, процесс созревания может быть минимизирован, а смесь после охлаждения поступает на фризерование,
Фризерование - основная операция в производстве мороженого, в процессе которого смесь превращается в массу, насыщенную пузырьками воздуха, частично замороженную, увеличенную в объеме. В процессе фризерования об разуется типичная структура мороженого. Смесь поступает во фризер с темпе ратурой 2...6 С, охлаждается до криоскопической температуры, а затем проис ходит частичное замораживание свободной влаги. При этом, чем меньше раз меры кристаллов льда, тем лучше консистенция конечного продукта. Темпера тура продукта на выходе из фризера составляет -4...-6 С, и чем ниже эта тем пература, тем меньше образованные кристаллы льда. В случае образования кристаллов размером свыше 100 мкм консистенция мороженого становится грубой. Одновременно с охлаждением смеси во фризере происходит ее взбивание, т.е. насыщение пузырьками воздуха диаметром около 60 мкм, при этом объем массы увеличивается в 1,5...2 раза. Мягкое мороженое, выходящее из фризера, может поступать на фасование и закаливание при температурах -30...-45 С. Технологическое оборудование, применяемое при прозводстве мороженого, рассмотрено в работах [30,38,50,52,54-57]. Мороженое - сложная многокомпонентная система. Оно содержит как истинные растворы солей, Сахаров, так и коллоидные растворы и эмульсии молочных белков, стабилизаторов, жиров и др. [42,49,67]. Молочный жир отличается приятным вкусом, высокой усваиваемостью и включает в себя несколько десятков жирных кислот. Эмульсия молочного жира придает мороженому нежную структуру и полноту вкуса. В мороженом молоч ный жир представлен в виде жировых шариков, окруженных липопротеиновы ми оболочками. Однако, он имеет и ряд негативных свойств: прежде всего де фицит незаменимых полиненасыщенных жирных кислот при избыточном со держании насыщенных и холестерина. В связи с этим применяются различные варианты модификации состава и свойств жиров, наиболее рациональным из которых является частичное добавление в продукт жиров немолочного происхождения, в основном растительных жиров и масел.
Определение коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-жидкость методом вытекания жидкости из круглой трубки. Теория метода и описание установки
Сущность метода состоит в том, что при вытекании жидкости из круглой трубки вес капли в момент отрыва равен силе поверхностного натяжения, действующей по окружности "шейки" капли где dm - диаметр шейки капли, м; тг = 3,14...; Р-вес капли, Н; а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м. В опыте измеряется число капель п, образующихся при вытекании из трубки определенного объема жидкости V (м3) (рис. 2.2). Умножая обе части формулы (2.1) на п, получим: Слева стоит общий вес капель, равный: где р - плотность жидкости, кг/м . Из последних двух формул следует: Диаметр шейки капли а определяется путем наблюдения этого процесса в теневой проекции. Этот метод был модернизирован для определения коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела двух жидких фаз: капли водного раствора молока, смеси мороженого и т.д. плотностью р в, медленно вытекающего из капилляра (рис. 2.2а), погруженного в кювету с исследуемым жиром плотностью рж. В этом случае сила веса капли уравновешивается разностью сил поверхностного натяжения и силы Архимеда. В этом случае коэффициент поверхностного натяжения может быть рассчитан по следующему соотношению: Обязательным условием использования этого метода является рв рм. Диаметр шейки капли определяется путем наблюдения этого процесса в теневой проекции (рис. 2.26). Методика измерения: на штативе укрепляются калибровочный металлический стержень и капилляр. Микрометром измеряется истинный размер стержня dj (рис.2.2а).
Система из стержня и капилляра, заполненного смесью мороженого, помещается перед увеличительной линзой и проецируется на экран, на котором отмечается величина проекции стержня X] у шейки х вытекающей капли (рис.2.2б), истинный размер стержня di измеряется. Тогда истинный размер шейки капли может быть рассчитан следующим образом на границе раздела жидкость-жидкость /- истинный калиброванный стержень; Г-его теневая проекция; //- истинный диаметр шейки капли; // - ее теневая проекция Следует отметить, что содержание жира в мороженом не слишком велико, однако в оптимизации свойств мороженого и сведении к минимуму затрат на дорогостоящие ингредиенты необходимо понимание роли жира, механизма его гомогенизации и поведения образовавшихся жировых шариков в последующих технологических операциях производства продукта.
