Содержание к диссертации
Введение
1, Литературный обзор. Состояние вопроса и задачи исследований 6
1.1. Характеристика состава молока и молочных продуктов 6
1.2. Изменения состава молока при хранении и переработке 9
1.3. Пороки молока 21
1.4. Лип иды молока ... 23
1.5. Окисление и пищевая порча жиров 26
1.6. Методы исследования молочного жира в лабораторных и промышленных условиях . 35
1.7. Методы оценки сроков годности и хранения пищевых продуктов 42
1.8. Выводы по обзору литературы и задачи собственных исследований 47
2. Организация эксперимента. Объекты и методы исследований 49
2.1. Организация исследований 49
2.1.1. Объекты исследований 49
2.1.2. Постановка эксперимента 49
2.2. Выбор основных характеристик качества молочных продуктов 52
2.3. Методы исследований и аналитическое оборудование для их проведения 57
2.3.1 Методика определения продуктов окисления молочного жира ...57
2.3.2. Методика определения суммарного содержания продуктов окисления молочного жира 59
2.3.3. Методика определения концентрации карминовой кислоты 62
2.4. Статистическая обработка результатов и регрессивный анализ 62
3. Кинетическая модель определения сроков хранения (Теоретические аспекты) 63
4. Исследования кинетики окисления молочного жира. Построение кинетической модели определения сроков хранения 72
4.1. Определение порядка реакции окисления молочного жира 72
4.2. Определение энергии активации реакции окисления молочного жира 75
4.3. Проверка адекватности построенной кинетической
модели для различных видов молочных продуктов 77
5. Исследование кинетики разложения карминовой кислоты 92
6. Многофакторная модель определения сроков хранения
молочной продукции 101
Выводы. „ЛОЗ
Список литературы
- Изменения состава молока при хранении и переработке
- Методы исследования молочного жира в лабораторных и промышленных условиях
- Выбор основных характеристик качества молочных продуктов
- Определение энергии активации реакции окисления молочного жира
Введение к работе
Одним из основных факторов оценки развития общества и государства во все времена являлся фактор, связанный с производством продуктов питания. В послевоенные годы за рубежом появилось понятие «продовольственная безопасность», которое прямым образом характеризует этот фактор. Группа экспертов Национального фонда защиты потребителей в России, обобщая мнение многих специалистов, предлагает следующее определение продовольственной безопасности —"продовольственная безопасность — это обеспеченная продовольственными ресурсами, потенциалом и гарантиями способность государства, вне зависимости от внешних и внутренних условий или угроз, удовлетворять потребности населения страны в целом и каждого гражданина в отдельности продуктами питания, питьевой водой и другими пищевыми продуктами в объёмах, качестве и ассортименте, необходимых и достаточных для физического и социального развития личности, обеспечения здоровья и расширенного воспроизводства народонаселения" [1].
Однако продукты мало произвести в необходимом количестве, их необходимо уметь сохранить и донести до стола потребителя без значительных изменений показателей безопасности, физико-химических свойств, органолептических показателей [2,3]. В маркетинговой практике существует понятие «безвредность продукта». Однако если продукт безвреден - это ещё не означает, что продукт обладает хорошими органолепти-ческими свойствами. Период времени, в течение которого продукт остаётся безопасным и пригодным для использования, называют сроком хранения. Другими словами, в течение этого периода продукт должен сохранять свои органолептические, химические, физические, функциональные и микробиологические качества [4].
Для производства продуктов питания, отвечающих основным требованиям, а именно безопасности и длительным срокам хранения, в нас-
тоящее время активно разрабатывают новые технологии [5] и совершенствуют существующие технологии производства продуктов питания [6-8], новые способы хранения, новые упаковки [9-11].
Новые технологии позволяют создавать продукты, отвечающие требованиям потребителей. Федеральным законом о "О качестве и безопасности пищевых продуктов" регламентируется проведение производственного контроля за качеством и безопасностью продуктов, условиями их изготовления и хранения. При разработке современных технологий предпринимаются попытки учета влияния качества сырьевых источников, технологических параметров, аппаратурного оформления, технологических линий и упаковки. Все большую роль в оценке и прогнозировании качества играют фактические показатели качества, такие как срок и условия хранения, обеспечивающие гарантированную безопасность продукта. На сегодняшний день срок хранения в России подтверждают экспериментально [12]. Таким образом, разработанный новый продукт технологически может быть выпущен в течение нескольких недель, но в короткий период определить срок хранения полученного продукта невозможно. Это сдвигает промышленное производство нового продукта на длительный срок, в случае продуктов с продленными сроками хранения.
