Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1 Теоретические и практические основы производства мороженого в России и их дальнейшее развитие 10
1.2. Научные исследования структуры и структурных элементов мороженого с 30-х годов 20 в. - по настоящее время 20
1.3. Характеристика и свойства основных стабилизаторов для мороженого 26
1.4 Современные зарубежные тенденции в производстве мороженого .36
1.5 Выводы по разделу. Современное представление о структуре мороженого на основе обобщенных данных технической и патентной литературы 40
2. Методы исследования 45
2.1 Микроскопический метод определения структурных элементов смеси и мороженого 45
2.2 Определение структурно-механических показателей смесей и мороженого 47
2.3 Определение устойчивости мороженого к таянию 51
2.4 Определение гидрофильности гидроколлоидов (метод светорассеяния) 52
3. Аналитические и экспериментальные исследования по определению роли составных частей мороженого в формировании структуры 54
3.1 Исследования по определению влияния жира на консистенцию, структуру и органолептические показатели продукта 54
3.2 Исследование процесса производства мороженого с различными жирами 58
3.3 Определение роли белка и Сахаров в стабилизации структуры мороженого 68
3.4 Исследования по оценке влияния Сахаров различной молекулярной массы на физико-химические показатели, состояние жировой и воздушной фазы мороженого 75
4. Исследование возможности применения эмульгаторов в производстве отечественного мороженого 95
4.1 Исследование факторов, влияющих на деэмульгирование жира 95
4.2 Сравнительная оценка влияния различных эмульгаторов на формирование структуры в мороженом 105
4.2.1 Влияние эмульгаторов на продолжительность созревания смесей для мороженого 105
4.2.2 Влияние различных эмульгаторов на скорость таяния мороженого 108
4.2.3 Исследование физических показателей смесей и мороженого с моно-диглицеридами и полисорбатами 111
5. Исследования функциональной роли стабилизаторов 120
5.1 Аналитические и экспериментальные исследования по изучению поверхностно- активных свойств стабилизаторов 120
5.2 Исследование стадий растворения стабилизационных систем для мороженого 124
5.2.1 Исследования по улучшению диспергирования стабилизаторов... 124
5.2.2 Исследование процесса солгобилизации стабилизаторов методом светорассеяния 129
5.3 Исследованиет влияния стабилизаторов и их композиций на вязкость растворов и смесей для мороженого 137
6 Аналитические и экспериментальные исследования по определению роли основных стадий технологического процесса в производстве мороженого 161
6.1 Исследование влияния стадии стадий «смешивание компонентов» и «гомогенизация смеси» на процесс формирования структуры мороженогоібі
6.2 Исследование факторов, влияющих на процесс созревания жировой фазы 167
6.3 Исследование процесса формирования структуры в мороженом при ускоренном созревании смеси 179
6.4 Определение роли стадии фризерование смеси в формировании структуры мороженого 191
7. Исследование особенностей формирования структуры мороженого различного состава 196
7.1.1 Исследование влияния различных факторов на состояние структуры мороженого с массовой долей жира 3,5% 196
7.2 Исследования по использованию в производстве мороженого пищевых волокон 206
7.3 Исследование состояния воздушной фазы в мороженом без жира и с пониженной массовой долей 220
7.4 Разработка рекомендаций по производству мороженого с массовой долей жира менее 6 % 224
8. Мороженое как криоконцептрированныи продукт, показатели для оценки его структуры и возможные пороки 228
8.1 Формирование комплексного представления о структуре мороженого как криоконцентрированного продукта 228
8.2 Аналитические исследования по установлению причин пороков структуры мороженого 236
8.2.1 Определение влияния ультраструктуры на состояние структуры мороженого 238
8.2.2 Определение влияния микроструктуры мороженого на состояние его макроструктуры 240
9. Практическое использование результатов исследований 242
Выводы 250
Список использованной литературы
- Теоретические и практические основы производства мороженого в России и их дальнейшее развитие
- Микроскопический метод определения структурных элементов смеси и мороженого
- Исследования по определению влияния жира на консистенцию, структуру и органолептические показатели продукта
- Исследование факторов, влияющих на деэмульгирование жира
Введение к работе
Промышленное производство мороженого в России со своего начала в 30-х годах прошлого столетия более бОлет следовало теоретическим основам, полученным из. США одновременно с приобретенным в этой стране оборудованием. Однако США в 50-е годы, Европа несколько позднее стали применять в производстве мороженого стабилизационные системы, включающие эмульгаторы и эффективные гидроколлоиды, наряду с сахарозой использовать декстрозу, патоку и глюкозные сиропы. Это позволило управлять процессом формирования консистенции и структуры мороженого и одновременно достигать высоких органолептических показателей продукта при снижении затрат на его производство. Последующий за рубежом технический прогресс в промышленности в целом благоприятно отразился и на индустрии производства мороженого.
