Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ СЫВОРОТОЧНЫХ ГЕЛЕОБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

05.18.04 - технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств

Козлов Сергей Геннадьевич

Кемерово 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (ГОУ ВПО КемТИПП)

Научный консультант:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Остроумов Лев Александрович

Официальные оппоненты:

академик Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии Правительства РФ Храмцов Андрей Георгиевич

доктор технических наук, заслуженный работник пищевой индустрии Гаврилов Гавриил Борисович

доктор технических наук, профессор Терещук Любовь Васильевна

Ведущая организация:

ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт сыроделия Сибирского отделения Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СибНИИС СО Россельхозакадемии)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО КемТИПП. С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/announcements/techn/)

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор Н.Н. Потипаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Современные тенденции совершенствования ассортимента продуктов питания ориентированы на создание сбалансированной по пищевой и биологической ценности продукции, способной обеспечивать потребности различных групп населения в пищевых веществах и энергии. Сущность и необходимость развития этого направления сформулированы в постановлении Правительства Российской Федерации «О Концепции государственной политики в области здорового питания населения России».

В основных направлениях государственной политики в области здорового питания особое внимание уделено процессам переработки сельскохозяйственного сырья и созданию технологий пищевых продуктов с направленным изменением химического состава, соответствующим потребностям организма человека. Перспективным является направление по комбинированию молочного и растительного сырья, что обеспечивает возможность обогащения получаемых продуктов незаменимыми веществами, а также позволяет регулировать их состав в соответствии с основными положениями науки о питании.

Среди различных видов сырья особое место занимает молочная сыворотка. В нашей стране должное внимание к молочной сыворотке активизировалось в результате широкомасштабных исследований и публикаций академика РАСХН А.Г. Храмцова. Он сумел доказать, что сыворотка, благодаря своему уникальному составу и свойствам, является важнейшим пищевым сырьем и может служить основой для получения самых разнообразных продуктов высокой пищевой и биологической ценности. гелеобразный молочный сыворотка растительный сырье

Академиком А.Г. Храмцовым, а также его учениками и последователями (В.А. Павловым, П.Г. Нестеренко, И.А. Евдокимовым, А.А. Храмцовым, С.А. Рябцевой, В.Е. Жидковым, С.В. Василисиным, А.В. Серовым, Г.Б. Гавриловым, Э.Ф. Кравченко и другими) исследованы состав и свойства сыворотки, разработаны способы ее обогащения, рассмотрены методы мембранной обработки, а также создано множество технологий ее промышленной переработки при выработке напитков, молочного сахара, сгущенных и сухих консервов, продуктов детского питания, а также показана возможность использования молочной сыворотки в производстве хлебобулочных изделий, мясных продуктов, натуральных и плавленых сыров и других. Однако молочная промышленность имеет достаточные резервы сыворотки, что указывает на актуальность поиска новых способов ее переработки. Следует отметить, что по своему составу сыворотка может служить хорошей основой для получения различных комбинированных продуктов питания, в том числе с регулируемым составом и гелеобразной структурой. В молочной промышленности вопросы структурообразования рассмотрены в работах З.Х. Диланяна, П.Ф. Крашенинина, Н.Н. Липатова, Л.А. Остроумова, В.Д. Харитонова, П.Ф. Дьяченко, Н.Н. Липатова (мл.), Н.И. Дунченко, Л.А. Забодаловой, А.М. Майорова и других ученых.

Большие резервы для комбинирования молочной сыворотки с различными ингредиентами имеются в отраслях АПК, связанных с переработкой растительного сырья (ягод, овощей, фруктов, злаковых). До настоящего времени на использование продуктов переработки растительного сырья в технологии сывороточных продуктов обращалось недостаточно внимания. В этой связи развитие исследований в данном направлении весьма актуально.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является изучение физико-химических и биотехнологических особенностей формирования гелеобразных продуктов на основе молочной сыворотки и растительного сырья Западно-Сибирского региона, а также разработка концепции, позволяющей создавать новые виды этих продуктов.

Для реализации поставленной цели решали следующие задачи:

- исследовать физико-химические процессы, определяющие сущность гелеобразования молочной сыворотки при участии структурирующих веществ;

- установить влияние условий гелеобразования на закономерности формирования сывороточных гелей;

- рассмотреть особенности старения сывороточных гелей;

- изучить особенности получения ферментированных сывороточных гелей;

- провести теоретическую и экспериментальную оценку состава и свойств отдельных видов растительного сырья Западно-Сибирского региона;

- разработать принципы проектирования гелеобразных продуктов на основе молочной сыворотки и растительного сырья, провести анализ технологий гелеобразных сывороточных продуктов;

- раскрыть концепцию гелеобразования молочной сыворотки, разработать классификацию гелеобразных систем на основе молочной сыворотки;

- использовать полученные в работе результаты для создания и широкомасштабного внедрения на предприятиях молочной промышленности различных гелеобразных продуктов на основе сыворотки и растительного сырья.

Научная новизна работы:

- исследованы физико-химические и коллоидные процессы при гелеобразовании молочной сыворотки, показан вклад технологических факторов в формирование гелеобразной структуры, а также разработаны теоретические положения, позволяющие управлять гелеобразованием в промышленности;

- показано, что процесс образования сывороточных гелей характеризуется образованием устойчивой трехмерной пространственной структуры, которая необратимо разрушается под влиянием механических нагрузок;

- выявлено, что ведущая роль в гелеобразовании сыворотки принадлежит гелеобразователям, степень участия каждого из которых, а также продолжительность процесса и характер геля зависят от их свойств, а также использованных сопутствующих веществ;

- раскрыт механизм старения гелей, связанный с высвобождением из трехмерной сетки функциональных групп гелеобразователей;

- исследованы технологические параметры гидролиза лактозы в сыворотке ферментным препаратом Ha-Lactase из дрожжей Kluyveromyces fragilis, доказана целесообразность использования молочной сыворотки с гидролизованной лактозой в технологии гелеобразных продуктов;

- разработаны теоретические аспекты и методические принципы создания гелеобразных продуктов на основе расчета критериев, позволяющих объективно оценить характеристики сырья, технологических операций, готовой продукции и иных элементов, важных для прикладного использования;

- научно обоснованы параметры технологического процесса, оказывающие влияние на формирование структуры гелеобразных сывороточных продуктов (ГСП), разработана схема их классификации.