Возможность рассчитать срок хранения позволяет сберечь время при разработке и внедрении новых продуктов и более точно проводить маркетинговые исследования [13, 14]. А знание закономерностей изменения компонентов в продуктах питания в зависимости от времени хранения позволит получить продукты гарантированного и высокого качества [15].
Таким образом, актуальной проблемой, представляющей научную новизну и практическую ценность в пищевой промышленности, на сегодняшний момент является прогнозирование сроков хранения продуктов питания на основе математического моделирования процессов, происходящих в продуктах во время их хранения.
1. Литературный обзор. Состояние вопроса и задачи исследований
Изменения состава молока при хранении и переработке
Для уменьшения развития патогенной микрофлоры (главным образом мезофильных бактерий) свежее молоко подвергают охлаждению до температуры 6-10 С (иногда до 2-6 С) [20]. При охлаждении молока в результате температурного и механического (без которого практически невозможно осуществить охлаждение) воздействия происходят: - частичный переход казеина в растворимую форму, что затрудняет способность его к коагуляции; - частичное разрушение жировых шариков с образованием свободного жира, склонного к гидролитическому расщеплению; - частичное разрушение витаминов; - повышение активности ряда ферментов, в частности ксантиноксидазы, каталазы, липазы, протеазы, снижение активности лизоцима.
При охлаждении молока жир переходит из жидкого состояния в твёрдое, что приводит к повышению вязкости и плотности молока. Вследствие кристаллизации высокоплавких триглицеридов жировых шариков изменяются состав и свойства их защитных оболочек [21].
Для уничтожения микроорганизмов и разрушения ферментов сырьё при выработке пищевых продуктов подвергают тепловой обработке. Основная цель тепловой обработки - получение безопасного в гигиеническом отношении продукта и увеличение срока его хранения. При этом изменения вкуса, цвета, пищевой и биологической ценности должны быть незначительными.
Тепловая обработка молока обычно предусматривает термизацию (при 60-65 С от 2 до 30 сек); пастеризацию, которая бывает трех видов: длительная (при 62-65 С 30 минут), кратковременная (при 71-74 С 10-20 сек), мгновенная (при 85 С 8-Ю сек); стерилизацию - тепловую обработку выше 100 С и УВТ-обработку (нагревание свыше 135 С и выдержка до 10 сек) [22]. При этом общая бактериальная обсеменснность при 68 С снижается в 55 раз, при 72 С- в 62 раза, в 10 раз снижается количество плесневых грибов и условно-патогенных бактерий [23].
В процессе тепловой обработки изменяются основные части молока, в первую очередь белки, инактивируются почти все ферменты, частично разрушаются витамины и аминокислоты. Кроме того, меняются физико-химические и технологические свойства молока: вязкость, плотность, поверхностное натяжение, кислотность и т.д. Молоко приобретает специфический вкус, запах и цвет [24].
Вязкость молока - наиболее характерный физико-химический показатель. Вязкость молока состоит из трёх слагаемых: вязкости дисперсионной среды (воды), приращение вязкости за счёт наличия дисперсионной фазы (белков, жировых шариков) и образование слабой структурной сетки, разрушающейся при повышении температуры [24, 25]. На вязкость молока оказывают влияние эмульгированные и коллоидно-растворимые частицы, а именно, количество и состояние жира, белковых веществ, а также механические и тепловые воздействия [26-28].
Было установлено, что нагревание молока вызывает некоторое изменение вязкости за счет агрегации белков [29]. HofI и другие доказывают, что пастеризация заметно не изменяет вязкости молока, а стерилизация и кипячение увеличивают вязкость [30]. В работе [31] было установлено, что относительная вязкость УВТ-молока возрастала заметно в процессе хранения. При низкой температуре увеличение вязкости происходило медленнее [32].
При нагревании нарушается коллоидно-фазовая стабильность молока, сдвигается равновесие между растворимыми, коллоидными и связанными с казеином формами солей в сторону уменьшения их дисперсности. Нарушенный баланс солей восстанавливается внесением в молоко соответствующих солей-стабилизаторов. Наибольшее значение для стабильности при нагреве имеют фосфорнокислые и лимоннокислые соли кальция и магния [33].