В России еще более 50 лет 80% мороженого выпускали с неэффективным стабилизатором модифицированным картофельным крахмалом. Мороженое при его применении характеризовалось невысокой взбитостью, уязвимостью в хранении уже при незначительных температурных колебаниях, непродолжительным хранением.
Несмотря на отмеченные особенности производства, в пределах допустимого срока хранения традиционное отечественное мороженое характеризуется высокими органолептическими показателями. Традиционное российское мороженое - это продукт с чистым вкусом качественных молочных продуктов. Его высокие органолептические показатели объясняются сбалансированным химическим составом. В частности, в мороженом сливочном и пломбир высокой массовой долей сухих веществ и молочного жира, находящегося в состоянии эмульсии прямого типа.
В начале 90-х годов 20 столетия начавшийся технический прогресс в отрасли вызвал необходимость следования общемировым тенденциям в технологии мороженого. На российский рынок одновременно с современным
оборудованием стали поставлять стабилизационные системы зарубежного производства, содержащие эмульгаторы и композиции эффективных гидроколлоидов. Возникла необходимость разработки технологии их применения, поскольку далеко не на всех предприятиях организация технологического процесса позволяла в полной мере применять такие стабилизационные системы, а технический прогресс затронул в основном участки расфасовки и упаковки продукта.
В этот же период развития рыночных отношений на предприятиях возникла необходимость применения и других новых компонентов: растительных жиров взамен ставшего дефицитным сливочного масла и сахаридосодержащих продуктов для частичной замены сахара-песка с целью целенаправленного формирования консистенции и структуры мороженого.
Произошедшие изменения вызвали необходимость совершенствования технологии мороженого при максимально возможном сохранении привычных для российского потребителя органолептических показателей продукта. Совершенствование технологии потребовало научно обоснованного системного подхода. Значительная доля исследований по разработке научных принципов современной технологии мороженого, в частности, и технологии формирования структуры мороженого проведена в лаборатории технологии мороженого ВНИХИ, руководителем которой 16 лет является диссертант.
Научная новизна. Впервые создана общая концептуальная модель теоретического обоснования оценки состояния структуры мороженого как комплексной системы трех взаимосвязанных уровней ультра-, микро- и макро.
Установлено взаимовлияние составных частей мороженого на его ультра-, микро- и макроструктуру.
Теоретически обоснована и экспериментально доказана функциональная роль эмульгаторов и стабилизаторов при формировании структуры мороженого.
Получены новые данные о реологических свойствах смесей для мороженого и гелей стабилизаторов.
Научно обоснованы параметры стадий технологического процесса (смешивание сырьевых компонентов, гомогенизация и созревание), оказывающие существенное влияние на формирование структуры мороженого. Расширены сведения о процессах, происходящих в жировой фазе при созревании смесей для мороженого.
Выявлены закономерности формирования структуры мороженого различного состава.
Предложен новый подход к оценке состояния структуры мороженого как криоконцентрированного продукта. Показана зависимость состояния структуры мороженого от концентрации дисперсной фазы (воздушных пузырьков, жировых частиц, кристаллов льда) в плазме.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является научное обоснование, разработка и реализация принципов формирования структуры мороженого с целью улучшения его качества.
Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач:
исследование роли составных частей мороженого в формировании его структуры;
исследование возможности и направлений применения эмульгаторов в современной отечественной технологии мороженого;
разработка методологии использования в производстве мороженого гидроколлоидов (стабилизаторов) и их композиций с эмульгаторами;
исследование влияния стадий технологического процесса на формирование структуры мороженого;
установление закономерностей формирования структуры мороженого различного состава;
- разработка современной конкурентоспособной технологии мороженого с технологически функциональными ингредиентами.