Для понимания механизма процесса, необходимо также проанализировать взаимодействие жировых шариков с поверхностно-активными веществами - белками и эмульгаторами (моно-, диглицеридами, лецитинами и т.д.). Имеется довольно большое количество работ, посвященных вопросам взбиваемости сливок [37], однако, как правило, не делается различия в изуче нии механизма гомогенизации жиров животного и растительного происхожде ния. В то же время физические свойства этих жиров и характер их взаимодействия с поверхностно-активными веществами различаются весьма существенно. При этом необходимо рассмотреть механизмы гомогенизации, образова ния сольватных оболочек вокруг жировых шариков и равномерности их рас пределения в системах, содержащих смесь животных и растительных жиров. Предпочтительным является образование непрерывной сетки жировых шариков по всей массе гомогенизированной смеси. При использовании жидких растительных жиров следует провести предварительное эмульгирование их в 25...30 % цельного молока, нагретого до 65...70 С. Эта смесь должна быть внесена в основную смесь, состоящую из цельного молока, сухого цельного и обезжиренного молока, сахара-песка, глюкозы, стабилизатора-эмульгатора и воды перед пастеризацией. Эта операция способствует улучшению исходного распределения жира в смеси.
Физический механизм гомогенизации. Расчет среднего диаметра жировых шариков после гомогенизации
Как было отмечено в главе 1, достаточно точного представления о физическом механизме процесса гомогенизации до настоящего времени нет. Выдвигались различные предположения о природе гомогенизации, однако до настоящего времени обсуждение вопроса о механизме этого процесса происходило в достаточной мере голословно, без исследования вопроса о том, к какому характеру зависимости диаметра образующихся жировых капель от параметров процесса приводит каждая из предложенных гипотез. В настоящей главе мы постараемся ликвидировать этот пробел и получить соотношения для расчета диаметра жировых шариков после гомогенизации на основе различных гипотез. Затем сравним полученные соотношения с экспериментальными данными и сделаем обоснованный вывод о справедливости этих гипотез.
I. Разрыв жировых шариков происходит в момент разгона смеси перед входом в щель за счёт наличия большого градиента скорости, что приводит к различию давления на переднюю и заднюю части жирового шарика (гипотеза Н.В. Барановского).
Рассмотрим разность давлений на переднюю и заднюю стороны жирового шарика в момент разгона перед входом в щель. Длина пути разгона смеси должна быть порядка ширины щели Я (м). На этом участке давление смеси должно упасть до атмосферного, то есть на участке длиной порядка Н давление падает на Ар (Па), что называют общим давлением гомогенизации. Задняя и передняя части жирового шарика отстоят друг от друга на расстояние d (м) — диаметр шарика. Таким образом, разность давлений на переднюю и заднюю стороны шарика должна составлять величину порядка (Ap d)fH. Эта разность давлений приложена к площади сечения шарика порядка сг. Итого сила разрыва Fp (Н) составляет величину порядка
С другой стороны, для того, чтобы шарик был разорван, необходимо, чтобы эта сила превышала силу поверхностного натяжения, составляющую порядка где о: - коэффициент поверхностного натяжения на границе жир-окружающий его водный раствор, Н/м,
Таким образом, объединяя (3.1) и (3.2) имеем: Разумеется, соотношение (3.3) является весьма приближённым. Реально в нём должен стоять некоторый коэффициент, который, по-видимому, должен быть связан с конкретной конструкцией гомогенизатора. Однако характер зависимости от параметров процесса формулой (3.3) передаётся верно.
Вместе с тем необходимо учесть тот факт, что ширина щели Н и давление Ар не являются независимыми параметрами. Наоборот, именно изменение ширины щели гомогенизатора позволяет регулировать давление Ар. Используемые в гомогенизаторах поршневые насосы имеют практически постоянный расход жидкости Q, равный произведению площади щели S и скорости жидкости в ней v: где L — длина щели, м; р — плотность смеси, кг/м .
При выводе (3.4) мы воспользовались законом Бернулли: который, однако, в нашей ситуации выполняется лишь приближённо, так как не учитывает потерь энергии, которые идут на нагревание. Согласно [26] в промышленных гомогенизаторах эти потери составляют 15...20 % и нагревают смесь на несколько градусов. Поэтому в выражении (3.4) стоит приближённое равенство. Подставляя (3.4) в (3.3), получим; где к - некоторый безразмерный коэффициент, который зависит от конкретной конструкции гомогенизирующей головки и может быть определён лишь экспериментально. Соотношение (3.6) показывает истинный характер зависимости среднего диаметра жировых капель от параметров процесса (в предположении истинности данной гипотезы о механизме процесса). Наиболее интересен тот факт, что диаметр капель обратно пропорционален давлению гомогенизации в степени 3/4. Автор рассматриваемой гипотезы о механизме процесса Н.В. Барановский на основе анализа экспериментальный данных получил неправильное значение степени 1/2 (см. главу I, соотношение (1.1)). Как уже отмечалось в главе 1, это связано с тем, что его экспериментальные данные [42] явно некорректны: значения расхода Q при различных давлениях гомогенизации различаются почти в два раза, что заведомо невозможно при использовании поршневого насоса.
Влияние количества глюкозы на качественные показатели мороженого
Частичная замена сахарозы на глюкозу понижает криоскопическую температуру смеси (приложение 2). Для смеси, содержащей растительное масло, необходимо исследовать влияние глюкозы на качественные показатели готового продукта. Исследования проводились с рецептурой смеси, представленной в табл. 5.1. Однако, сахар вносится в смесь следующим образом: в контрольную смесь вносится 150 г сахара; в исследуемые смеси вносятся последовательно 120 г сахара и 30 г глюкозы; 112,5 г сахара и 37,5 г глюкозы; 105 г сахара и 45 г глюкозы; 90 г сахара и 60 г глюкозы и 75 г сахара и 75 г глюкозы. В том случае, когда фризерование всех видов исследуемых смесей проводится до одной и той же конечной температуры, время фризерования уменьшается с увеличением доли внесенной глюкозы, что, в свою очередь, связано с уменьшением крио-скопической температуры и доли вымороженной влаги. Влияние содержания глюкозы на взбитость продукта представлено на рис.5.6. Из анализа графика видно, что функция имеет экстремум. Максимальная избитость всех видов рассматриваемых смесей наблюдается при внесении 45 г глюкозы, т.е. 30 % от общего количества Сахаров. Однако взбитость смесей с растительным маслом выше, чем контрольных. Наилучший результат был достигнут при внесении стабилизатора-эмульгатора PGX-1 в количестве 0,4 %. По нашему мнению это связано с понижением криоскопической температуры смеси. Кристаллизация влаги начинается при более низкой температуре, когда значительное количество молочных жиров переходит в твердое состояние, это приводит к повышенной дестабилизации жировых шариков, которая может быть скомпенсирована сравнительно малой дестабилизацией шариков растительного масла. Более вероятно и образование кристаллов лактозы. Такая система обеспечивает высокую взбитость смеси. При дальнейшем увеличении доли глюкозы увеличивается вязкость смеси при фризеровании, а консистенция продукта становится тягучей. Увеличение вязкости смеси приводит к уменьшению скорости диффузии влаги к зародышу льда, а следовательно, к образованию более мелких кристаллов льда, чем в контрольной смеси (рис. 5.3). Как видно из анализа представленных зависимостей наименьшие кристаллы льда получены в смесях с растительным маслом при содержании стабилизатора-эмульгатора PGX-1, равным 0,4%. Кроме того, увеличение вязкости смеси до определенных пределов способствует образованию мелких пузырьков воздуха, которые хорошо удерживаются смесью. Увеличение доли глюкозы свыше 30 % приводит к столь значительному увеличению вязкости смеси, что время фризерования, необходимое для достижения заданной взбитости смеси, увеличивается.
Таким образом, при производстве мороженого с растительным маслом можно рекомендовать использование глюкозы в количестве 20...30 % от общего количества Сахаров.
Одним из путей снижения скорости таяния смеси мороженого является снижение температуры фризерования.
При более низких температурах фризерования прежде всего увеличивается доля дестабилизированного жира за счет уменьшения энергии притяжения сольватной оболочки к поверхности жирового шарика. Большее количество дестабилизированного жира, в сою очередь, прочнее соединяет жировые шарики в прочную сетку вокруг воздушного пузырька.
Сильное влияние незначительного уменьшения температуры на степень дестабилизации может быть объяснено тем, что доля кристаллизованного жира значительно увеличивается при малом уменьшении температуры. В свою очередь, величина потенциальной энергии притяжения сольватной оболочки жировым шариком зависит, в основном, от структуры жирового шарика, которая резко изменяется при достаточно малом уменьшении температуры.
Результаты, представленные в табл. 5,5 и на рис. 5.2 и иллюстрирующие резкое уменьшение скорости таяния с уменьшением температуры фризерования, объясняются лучшей защитой воздушных шариков, а их наличие приводит к резкому уменьшению теплопроводности системы, а значит, и к замедлению скорости прогрева и таяния.