Изменения коллоидно-фазовой стабильности при УВТ-обработке молока вызывают необратимый сдвиг в кислотно-основном равновесии в сторону снижения рН. В работах [34-36] установлено увеличение титруемой кислотности на 2 Т при стерилизации молока.
При тепловой обработке наибольшим изменениям подвергаются сывороточные белки. Происходит уменьшение степени их растворимости. При этом наиболее чувствительными к нагреванию являются фракции иммуноглобулинов и альбуминов. Казеинкальцийфосфатный комплекс к воздействию тепла довольно устойчив.
Соколова Т.В. и другие установили, что при стерилизации молока прямым методом происходит уменьшение содержания сухих веществ на 0,15 %, содержание жира - на 0,1 % [37].
По данным Россихиной Г.А. с сотрудниками в результате УВТ-обработки молока при прямом и косвенном нагреве не наблюдалось значительных изменений содержания сухих веществ, жира, молочного сахара, общего белка и т.д. [38].
При нагревании молока до температуры более 100 С происходит частичное разрушение лактозы с образованием молочной и муравьиной кислот. Лактоза может также взаимодействовать со свободными аминокислотами и белками-реакция Майара или реакция меланоидинообра-зования [24, 34]:
Методы исследования молочного жира в лабораторных и промышленных условиях
Массовую долю жира в молоке определяют после разрушения защитных оболочек жировых шариков (кислотный метод Гербера, экстракционный метод Розе-Готлиба) или без него (методы с использованием полуавтоматических и автоматических приборов). Наиболее известными простыми приборами являются жиромеры [98-100].
В настоящее время для определения жира в молоке и молочных продуктах наиболее широко применяют два метода: кислотный и гравиметрический.
Кислотный метод Гербера для определения жира в молочных продуктах основан на выделении жира под действием концентрированной серной кислоты и изоамилового спирта с последующим центрифугированием и измерении объёма выделившегося жира в градуированной части жиромера [101, 102]. Внесённая в жиромер серная кислота не только разрушает белковые оболочки жировых шариков, но и действует на основной белок молока — казеинат кальция. Последний в начале теряет кальций с образованием нерастворимого казеината и сульфата кальция, затем выпавшие хлопья казеина растворяются в избытке кислоты: 2H2N—R-COO- 1/2Са2+ + H2S04 = 2hfeN—R—СООН + CaS04 Казеинат кальция Казеин H2N—R—СООН + H2S04 H2S04 H2N—R—СООН Сульфат казеина
При добавлении изоамилового спирта понижается поверхностное натяжение жировых шариков. С поверхности жировых шариков удаляется оболочка. Реакции ускоряются нагреванием и центрифугированием [103]. Анализ выполняют непосредственно в жиромере. После центрифугиро вания жир выделяется в виде сплошного слоя и его объём измеряют в градуированной части жиромера. Применяют жиромеры трёх видов: для определения жира в молоке и молочных продуктах, в сливках и молочных продуктах с высоким содержанием жира, в обезжиренном молоке и пахте. Иногда применяют бесцентрифужный метод по Г.Инихову [34].
Кислотный метод определения содержания жира имеет существенные недостатки: длительность определения, использование дорогостоящих реактивов, повышенная опасность для обслуживающего персонала, невозможность контроля жирности продукта в потоке и т.д.
Разработанные в последнее время полуавтоматические и автоматические измерители содержания жира лишены этих недостатков. Их действие основано на измерении: - степени рассеяния света жировыми шариками или интенсивности их флуоресценции (турбодиметрические приборы и приборы люминесцентного анализа); - скорости распространения в молоке ультразвука (ультразвуковые анализаторы); - степени поглощения компонентами молока инфракрасного (ИК) излучения (ИК-анализаторы) и др.
К турбодиметрическим приборам относят отечественный цифровой измеритель жира ЦЖМ-1, датские измерители типа «Милко-Тестер» («Милко-Тестер МК-П», «Милко-Тестер МК-Ш», «Милко-Тестер-Автоматик», «Милко-Тестер-Контрол», «Милко-Тестер-Мини») и японский прибор «Милко-Чекер». Определение массовой доли жира в молоке на приборах этого типа основано на фотометрическом измерении светорассеяния слоем диспергированных с помощью гомогенизации жировых шариков. Рассеяние света белковыми частицами устраняют, добавляя растворитель белков - датский препарат «Версен» или его отечественный аналог.