1. Состояние вопроса
Теоретические и практические основы производства мороженого в России и их дальнейшее развитие
Производство мороженого в России сравнительно молодая отрасль промышленности, существует с 30-х годов 20 столетия. До этого времени мороженое было деликатесом, доступным лишь незначительной части населения нашей страны. По указанию комиссара пищевой промышленности А.И. Микояна были построены первые фабрики мороженого в Москве, Ленинграде и др. городах. Указание было дополнено необходимостью перевода с английского языка книги известного американского специалиста в области мороженого - профессора Висконсинского университета Г.Г. Зоммера «Теория и практика производства мороженого», которая по сути стала теоретической и практической основой производства мороженого в России более, чем на 70 лет /23/.
Теоретические и практические рекомендации Г.Г.Зоммера касались 10 классов мороженого в соответствии с предложенной Мортенсеном в 1911 г. классификацией мороженого: обыкновенное, ореховое, фруктовое, бисквитное, пломбир (мусс), нью-йоркское, пудинги, кремы, фруктовый лед и шербеты.
Названы стадии технологического процесса изготовления мороженого: смешивание ингредиентов, нагревание, пастеризация, гомогенизация, охлаждение, старение, замораживание и взбивание смеси, фасовка, закалка, доставка и хранение мороженого.
При анализе последующих технических рекомендаций по производству мороженого видно, что в России пренебрегли стадиями технологического процесса - нагревание (для облегчения растворения) и старение (как обязательная стадия). И, как это будет показано в дальнейшем, совершенно напрасно.
Книга касалась всех основных вопросов, связанных с производством мороженого: классификация, состав, характеристика сырья, описание технологического процесса, сведения о пищевой ценности и микробиологии мороженого, методики проведения отдельных химических анализов.
Теоретическую часть составляло описание физико-химических свойств смесей для мороженого, процессов, происходящих при их замораживании и насыщении воздухом, причин, возникновения пороков мороженого. В основу этих рассуждений положены глубокие теоретические исследования, которые по основополагающим вопросам не потеряли актуальности и в настоящее время.
В частности, определены критерии эффективности каждого процесса в производстве мороженого. При смешивании это - степень растворения ингредиентов, пастеризации - максимально возможное снижение бактериальной обсемененности и полное растворение ингредиентов, гомогенизации - высокая дисперсность жировой фазы и отсутствие скоплений жировых частиц.
Приведено теоретическое обоснование образования скоплений жировых частиц. К причинам, вызывающим скопление жировых шариков, отнесены: возможные столкновения шариков при выходе из гомогенизирующей головки, слипание адсорбционных слоев, окружающих шарики, наличие межфазного пограничного (теперь - поверхностного) натяжения и концентрация жира в плазме. В качестве основного фактора, препятствующего скоплению жировых частиц, названо действие электрических зарядов на поверхности жировых шариков. Рекомендована температура гомогенизации - 63С. Но при этом отмечено, что повышение температуры гомогенизации до 76,5С позволяет снизить число скоплений жировых шариков и повысить способность смесей к взбиванию. Определены требования к размеру жировых частиц: большая часть жировых шариков должна быть меньше 1 мкм, шарики свыше 2 мкм должны отсутствовать или присутствовать в незначительных количествах.
После гомогенизации смесь рекомендовано немедленно охладить до О, +5,5С.
Относительно отвергнутого в нашей стране процесса старения смеси было отмечено, что наибольшая эффективность старения отмечается в первые 4 ч старения, выдерживание смеси более 24 ч вообще нецелесообразно, хотя в истории производства мороженого был период, когда этот процесс продолжался 2-3 суток. Процесс старения рекомендован с целью повышения способности смеси к взбиванию, улучшения консистенции и структуры готового продукта. Внешнее проявление эффекта старения смеси - повышение вязкости смеси. Рекомендована температура этого процесса - от 10 до 5С. Автор, рекомендуя процесс старения смесей, призывал не путать его с процессом созревания продуктов в молочной отрасли, в период которого, по его мнению, происходит рост числа микроорганизмов.
Означена роль гидратации в формировании структуры мороженого. Структура мороженого становится нежной, если основная масса воды присутствует в виде гидратационной. Гидратация белков и стабилизаторов (их автор называет - эмульсоидами) в значительной степени зависит от температуры старения, температуры термической обработки, присутствия солей и концентрации водородных ионов.
Интерес представляют приведенные автором исследования Рейда, Руссельда и Гебгарда по влиянию составных частей смесей мороженого на величину поверхностного натяжения при 0С (табл. 1 ).
Величину поверхностного натяжения в смесях для мороженого следует учитывать при анализе способности смесей к взбиванию. Низкое значение поверхностного натяжения позволяет повысить способность смеси к насыщению воздухом.
Микроскопический метод определения структурных элементов смеси и мороженого
Структурно-механические свойства пищевых продуктов в зависимости от характера прилагаемых усилий классифицируют на сдвиговые, компрессионные и поверхностные.
Структурно-механические свойства характеризуют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения, деформации или скорости деформаций в процессе приложения усилий. Структурно-механические свойства зависят от формы и размеров тела, состояния поверхности, его температуры, состояния структуры, скорости нагружения и ряда других факторов.
Сдвиговые свойства характеризуют поведение продукта при его растяжении или сжатии.
Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия или липкость) и касательных (внешнее трение) напряжений.
Сдвиговые свойства чаще всего используются для оценки качества пищевых продуктов, в том числе смесей и мороженого, стабилизационных систем для мороженого и глазури.
Одна из важнейших сдвиговых характеристик - вязкость.
Под вязкостью понимают способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев. Внешне показатель "вязкость" связывают с состоянием консистенции продукта, определяющей в какой-то степени меру его текучести.
В зависимости от используемых приборов для измерения определяют коэффициент динамической (абсолютной) вязкости и эффективную вязкость /1, 14/.
Коэффициент динамической (абсолютной) вязкости (г),Па-с) характеризует величину усилий, возникающих между двумя слоями жидкости при их смещении относительно друг друга. Этот показатель определяют при незначительных напряжениях сдвига на срез (9, Па). Течение в этом случае описывается уравнением Ньютона 0= ті у, (3) где у - скорость деформации, с -1
Коэффициент динамической вязкости смесей для мороженого можно определить с помощью капилярных вискозиметров (Оствальда и Уббелоде), вискозиметра постоянного давления Г.В. Виноградова и вискозиметров Гепплера. Вискозиметры Гепплера наиболее применимы /\ \4, 44/.
Измерение динамической вязкости с помощью этих приборов основаны на определении сопротивления среды движущемуся телу, в данном случае, металлическому или стеклянному шарику. Движение шарика с достаточной точностью описывается законом Стокса, поэтому вязкость испытуемого продукта можно измерить, зная продолжительность перемещения шарика на строго определенном участке. Шарик движется в наклонной трубке, образуя узкую щель со стенкой, поэтому метод пригоден для измерения вязкости слабоструктурированных или ньютоновских жидкостей.
Передвижению шарика в наклонной трубке в заметной степени мешает наличие в образце воздуха, поэтому перед проведением исследований его удаляют.
Для получения точного результата во время опыта с помощью термостата можно поддерживать постоянную температуру.
В связи с тем, что при быстром движении шарика вследствие турбулизации потока может происходить частичное разрушение структуры продукта, для опыта подбирают шарик, время движения которого составляет не менее 30 с, но не более 300 с. В комплект вискозиметра Гепплера входят обычно б шариков: 2 стеклянных и 4 металлических. Шарики отличаются по размеру, металлические и стеклянные - по плотности, поэтому их константа используемая для расчета коэффициента динамической вязкости, различна.
Эффективная вязкость.
Для изучения эффективной вязкости структурированных жидкообразных продуктов, в том числе и смесей для мороженого, используют ротационные вискозиметры.
Существует несколько видов ротационных вискозиметров: вискозиметры, разработанные М.П. Волоровичем - РВ-4, РВ-7, РВ-8; вискозиметры МТИППа -РМ-1, РМ-2; вискозиметр системы В.П. Павлова, вискозиметры производства Германии - "Реотест PV", "Реотест PN", "Реотест-2" / 14/.
Принцип действия таких вискозиметров заключается в следующем: во внешний неподвижный цилиндр помещается масса испытуемого продукта, затем в этот цилиндр вводится второй цилиндр, который через специальную систему передач приводится в движение. При проведении эксперимента получают зависимость крутящих моментов от угловой скорости вращения измерительной поверхности.
Достаточно полно можно определить реологические показатели смесей для мороженого с помощью реовискозиметра "Реотест-2" особенность прибора состоит в том, что с помощью синхронного электродвигателя, соединенного с двенадцатиступенчатой коробкой передач, можно изменить частоту вращения внутреннего цилиндра в широких пределах.
Структурно-механические показатели мороженого измеряют пенетрометрами и консистометрами /14 37 38/.
Известны конические пластометры КПЗ модели, предложенной П.А. Ребиндером и Н.А. Семененко, и другие.
Исследования по определению влияния жира на консистенцию, структуру и органолептические показатели продукта
Одно из назначений процесса созревания смеси - подготовка жировой фазы смеси для мороженого к фризерованию, заключающаяся в отвердевании части триглицеридов жиров с целью последующего участия жировых частиц в формировании структуры мороженого. На основании данных табл. 9 о массовой доле твердой фазы в жирах при температуре, близкой к температуре созревания, очевидно, что в зависимости от природы жира в мороженом будет разное количество твердого жира. Отмеченное может по-разному сказаться на состоянии структуры мороженого, как в процессе его фризерования, так и при последующих стадиях технологического процесса. Влияние созревания смеси мороженого с различными жирами на состояние структуры в мороженом было оценено по показателям "взбитость" и "скорость таяния". Исследовали зависимость различных показателей в зависимости от температуры созревания смеси мороженого (табл. 9).
Показатель "взбитость" мороженого определяли в условиях фризерования смеси без принудительной подачи воздуха, поэтому он в значительной степени характеризует способность смеси к насыщению воздухом.
Скорость таяния мороженого определяли по времени появления 1ой капли плава и времени накопления 10мл плава, а также по массовой доле растаявшего мороженого в течение 2-х часов.
Как следует из табл. 9, созревание мороженого с молочным жиром при температуре 7 - 10,5С не приводит к повышению способности смеси к взбиванию. Взбитость такого мороженого (без принудительной подачи воздуха) была всего на 20 % выше взбитости мороженого с использованием гидроколлоидов, изготовляемого из смеси без предварительного созревания. Взбитость мороженого с использованием гидроколлоидов, изготовляемого в аналогичных условиях, не превышает 40 %. Разница в температуре созревания три градуса не привела и к заметному изменению показателя "скорость таяния" мороженого. По этому же показателю к мороженому с молочным жиром приближалось и мороженое с кокосовым маслом. Показатель "взбитость" в мороженом с кокосовым маслом имел значения выше, чем в мороженом с другими видами жиров, и на 50 % выше, чем в мороженом с использованием в качестве стабилизирующих компонентов гидроколлоидов.
На основании опытных данных по значениям взбитости мороженого этот показатель для мороженого с кокосовым маслом свидетельствует о достаточной зрелости смеси и готовности ее к фризерованию. Вероятно, созревание смеси с кокосовым маслом может происходить при температурах несколько выше, чем у традиционных смесей с молочным жиром. Но рекомендовать такие температурные параметры не следует по санитарно-гигиеническим соображениям.
Невысокая взбитость мороженого с соевым маслом и со смесью соевого и кокосового масел свидетельствует о недостаточной подготовке смеси к взбиванию. Быстрое таяние указанных разновидностей мороженого, кроме того - результат недостаточной массовой доли твердого жира в смеси перед фризерованием. Аналогичные выводы можно сделать и при анализе значений массовых долей растаявшего мороженого через 60, 90 и 120мин. выдерживания мороженого при температуре 20 С (табл. 10).
На основании проведенных исследований были сделаны выводы о необходимости подбора температуры созревания смеси в зависимости от природы жира. Установлено, что использование жидких растительных масел в производстве мороженого отрицательно влияет на формирование и состояние структуры в мороженом.
Массовая доля твердого жира при выходе мороженого из фризера заметно влияет на консистенцию мороженого. С целью установления влияния на температуру выхода мороженого из фризера вида жира (масла) были проведены исследования.