Практическая значимость работы. Разработаны технические условия и технологические инструкции на гелеобразные сывороточные продукты: функциональные напитки, сывороточно-растительные желированные продукты, в том числе - безлактозные, зерненые сывороточные продукты, структурированные продукты из молочной сыворотки, десерты сывороточно-растительные. Новизна предлагаемых решений подтверждена патентами (№№2234529, 2240014, 2246220, 2246221, 2246222, 2259004, 2259051, 2259052, 2262858) и положительными решениями на выдачу патентов. Основная часть технологических разработок прошла апробацию и внедрена на предприятиях Кемеровской и Новосибирской областей, а также Алтайского края.

Результаты использованы при реализации Федеральной программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2001-2004 гг.), а также при выполнении Федеральной целевой научно-технической программы «Приоритетные направления развития науки и техники» (2002-2006 гг.) в рамках выполнения государственных контрактов по мероприятиям РИ-16.0/019/007 и 19.0/001/022. Материалы исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, а также в дипломном проектировании студентов, обучающихся по специальности «Технология молока и молочных продуктов».

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и получили соответствующее одобрение на симпозиумах, конгрессах, конференциях, семинарах различного уровня, в том числе: «Пищевые технологии» (Казань, 2001); «Новые технологии в научных исследованиях и образовании» (Юрга, 2001); «Пищевая промышленность - XXI век», (Тольятти, 2001); «Пища. Экология. Человек» (Москва, 2001); «Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания» (Кемерово, 2002); «Достижения науки и практики в деятельности образовательных учреждений» (Кемерово, 2003); «Перспективы производства продуктов питания нового поколения (Омск, 2003); «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (Воронеж, 2003); «Технологические и экономические аспекты обеспечения качества продукции и услуг в торговле и общественном питании» (Кемерово, 2003); «Молочная индустрия» (Москва, 2004); «Наука. Технология. Инновации» (Новосибирск, 2003); «Пища. Экология. Человек» (Новосибирск, 2004); «Молочная промышленность Сибири», (Барнаул, 2004); «Научно-практическая конференция с международным участием» (Барнаул, 2004); «Теория и практика новых технологий в производстве продуктов питания» (Омск, 2005); «Современные направления переработки сыворотки» (Ставрополь, 2006) .

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в двух монографиях общим объемом 9,4 и 10,5 усл. п. л., материалах конференций, симпозиумов, форумов, научных трудах институтов, описаниях патентов, а также журналах, в которых опубликованы основные научные результаты диссертации: «Пищевая промышленность», «Успехи химии», «Известия вузов. Пищевая технология», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Сыроделие и маслоделие», «Достижения науки и техники АПК», «Молочная промышленность» (всего более тридцати статей).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из девяти глав, в том числе введения, аналитического обзора, методической части, результатов собственных исследований, выводов, списка использованных источников литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 342 страницах, содержит 132 таблицы, 36 рисунков и 440 литературных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности процесса гелеобразования молочной сыворотки;

- совокупность положений, направленных на использование ферментативных процессов при получении гелей из молочной сыворотки с гидролизованной лактозой;

- методика проектирования гелеобразных сывороточных продуктов;

- результаты исследований по созданию новых видов сывороточных продуктов с использованием растительного сырья.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Изложена актуальность проблемы на современном этапе развития молочной промышленности, обоснована научная новизна и практическая значимость работы.

ГЛАВА 1. НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)

Представлен анализ отечественной и зарубежной информации по теме диссертационного исследования. Раскрыты современные подходы к получению продуктов здорового питания. Рассмотрены особенности комбинирования продуктов на молочной основе. Доказано, что одним из путей реализации принципов здорового питания является направление по созданию продуктов многофункционального назначения на молочно-растительной основе. Проанализированы тенденции создания функциональных молочных продуктов. Показаны перспективы использования молочной сыворотки для выработки гелеобразных сывороточных продуктов.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИХ ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

Определены направления исследований в создании технологий гелеобразных сывороточных продуктов, сформулирована цель и задачи собственных исследований.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в соответствии с поставленными задачами на кафедре технологии молока и молочных продуктов Кемеровского технологического института пищевой промышленности. Общая схема исследований представлена на рисунке 1. Экспериментальные исследования представляли собой суть логически взаимосвязанных этапов.

	ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ СЫВОРОТОЧНЫХ ГЕЛЕОБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
	Исследование физико-химических процессов при гелеобразовании молочной сыворотки		- гелеобразователи (коллоиды) - условия гелеобразования - механизм старения
	Разработка и исследование особенностей гидролиза лактозы в молочной сыворотке		- технологические параметры - биохимические процессы - микробиологические процессы
	Изучение состава и свойств растительного сырья		- химический состав - физико-химические свойства - микробиологические показатели
	Развитие методических принципов проектирования продуктов c заданным составом и свойствами		- методология проектирования - критерии комбинаторики - анализ и диагностика потоков
	Развитие принципов управления процессом гелеобразования в молочной сыворотке		- классификация - фазовые процессы - особенности структурообразования - формы связи влаги
	Технологии сывороточных гелеобразных продуктов		- регламент выработки - химический состав - пищевая и биологическая ценность - профилактические свойства - эффективность
	Практическая реализация результатов исследований

Рисунок 1 - Схема проведения экспериментальных исследований

Первый этап посвящен исследованиям физико-химических процессов, происходящих при гелеобразовании молочной сыворотки, под воздействием коллоидов животного и растительного происхождения. Варьируя дозу гелеобразователей (агара, пектина яблочного, агароида, желатина, крахмала картофельного и метилцеллюлозы), состав и свойства молочной сыворотки (массовую долю сывороточных белков, ионов двухвалентных металлов Ca²⁺ и Mg²⁺, активную и титруемую кислотность), массовую долю сахарозы, а также параметры технологического процесса, определяли предельное напряжение сдвига в гелеобразных системах. Оценивали участие веществ в построении пространственной сетки гелей, интенсивность набухания и долю частиц твердой фазы при гелеобразовании. Рассматривали изменение эффективной вязкости гелей при различных температурах. Устанавливали закономерности старения гелей в зависимости от различных технологических факторов.

На втором этапе исследовали особенности гидролиза лактозы в молочной сыворотке. Устанавливали влияние технологических параметров (дозы ферментного препарата, температуры, рН и продолжительности процесса) на выход продуктов гидролиза. Для ферментации использовали препарат Ha-Lactase (фирмы Хр. Хансен), полученный из дрожжей Kluyveromyces fragilis. Проводили изучение состава углеводов гидролизованной сыворотки, анализировали влияние продуктов гидролиза на активность ферментных систем микроорганизмов (протеолитическую и -галактозидазную) в гидролизованной сыворотке. Оценивали возможность использования сыворотки с гидролизованной лактозой в технологии ГСП.

На третьем этапе изучали качественный и количественный состав отдельных представителей видов сырья Западно-Сибирского региона (массовые доли воды, азотистых веществ, липидов, углеводов, витаминов, минеральных элементов) и их распределение по фракциям, а также микробиологические характеристики (КМАФАнМ, плесени, дрожжи, патогенные и условно-патогенные микроорганизмы). Осуществляли обоснование возможности использования растительного сырья в технологии гелеобразных продуктов.

На четвертом этапе проводили исследования, связанные с развитием методических принципов проектирования гелеобразных продуктов. Осуществляли расчет критериев комбинаторики. Исследовали влияние доз растительного сырья на физико-химические и органолептические показатели сывороточно-растительных систем. На данном этапе предприняли попытку оценить критерии технологичности потоков создания ГСП.

Пятый этап посвящен развитию принципов управления гелеобразованием сыворотки. На основании анализа фазовых процессов, происходящих при гелеобразовании, рассматривали формы связи влаги и их соотношение в сывороточных гелях в зависимости от различных факторов. Осуществляли расчет доли связанной влаги гелеобразователями. На данном этапе разрабатывали классификацию сывороточных гелеобразных систем.

Заключительный этап включает результаты, связанные с разработкой технологий гелеобразных сывороточных продуктов. Полученные на разных этапах работы экспериментальные данные проверяли в производственных условиях. При положительных результатах их внедряли в производство путем разработки нормативной документации и организации производства.

На разных этапах работы объектами исследований являлись: сыворотка молочная по ОСТ 4992; сыворотка молочная сухая по ТУ 49800; вода питьевая ГОСТ 2874; закваски по ТУ 10-02-02-789-65-91, приготовленные в соответствии с действующей инструкцией по приготовлению и применению заквасок на предприятиях молочной промышленности; ферментный препарат -галактозидазы (фирмы «Хр. Хансен», из дрожжей K. fragilis); вспомогательное сырье и материалы (гелеобразователи, сахар-песок, ванилин, пшеничные и ржаные отруби, пшеничные зародышевые хлопья, плодово-ягодное сырье урожаев 1999-2004 гг., собранное в Западно-Сибирском регионе), соответствующее требованиям нормативной документации; гелеобразные сывороточные продукты, полученные в лабораторных и промышленных условиях с различным составом и свойствами.

При выполнении работы использовали общепринятые, стандартные и оригинальные методы исследования, в том числе физико-химические, реологические, микроскопические, хроматографические, а также методы математического моделирования. Исследования проводили пяти-десятикратной повторности. Все результаты обработаны методом математической статистики и являются достоверными.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ГЕЛЕОБРАЗОВАНИИ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

Для изучения влияния условий гелеобразования в сыворотку вносили различное количество гелеобразователя. На рисунке 2 показана сравнительная характеристика значений предельного напряжения сдвига в сывороточных системах, полученных с использованием различных гелеобразователей.

Показано, что предельное напряжение гелей возрастает с увеличением концентрации полимера в молочной сыворотке. Наилучшие органолептические характеристики консистенции соответствуют границам изменения предельного напряжения сдвига от 100 до 250 Па.



Рисунок 2 - Влияние гелеобразователей на предельное напряжение сдвига в сывороточных гелях: 1 - агар; 2 - яблочный пектин; 3 метилцеллюлоза; 4 - желатин; 5 - картофельный крахмал; 6 - агароид

Являясь по своей природе веществами, способными связывать воду, рассмотренные гелеобразователи обладали различной способностью к гидратации (таблица 1). В дальнейшем эта способность определяла технологические свойства коллоидов при гелеобразовании молочной сыворотки.

Таблица 1 - Влияние температуры на скорость набухания (изменение массы) гелеобразователей (+m; m?0,05)

Гелеобразователь	Скорость набухания при температуре, оС
	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Агар	0,06	0,10	0,15	0,27	0,34	0,42	0,45	0,81	0,95	1,00
Пектин	0,06	0,22	0,33	0,53	0,69	0,76	0,83	0,93	0,98	0,99
Агароид	0,25	0,36	0,39	0,54	0,74	0,86	0,92	1,00	1,00	1,00
Желатин	0,13	0,14	0,24	0,36	0,58	0,66	0,84	0,89	1,00	1,00
Метилцеллюлоза	0,32	0,35	0,47	0,56	0,73	0,85	0,96	1,00	1,00	1,00
Крахмал	0,06	0,14	0,16	0,29	0,42	0,53	0,73	1,00	1,00	1,00

Установлено, что с повышением температуры скорость набухания гелеобразователей возрастает и достигает максимального значения при температуре 80-100^оС. Естественно предположить, что температура не только увеличивает число активных контактов молекул гелеобразователя путем повышения энергии активации, но и изменяет вязкостные свойства системы в целом.

Известно, что большинство гелеобразователей чувствительно к присутствию ионов поливалентных металлов, водорода, а также наличию сахарозы. Нами рассмотрено влияние указанных факторов на гелеобразование сыворотки.

Таблица 2 - Влияние активной кислотности на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с различной массовой долей пектина (+m; m?0,05)

Активная кислотность, рН	Предельное напряжение сдвига (Па), при массовой доле пектина, %
	0,4	0,8	1,2	1,6	2,0	2,4	2,8
5,52	86	115	160	226	304	390	493
5,35	91	123	172	241	318	417	518
5,21	99	131	183	263	340	439	530
5,13	108	137	196	279	356	452	547
5,02	117	144	210	295	375	470	562
4,96	125	153	221	317	402	498	580
4,80	134	162	239	333	418	513	599
4,69	143	170	252	356	439	527	614

Доказано, что с увеличением концентрации ионов водорода прочность сывороточно-пектиновых гелей возрастает, однако темп повышения прочности гелей снижается. Так, при рН 5,52 и повышении концентрации гелеобразователя с 0,4 до 2,8% значение предельного напряжения сдвига в геле возросло в 5,73 раза, а при рН 5,35; 5,21; 5,13; 5,02; 4,96; 4,80 и 4,69 аналогичное увеличение прочности составило в 5,69; 5,35; 5,07; 4,80; 4,64; 4,47 и 4,29 раза.

Установленный факт не противоречит литературным данным и объясняется диссоциацией карбоксильных групп молекул гелеобразователя с последующим образованием дополнительного количества водородных связей, оказывающих положительное влияние на процесс гелеобразования.

Особенность пектиновых веществ состоит в том, что они обычно способны образовывать необратимо разрушающиеся в результате сдвигающей деформации гели, только в водных растворах сахаров. Из всех гелеобразователей от присутствия сахаров в большей степени свои гелеобразующие свойства проявляют именно пектины. В этой связи изучено влияние сахарозы на процесс гелеобразования молочной сыворотки. Результаты исследований приведены в таблице 3. Из представленных данных следует, что гелеобразующие свойства пектина связаны с его гидрофильностью: сахароза изменяет степень сольватации молекул гелеобразователя за счет сорбции на себя диполей воды. Подобное снижение доли свободной влаги является фактором упрочнения геля.

Таблица 3 - Влияние сахарозы на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с различной массовой долей пектина (+m; m?0,05)

Массовая доля сахарозы, %	Предельное напряжение сдвига, Па, при массовой доле пектина, %
	0,4	0,8	1,2	1,6	2,0	2,4	2,8
0,0	86	115	160	226	304	390	493
10,0	129	195	247	311	379	456	519
20,0	158	218	269	336	391	482	526
30,0	196	234	290	368	416	512	552
40,0	230	256	318	388	425	540	586
50,0	259	289	334	405	441	562	599
60,0	280	306	351	429	470	585	617

Присутствие сахарозы, по сравнению с ионами водорода, в большей степени оказывает влияние на процесс гелеобразования. Если учесть, что между пектином и сахарозой отсутствует химическое взаимодействие, то увеличение прочности геля можно также связать с повышением вязкости растворителя (сыворотки) в результате увеличения массовой доли сухих веществ. Присутствие сахарозы, по сравнению с ионами водорода, оказывает влияние на процесс гелеобразования, в большей степени.

Одним из важнейших свойств пектинов является способность к комплексообразованию. В его основу положено взаимодействие заряженных молекул (например, карбоксильных групп и ионов металлов). В результате подобного взаимодействия возможно образование устойчивых сывороточно-пектиновых ионно-связанных гелей. Проведена оценка способности пектина вовлекать ионы кальция и магния, содержащиеся в молочной сыворотке, в процесс образования структуры геля. Результаты исследований представлены в таблице 4.

В результате проведенных исследований выявлено снижение концентрации ионов кальция и магния в сывороточно-пектиновом геле с одновременным увеличением его прочности, причем в большей степени это относится к кальцию, поскольку массовая доля свободного кальция снижается в 8,0 раз, что в 2,7 раза больше, чем ионов магния, концентрация которых снижается в 2,9 раза.

Установленные закономерности коррелируют с результатами ранее проведенных исследований - для формирования устойчивых гелеобразных сывороточных систем возможно снижение массовой доли пектина с одновременным увеличением концентрации ионов кальция.

Таблица 4 - Влияние ионов кальция на предельное напряжение сдвига в молочной сыворотке с различной массовой долей пектина (+m; m?0,05)

Массовая доля пектина, %	Предельное напряжение сдвига, Па, при массовой доле ионов Ca2+, мг/100 г
	60	90	120
0,4	86	95	114
0,8	115	127	152
1,2	160	170	185
1,6	226	248	271
2,0	304	332	356
2,4	390	429	467
2,8	493	530	558

В диссертации приведены данные о влиянии ионов кальция и магния, сахарозы, а также ионов Н⁺ на гелеобразование молочной сыворотки в присутствии указанных ранее гелеобразователей.

Важным свойством гелеобразных систем является их старение. Старение геля является следствием необратимых изменений материала, скорость накопления которых определяется приложенным напряжением, температурой и природой гелеобразователя. В таблице 5 показано кинетическое изменение прочности гелеобразных систем на основе молочной сыворотки.

Представленные данные имеют принципиальное значение в связи с тем, что определяют кинетику изменения прочности образующихся структур. Установлено, что независимо от вида использованного гелеобразователя, изменение предельного напряжения сдвига имеет определенные особенности. Первый участок, которому принадлежат значения предельного напряжения сдвига, свидетельствует об упрочении структуры независимо от вида использованного гелеобразователя. Этот процесс происходит во времени таким образом, что для каждого коллоида установлен определенный интервал увеличения значений прочности системы. Так, для агара, агароида, пектина, желатина, метилцеллюлозы и крахмала этот период составляет 120, 72, 15, 20, 3 и 4 часа, соответственно (увеличение прочности составляет 93,7; 23,5; 31,3; 17,8; 29,2 и 35,8%, соответственно).

Данный факт, вероятно, связан с возникновением новых связей между веществами сыворотки и гидратированным гелеобразователем во времени. Подобный эффект усиливался силами, объединяющими частицы в пространстве трехмерной сетки.

Таблица 5 - Кинетика изменения предельного напряжения сдвига в сывороточных гелях (+m; m?0,05)

Продолжительность хранения, ч	Предельное напряжение сдвига, Па
	агар	агароид	пектин	желатин	метилцеллюлоза	крахмал
0	220	241	230	267	92	77
1	228	250	250	270	112	83
2	235	256	276	279	123	90
3	240	263	299	288	130	99
4	246	270	318	299	130	120
5	252	278	329	306	132	120
10	270	282	330	311	115	120
15	278	290	335	320	114	120
20	294	295	325	325	110	108
24	300	300	320	325	108	117
48	313	309	318	325	102	175
72	320	315	315	325	97	110
96	335	300	315	317	97	104
120	349	285	315	305	90	89
144	314	277	315	300	90	80
168	280	270	312	289	85	75
192	261	262	310	277	-	-
216	229	255	310	269	-	-
240	213	249	300	260	-	-
264	210	220	292	254	-	-
288	208	208	280	245	-	-
312	205	203	271	239	-	-
336	200	190	264	230	-	-
360	196	185	250	215	-	-

Дальнейшее хранение сывороточных гелей обусловливает процесс их старения. Так, для агара и агароида выявлена четкая граница между переходом системы от состояния, соответствующего максимальной прочности, к состоянию разрушения. У пектина, желатина, метилцеллюлозы и крахмала аналогичной зависимости не установлено. Размытая граница изменения прочности геля, связанная с его старением, для сывороточно-пектиновых систем колеблется от 48 до 216 часов, для желатина от 10 до 120 часов, для метилцеллюлозы и крахмала от 3 до 5 и от 2 до 96 часов, соответственно. Это связано с особенностью межмолекулярного взаимодействия в данных дисперсных системах.

Определив ранее, что на свойства гелей, независимо от их состава, особое влияние оказывает температура, рассмотрена взаимосвязь между температурой и кинетикой старения сывороточных гелей. В качестве объективного критерия оценки старения сывороточных гелей выбрана продолжительность, показывающая два критических перехода - от завершения образования геля к состоянию относительной устойчивости и от состояния относительной устойчивости к состоянию старения геля.

Таблица 6 - Кинетическое изменение свойств сывороточных гелей

Температура, оС	Продолжительность, ч
	агар	агароид	пектин	желатин	метилцеллюлоза	крахмал
0-5	120/144	72/96	15/240	20/144	3/10	4/96
5-10	48/96	24/48	15/216	20/96	3/3	4/48
10-15	48/48	24/48	10/144	5/96	0/3	4/48
15-20	24/24	24/15	5/96	5/72	0/3	4/48
20-25	20/20	10/10	5/24	0/48	0/3	3/24
25-30	5/10	5/5	0/10	0/10	0/3	3/15
30-35	5/10	0/5	0/5	0/10	0/3	2/10
35-40	0/5	0/2	0/2	0/10	0/3	1/10
40-45	0/5	0/1	0/1	0/10	0/3	1/10

Примечание. В числителе показана продолжительность существования геля в период укрепления его прочности, в знаменателе - период времени, после которого начинается старение геля.

Анализ результатов проведенных исследований показывает, что с повышением температуры свойства сывороточных гелей подчиняются общим законам. С повышением температуры снижается период времени, после которого отмечается ослабление структуры (начало старения геля), что обусловлено повышением кинетической энергии системы в результате теплового воздействия. Характерно, что некоторые гелеобразователи позволяют получить гели только в состоянии критических точек. Например, метилцеллюлоза при 5-10^оС после трех часов, в течение которых происходит укрепление структуры, начинает изменять реологическое поведение образованных гелей, при котором данный процесс можно назвать старением. Для некоторых гелеобразных систем после окончания технологического процесса вообще не отмечается перераспределения составных элементов (упрочения структуры не выявлено). В этом случае процесс старения начинается достаточно быстро (продолжительность хранения составляет менее суток).

Комплексный анализ полученных результатов позволяет установить особенности формирования гелеобразных систем на основе молочной сыворотки. К основным из них можно отнести следующие: повышение дозы гелеобразователя приводит к увеличению прочности системы за счет образования дополнительного количества структурных элементов и повышает степень участия компонентов сыворотки в гелеобразовании; ионы водорода в некоторых случаях являются причиной частичного гидролиза гелеобразователей, что ухудшает их технологические свойства; двухвалентные ионы и функциональные группы коллоидов являются стимулятором образования частиц новой фазы, повышая прочность гелей в условиях сдвигающей деформации, что указывает на возможность их более эффективного целенаправленного использования при проектировании технологии продуктов питания на основе молочной сыворотки; нагревание является действующим началом перехода гелеобразователя в объемное состояние с последующим его бесконечным растворением, а охлаждение служит фактором образования новых связей в системе, вследствие чего выявлены различия в структурно-механических и физико-химических свойствах гелей, полученных при различных температурах начала и окончания процесса гелеобразования.

В экспериментах лучшие результаты получены с теми гелеобразователями, свойства которых в большей степени можно регулировать составом и физико-химическими свойствами молочной сыворотки, являющейся дисперсионной средой образованного геля.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ В МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКЕ

Известно, что технологические свойства молочной сыворотки осложняет низкая сладость и растворимость, а также явление лактозной непереносимости у некоторых лиц основного сухого вещества молочной сыворотки - лактозы. В связи с этим практический интерес имеет улучшение свойств молочной сыворотки путем гидролиза лактозы до моносахаридов. В настоящих исследованиях предпринята попытка установить возможность использования нейтральной в-галактозидазы из дрожжей K. fragilis для гидролиза лактозы в сыворотке, которую в свою очередь возможно использовать в технологии ГСП. В таблице 7 показано изменение углеводного состава гидролизованной сыворотки в зависимости от различных факторов при оптимальной температуре 45+1^оС.

Таблица 7 - Влияние дозы в-галактозидазы и продолжительности гидролиза на состав углеводов гидролизованной сыворотки при рН 6,12 (+m; m?0,05)

Доза в-галактозидазы, %	Массовая доля углеводов, %
	лактозы	глюкозы	галактозы
продолжительность гидролиза 2 ч
0 0,02 0,04 0,06 0,08	3,70 3,70 1,11 1,11 1,11	0 0 1,29 1,23 1,23	0 0 1,17 1,17 1,14
продолжительность гидролиза 3 ч
0,02 0,04 0,06 0,08	2,70 1,00 0,71 0,41	0,50 1,35 1,42 1,56	0,46 1,21 1,34 1,45
продолжительность гидролиза 4 ч
0,02 0,04 0,06 0,08	2,7 0,71 0,70 0,41	0,50 1,49 1,42 1,56	0,46 1,35 1,40 1,45
продолжительность гидролиза 24 ч
0,02 0,04 0,06 0,08	0,70 0,70 0,41 0,11	1,50 1,50 1,56 1,70	1,38 1,35 1,48 1,59

По результатам проведенных исследований выявлены рациональные параметры гидролиза (таблица 8). Оценивая характер биотрансформации лактозы по значениям глюкозо-галактозного коэффициента, можно отметить, что равновесного течения распада лактозы на равные концентрации не выявлено, что связано с трансгликозилирующей активностью в-галактозидазы (независимо от условий концентрация глюкозы увеличивается более интенсивно).

Таблица 8 - Рациональные параметры гидролиза лактозы в сыворотке

Параметры	Кг/г	Степень гидролиза, %
доза в-галактозидазы, %	рН	температура, оС	продолжительность, ч, не более
0,04	6,12	45	4	1,05	91
0,06	6,12	45	3	1,10	91

В дальнейшем молочную сыворотку с гидролизованной лактозой использовали для получения гелеобразных продуктов общего и специального назначения (низколактозных). Независимо от режимов технологического процесса в рецептурах удалось снизить массовую долю сахарозы.

ГЛАВА 6. ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА

Нетрадиционное (ранее не использующееся в молочной промышленности) растительное сырье находит все большее применение. Это объясняется не только его разнообразным химическим составом, обуславливающим функциональные свойства, но и уникальными свойствами, которые целесообразно использовать в технологии продуктов питания. В таблице 9-10 приведены сведения по составу наиболее распространенных в Западно-Сибирском регионе ягод и овощей, а также продуктов переработки зерна. Выявлено, что состав изучаемых растительных объектов характеризуется большим разнообразием. Так, ягоды, фрукты и овощи содержат высокое количество влаги, которая является дисперсионной средой для входящих в состав компонентов - белков (от 0,4 до 2,6%), углеводов (от 5,5 до 24,6%), органических кислот (от 0,1 до 3,1%) и золы (от 0,3 до 3,0%). Изучаемое растительное сырье не является концентратом белков и липидов (исключением является облепиха, содержащая липиды, которые составляют 30,2% от массовой доли сухих веществ).

Иная картина состава отмечена в продуктах переработки злаковых, в которых сухие вещества преобладают над влагосодержанием. Основную массовую долю сухих веществ занимают углеводы, затем белки и липидные компоненты (в ПЗХ содержится в 5 раз больше липидов, чем в нативном зерне). Данный факт связан как с концентрацией отдельных пищевых веществ в различных частях зерна, так и с особенностями его технологической обработки.

Таблица 9 - Содержание основных пищевых веществ в растительном сырье Западно-Сибирского региона урожаев 1999-2005 гг. (m; m?0,05)

Наименование	Массовая доля, %
	воды	белков (N6,25)	липидов	углеводов	органических кислот	золы
Клюква Крыжовник Малина Облепиха Ранет Рябина красная (садовая) Рябина черноплодная Смородина красная Смородина черная Шиповник лесной	88,5 87,0 88,0 79,5 86,8 81,3 85,0 85,4 84,0 68,0	0,7 0,8 0,8 0,9 0,4 0,4 1,0 0,6 1,0 1,7	0,0 0,0 0,0 6,2 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,1	6,8 9,5 9,3 10,2 10,0 14,7 10,3 10,5 11,0 24,6	3,1 1,9 1,6 2,3 1,1 2,2 0,8 2,5 2,3 2,4	0,3 0,6 0,4 0,4 0,6 0,8 0,9 0,6 0,9 3,0
Кабачки Капуста белокочанная Картофель Морковь красная Перец сладкий красный Петрушка Свекла Тыква Черемша Щавель	90,4 90,0 76,0 88,2 90,3 86,8 85,0 90,3 90,2 91,0	1,1 1,8 2,0 1,3 1,0 2,6 1,7 1,0 1,7 1,2	0,4 0,0 0,1 0,1 0,0 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0	6,9 6,5 20,1 9,3 7,2 7,8 11,8 7,7 5,9 5,5	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,7	0,3 0,7 1,1 0,8 0,6 1,1 1,0 0,6 1,3 1,0
Пшеничные зародышевые хлопья (ПЗХ) Пшеничные отруби (ПО) Ржаные отруби (РО)	12,0 9,4 10,5	25,0 12,7 10,4	9,6 3,4 3,7	48,5 70,8 71,3	0,1 0,0 0,0	4,5 3,4 3,6

Сравнивая данные, представленные в таблице 10 и данные физиологических норм, выявлено, что для удовлетворения средней суточной потребности человека в аскорбиновой кислоте необходимо 47 г ягод облепихи, или 57 г ягод черной смородины, или 245 г ягод красной смородины, или 189 г ягод красной рябины. Повышенное количество данного витамина содержится в зеленых листьях растений (черемше, петрушке) и особенно - в шиповнике.

Особо следует остановиться на содержании в ягодах биофлавоноидов. Суточную потребность в них удовлетворяют 45 г облепихи, или 6 г черной смородины или всего 2 г черноплодной рябины. Кроме того, в 180 г ягод рябины садовой содержится средняя суточная норма ниацина, в 125 г ягод облепихи - норма токоферола, в 45 г ягод облепихи - норма каротиноидов. Особенно богаты витаминами морковь (в среднем 9,0 мг% в-каротина), петрушка (в среднем 150 мг% аскорбиновой кислоты и 5,7% в-каротина), капуста (в среднем 60 мг% аскорбиновой кислоты) и тыква (в среднем 1,5 мг% в-каротина).

Содержание витаминов В₁, В₂, В₃ и В₆ в отрубях и ПЗХ находится примерно на одном уровне. Сто граммов пшеничных отрубей удовлетворяют среднюю суточную потребность человека в витамине В₁ на 71%, в витамине В₂ на 15%, в витамине В₆ на 36% и в витамине В₃ на 59%. Аналогичное количество пшеничных зародышевых хлопьев удовлетворяет суточную потребность в этих витаминах на 65, 20, 48 и 46%, соответственно.Особенно следует остановиться на содержании в ППЗ токоферолов (витамина Е): среднюю потребность в витамине Е можно удовлетворить, употребляя в сутки 53 г пшеничных отрубей, при использовании пшеничных зародышевых хлопьев для этих целей необходимое количество составляет 36,0 г.

Результаты исследований по оценке состава и свойств растительного сырья обусловливают возможность его совместного эффективного использования в технологии ГСП.

ГЛАВА 7. РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ С ЗАДАННЫМ СОСТАВОМ И СВОЙСТВАМИ

Развивая современные теоретические представления, сформулированы методические принципы проектирования гелеобразных сывороточных продуктов, которые позволяют исключить эмпирический подход при поиске сырьевой базы и определении различных аспектов целесообразности комбинирования путем расчета критериев участия отдельных компонентов рецептуры в формировании качества новых продуктов. Приведем уравнения для вычисления критериев, с помощью которых можно оценить целесообразность проектирования.

Критерий стоимости профилактической потребности незаменимого нутриента пищи, К_с, руб.:

, (1)

где - суточная потребность в незаменимом нутриенте, мг;

с - стоимость продукта, руб./кг;

2 - коэффициент, учитывающий, что профилактической дозой нутриента является содержание около половины от рекомендуемой нормы;

- массовая доля незаменимого нутриента в выбранном сырье для комбинирования, мг%;

- коэффициент перевода г в кг.

Критерий повышения пищевой ценности, К_п:

, (2)

где _п - массовая доля незаменимого нутриента в традиционном продукте, мг/100 г;

х - доза сырья для комбинирования, %;

остальные обозначения - как и в формуле (1).

Критерий органолептики К_ор - величина оценки органолептических свойств от 0 до 1 (за 1 принимаются органолептические показатели традиционного продукта).

Критерий технологичности, К_т:

(3),

где ₀, - продолжительность всех операций технологического процесса производства традиционного продукта, соответственно, ч;

₀, - коэффициенты, учитывающие совмещение технологических операций комбинированного и традиционного продукта, соответственно.

Значения коэффициентов ₀, принимаем в зависимости от количества совмещений технологических операций, которые равны: при двух операциях - 0,98; при трех операциях - 0,95; при четырех операциях - 0,92; при пяти операциях - 0,89.

Критерий ограничения К₀:

, (4)

где - сумма массовых долей значимых рецептурных компонентов, %.

Рассмотрим использование принципа аналитической комбинаторики на примере создания ресурсосберегающих технологий новых видов гелеобразных сывороточных продуктов (проектирование подобных продуктов сложного сырьевого состава с использованием данного принципа является наиболее рациональным).