Приборы люминесцентного анализа основаны на способности веществ излучать свет под действием возбуждающего фактора, например, светового потока. При этом вещества могут иметь собственное свечение, либо они флуоресцируют после обработки специальными красителями. Флуоресцентный анализатор жира ФЖМ-8 измеряет интенсивность флуоресценции жировой фазы молока после окрашивания пробы специальным красителем (флуорохромом). Гомогенизация молока для данного метода не требуется. Кроме того с его помощью можно контролировать массовую долю жира в кисломолочных продуктах (сметане, твороге и др.).
Ультразвуковые и ИК-анализаторы — многокомпонентные, комплексные анализаторы, так как позволяют одновременно контролировать в одной пробе молока содержание нескольких компонентов. Так с помощью отечественных ультразвуковых анализаторов «Лактан 1-4», ПАН-3 и ФМУ-1 можно измерять в молоке массовые доли жира и СОМО. Принцип работы анализаторов основан на измерении скорости распространения ультразвука в одной и той же пробе молока при двух разных температурах.
Анализаторы инфракрасного излучения (ИК-анализаторы), основанные на измерении поглощения инфракрасного излучения компонентами молока, предназначены для комплексного контроля состава молока. Например, датские инфракрасные анализаторы «Милко-Скан» и английские анализаторы типа «Мультиспек» позволяют контролировать в молоке массовые доли жира, белка, лактозы, сухих веществ или СОМО и влаги.
Гравиметрический метод определения жира основан на его извлечении (экстракции) органическими растворителями и последующем определении количества жира в экстракте [104]
Выбор основных характеристик качества молочных продуктов
Как видно из приведенных данных, окисление жира действительно самый быстрый и наиболее зависящий от температуры процесс в случае молока и жиросодержащих продуктов на молочной основе. Поэтому было принято решение о более детальном изучении кинетики именно этого процесса.
Для того, чтобы определить аналитический параметр, который может являться индикатором скорости процесса окисления жира, был проведен ряд исследований, по результатам которых решался вопрос целесообразности проведения исследований изменения содержания компонентов самого молочного жира (жирных кислот или жирнокислотного состава) или непосредственно продуктов его окисления - альдегидов и кетонов.
С этой целью был взят образец свежего обезвоженного молочного жира Новозеландского производства и подвергнут окислению в течение 3 месяцев при 25С при непосредственном контакте с воздухом в замкнутом объеме.
В свежем и окисленном образце был определен жирнокислотный состав. Результаты анализа приведены в таблице 2.
Как видно из представленных данных определять кинетику процесса по изменению концентрации составляющих самого жира крайне затруднительно, неудобно и неточно. Поэтому в качестве аналитического метода был выбран разработанный интегральный метод оценки степени окислительной порчи молочного жира.
Кинетика реакции окисления молочного жира изучалась по продуктам окисления, дающим наиболее существенные вкусовые пороки продукта — высшим альдегидам и кетонам, которые являются конечными продуктами окисления и накапливаются в молочных продуктах при хранении.
Еще одним важным органолептическим показателем качества продукции является ее цвет. В настоящее время широкое применение находит пищевой краситель - кармин (карминовая кислота, Е120). Однако кармин является веществом неустойчивым. При хранении он разлагается, и происходит обесцвечивание продукта, что в свою очередь приводит к ухудшению потребительских свойств продукции. - Для изучения окисления молочного жира и выявления основных карбонильных продуктов его окисления использовался газовый хроматограф серии Trace GC 2000 производства ThermoFinnigan с масс-спектрометрическим детектором серии PolarisQ (США). - Для измерения суммарного содержания альдегидов и кетонов в продукте использовался оптический метод. Измерения проводились на спектрофотометре Сагу 2000 фирмы Varian (Австралия). - Для измерения концентрации карминовой кислоты в продукте использовался метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Измерения проводились на жидкостном хроматографе Waters 2690 (США).
В качестве модельного образца был взят молочный жир Новозеландского производства, в котором проводилась окислительная порча под воздействием кислорода воздуха при температуре 25С в течение 3 месяцев. Анализ продуктов окисления проводился по следующей методике: 20,0 г жира расплавляли при 35С, помещали в делительную воронку и приливали 40 мл 40% раствора гидросульфита натрия. Смесь интенсивно встряхивали в течение 5 минут. Затем прибавляли 100 мл ди-хлорметана и проводили интенсивное встряхивание в течение 10 минут. После расслоения нижний слой (дихлорметан) сливали и операцию повторяли. Затем приливали 20 мл 5% раствора серной кислоты и 20 мл дихлорметана. Интенсивно встряхивали. После расслоения нижний слой сливали в колбу с 5 г безводного сульфата натрия.