Исследование факторов, влияющих на деэмульгирование жира
На основании аналитических исследований определена функциональная роль эмульгаторов. Основные положения влияния эмульгаторов на процесс формирования структуры подтверждены экспериментально.
В отличие от других продуктов, где эмульгаторы используются для получения стойких эмульсий прямого или обратного типа, в мороженом эмульгаторы применяются в основном как вещества, дестабилизирующие жир.
При приготовлении смеси для мороженого поверхность жирового шарика стабилизируется белково-липидными оболочками. Устойчивость жировых шариков к слипанию в этом случае достигается тем, что шарики приобретают электрический заряд, происходящий от активных радикалов белковых молекул оболочек на жировых шариках. Поэтому они отталкиваются друг от друга. Действие эмульгаторов заключается в снижении электрического заряда на поверхности жировых частиц и повышении способности их к слипанию. Это происходит в период созревания смеси для мороженого в результате частичной десорбции эмульгаторами молекул белка с поверхности жировых шариков. Состояние поверхности жировых шариков в смеси для мороженого после изготовления и через 4 часа созревания отражены на рис. 17.
Процесс десорбции белка с поверхности жировых шариков и адсорбирование эмульгаторов происходит в течение определенного времени. В результате образования оболочки смешанного состава ее устойчивость к механическому воздействию снижается. Разрушению ставшей непрочной оболочки при последующем процессе фризерования способствует частичная кристаллизация жира в жировых шариках. Разрушение оболочки на жировых шариках сопровождается вытеканием из шарика части неотвердевшего жира, происходит слипание (флоккуляция) жировых частиц. В процессе фризерования флоккулированные жировые частицы адсорбируются на поверхности воздушных пузырьков, благодаря чему происходит стабилизация воздушной фазы и повышается взбитость продукта.
Активная роль эмульгатора в дестабилизации жировой фазы и стабилизации воздушной фазы способствует образованию в мороженом кремообразной консистенции, насыщению его воздухом, созданию сухой поверхности при экструзии, повышению устойчивости к таянию и осаждению.
Минздравом России разрешены к применению в производстве мороженого эмульгаторы, приведенные в приложении 1, но из них больше всего применяются моно- и диглицериды жирных кислот (Е471), полисорбат (Е433) и лецитин (Е322).
В связи с тем, что основная функциональная роль эмульгаторов состоит во влиянии на процесс деэмульгирования жира, очевидно, что количество деэмульгированного жира будет влиять на физические и органолептические показатели мороженого. Определенное количество агломерированного (деэмульгированного) жира необходимо достигать при производстве мороженого на линиях экструзионного типа. В этом случае агломерированный жир влияет на формоустойчивость порций мороженого, дозируемых на скороморозильный конвейер без упаковки. Вместе с тем при увеличении массовой доли свободного жира повышаются ощущения кремообразности и жирности в продукте. Однако, излишнее содержание свободного жира в мороженом приводит к его подвзбиванию в процессе фризерования и при употреблении мороженого вызывает ощущение осаливания, излишней жирности, нехарактерной для мороженого как продукта.
Путем микроскопических исследований определено состояние жировой фазы при различной степени деэмульгирования. химического состава: массовая доля растительного жира (рафинированного кокосового масла) - 10%, СОМО - 11%, сахарозы - 14%, стабилизатора-эмульгатора - 0,5%.
В качестве эмульгаторов использовали: образец №1-насыщенные моноглицериды, №3 - ненасыщенные моно-диглицериды, 4-9- комбинацию насыщенных и ненасыщенных моно-диглицеридов, №2 - комбинацию насыщенных моно-диглицеридов и полисорбата-80.
В качестве гидроколлоидов в составе стабилизационных систем применяли: образцы №№1-3, 7-9 карбокси мети л целлюлозу, гуаровую камедь, камедь рожкового дерева, №4 - карбоксиметилцеллюлозу и каррагенан, №5 -гуаровую камедь и каррагенан, №6 - камедь рожкового дерева и каррагенан.
В ходе исследований определяли вязкость смеси по Брукфелду до и после созревания смеси, средний размер жировых частиц и количество агломерированного жира, устойчивость к таянию по количеству плава при выдерживании образцов при температуре 29С.