При решении заданной технической задачи необходимо помнить, что источники для комбинирования различаются разнообразными характеристиками. Например, некоторые виды сырья имеют высокую стоимость, но при этом содержат значительное количество необходимого для обогащения нутриента. Напротив, другие характеризуются низким содержанием требуемого нутриента, но сами являются доступными и дешевыми. Определив критерий стоимости и сравнив между собой данный показатель у отдельных видов сырья, можно выбрать сырье, которое затем рационально использовать для обогащения. В качестве оценки значимости вычисленных коэффициентов можно сравнить их со стоимостью основы для обогащения. Идеальным будет считаться такой вариант, у которого критерий стоимости будет максимально приближен к стоимости основы, в частности - молочной сыворотки.

После этого вычисляют критерий повышения пищевой ценности, который показывает, достаточно ли изменилась пищевая ценность продукта по сравнению с исходной. При этом полученные значения сравнивают с физиологической нормой. В зависимости от этого увеличивают или уменьшают дозу обогащающего компонента. В данном случае необходимо учитывать тот факт, что, во-первых, комбинированным является такой молочный продукт, в котором доля молочного сырья составляет не менее 50%, а, во-вторых, нельзя увеличивать дозу добавки с одновременным ухудшением органолептических показателей продукта.

Критерий органолептики позволяет оценить полученный результат и соотнести его с требованиями потребителей:

- комбинированный продукт имеет органолептические показатели, близкие к аналогичным характеристикам традиционных продуктов (К_ор={0,9-1,0});

- комбинированный продукт имеет оригинальные органолептические показатели, не вызывающие негативного отношения потребителей (К_ор={0,8-0,9});

- комбинированный продукт имеет органолептические показатели, которые не вызовут отвержения у потребителей при их достаточной подготовленности, например при осведомленности о его полезных качествах (К_ор={0,7-0,8});

- комбинированный продукт имеет неудовлетворительные органолептические показатели (К_ор ?0,7).

В дальнейшем определяют оставшиеся два критерия, которые позволяют оценить возможность выпуска новой продукции в промышленных условиях. Критерий технологичности показывает, насколько длительность изготовления комбинированного продукта превышает длительность технологического процесса производства традиционного продукта:

- имеет продолжительность технологического процесса, близкую к традиционным продуктам (коэффициент К_т={0,9-1,0});

- имеет продолжительность технологического процесса, принципиально не отличающуюся от традиционных продуктов (коэффициент К_т={0,8-0,9});

- имеет продолжительность технологического процесса существенно более длительную, по сравнению с традиционным продуктом, что указывает на необходимость внедрения дополнительного оборудования или модернизации имеющегося (коэффициент К_т?0,8).

Критерий ограничения показывает совокупность технологических свойств компонентов, входящих в рецептуру. Например, обязательным условием высокого качества гелеобразных продуктов является наличие в рецептуре гелеобразователя, сахарозы и ионов водорода, образующих единую полидисперсную структуру. При этом четвертым и пятым компонентом являются растительное сырье, а также дисперсионная среда, в которой распределены все компоненты рецептуры.

Обобщая результаты собственных экспериментов, а также многочисленные научные данные, можно заключить, что, комбинируя соотношение компонентов с учетом их свойств можно считать допустимым отклонением наиболее важных компонентов традиционной рецептуры не более 10-15%.

Количество вводимой растительной добавки влияет на массовую долю других компонентов, входящих в рецептуру продукта. Однако влияние на содержание различных компонентов различно. В основном это происходит зачет уменьшения массовой доли молочной сыворотки и незначительного уменьшения массовых долей гелеобразователя и сахарозы.

Математическая зависимость влияния массовой доли растительного компонента на другие компоненты рецептуры:

, (5)

где Уц_С - массовая доля молочной сыворотки, %;

ц_Д - массовая доля растительной добавки, %;

Уц_Г - массовая доля гелеобразователя, %;

Уц_Г - массовая доля сахарозы, %;

ч₁, ч₂, ч₃ - коэффициенты, учитывающие распределения доли растительного компонента на компоненты, входящие в рецептуру.

Обобщая результаты собственных экспериментов, связанные с подбором сырья, установлены доли входящих в рецептуру компонентов (таблица 11).

Таблица 11 - Допустимые параметры входящих компонентов

Показатели	Продукт с плодово-ягодным пюре	Продукт со злаковыми добавками
Массовая доля, %: - сахарозы - гелеобразователя - сыворотки - растительного компонента	16,0-18,0 3,0-3,6 57,0-76,0 5,0-24,0	16,0-18,0 3,0-3,6 59,0-69,0 10,0-20,0

Установленные параметры могут изменяться и уточняться в зависимости от особенностей технологического процесса. Полученные результаты, по сути, являются пределами, в рамках которых может варьировать содержание компонентов, входящих в рецептуру.

Графическое изображение технологического потока производства гелеобразного продукта на основе молочной сыворотки и различными видами растительного сырья с использованием предложенных технических решений и технологических приемов в виде операторной модели представлено на рисунке 3.

Технологии продуктов отличаются от традиционной тем, что в рецептуру, кроме основных компонентов, необходимых для формирования гелеобразного продукта, включены дополнительные ингредиенты, повышающие пищевую ценность (ягодное и овощное пюре, ППЗ). Их использование позволяет обогатить продукты незаменимыми нутриентами - витаминами, минеральными веществами, пищевыми волокнами, а также дополнительными компонентами, которые будут обуславливать структуру и органолептические характеристики продукта. Использование дополнительных компонентов увеличивает продолжительность технологического процесса, как по времени, так и по количеству технологических операций.