Определение энергии активации реакции окисления молочного жира
Для определения порядка реакции окисления молочного жира использовали образцы молочной продукции с различной массовой долей жира. Проводили окисление в диапазоне температур 30-95 С в течение 6 часов. Затем определяли содержание образовавшихся карбон ил ьых соединений (Ск).
Кинетическое уравнение для реакции окисления молочного жира выглядит следующим образом W — Kw ( жир) " Ї где: W - скорость реакции; kw— константа скорости реакции; Сжир-- массовая доля жира в продукте; Пі - порядок реакции окисления молочного жира. Общую скорость реакции можно измерять по приросту концентрации карбонильных соединений в продукте, в виде: W - ДСК/Д1, где: At- время протекания реакции окисления; ЛСК - изменение концентрации карбонильных соединений при окислении.
Таким образом, построив график в координатах lg(ACK) - Ig(CMHp), получим порядок реакции по молочному жиру из тангенса наклона прямой в этих координатах. Результаты эксперимента представлены на рис. 14. 6,0 -і 5,5-5,0-4.5 4,0
Кинетика окисления молочного жира при различных температурах хранения образцов йогуртов (где: Ск - концентрация карбонильных соединений, ррм; СЖ1ф - массовая доля жира, %) Измеренный таким образом порядок реакции по молочному жиру равен 0,66+0,02.
Как видно из рисунка прямые зависимости lg(ACK) - lg(CMttip) расположены параллельно, что свидетельствует о постоянстве значения порядка реакции окисления молочного жира при различных температурах хранения. Это означает, что реакция окисления жира при различных температурах протекает по одному и тому же механизму, что делает возможным применение разработанного кинетического метода оценки срока хранения для различных термизированных и сухих молочных продуктов.
Полученная величина порядка реакции позволяет, зная срок хранения продукта с одной массовой долей жира, прогнозировать срок хранения продукта с другой массовой долей жира. Проиллюстрируем это положение на примере йогурта. Например, при повышении массовой доли жира в Йогурте с 6 % до 10 % концентрация жира в нем увеличивается в 1,67 раза, получаем: "б%йогурта — -KVL lacHpaJ Wio%fiorypra = kw [l,67Ci»;HpJ „.
При этом Wio%ftorypTa/W6o/„R(H№a= 1,670,66 = 1.4, т.е. в йогурте с массовой долей жира 10% окисление жира и накопление пороков вкуса, с этим связанных, будет происходить в 1,4 раза быстрее, чем в йогурте с массовой долей жира 6%. А поскольку:
W=ACK /At, где At в данном случае — установленный срок хранения для йогуртов с массовой долей жира 6 % - срок хранения йогуртов с массовой долей жира 10 % будет меньше срока хранения йогурта с массовой долей жира 6 % в 1,4 раза. 4.2. Определение энергии активации реакции окисления молочного жира
Для моделирования сроков хранения путем выдержки при повышенных температурах, была определена энергия активации реакции окисления молочного жира.
Для этого образцы молочных продуктов были помещены в термоста-тируемые условия в прямом контакте с воздухом на 70 часов при температурах от 30 С до 95 С и затем определяли содержание образовавшихся карбонильных соединений. Полученные результаты в координатах уравнения Аррениуса представлены на рис. 15.
В сериях опытов с различным набором температур и концентраций жира были получены величины энергии активации от 50,9 кДж/моль до 52,4 кДж/моль, что свидетельствует о стабильности и адекватности кинетической модели в широком интервале содержания жира и температур хранения. Определенная таким образом энергия активации реакции окисления молочного жира в йогурте составила 51,2+1,0 кДж/моль.
Используя полученную величину энергии активации, с помощью уравнения Аррениуса (8) и кинетического уравнения окисления молочного жира можно рассчитать температуру выдержки, при которой за определенный срок произойдут те же изменения, что и, например, за 3 месяца хранения при 20 С. Пользуясь этой моделью, зная срок хранения продукта при одной температуре, можно определить срок хранения при любых других значениях температуры:
