Развитие теоретических основ и разработка технологий низколактозных молочных продуктов с регулируемым жирнокислотным составом
Вид материала | Автореферат диссертации |
- Развитие теоретических основ и разработка технологий мучных изделий повышенной биологической, 587.38kb.
- Тесты по теме: «Блюда из молока и молочных продуктов», 27.84kb.
- Технология производства и переработки молока, 7.71kb.
- Омский Государственный Аграрный Университет Факультет технологии молока и молочных, 19.47kb.
- Годовой отчет ОАО «Курганский комбинат молочных продуктов №1» за 2011, 158.41kb.
- Специальность 260303 – «технология молока и молочных продуктов» Специализации, 17.32kb.
- Курс 4 Семестры 7 Всего аудиторных занятий 51 часов, в т ч.: 7 семестр 51 час, из них:, 148.28kb.
- Программа вступительного экзамена в магистратуру по специальности 1-49 80 04 технология, 305.31kb.
- Методические рекомендации и контрольные задания по дисциплине сд 03. Технология и организация, 976.5kb.
- Рабочая программа по дисциплине «Технология отрасли» раздел «Технология молока и молочных, 211.24kb.
В сливочно-растительной смеси без эмульгатора (рис 7. С) гидратный слой оболочки жирового шарика в большей степени состоит из мицелл казеина и сывороточных белков, которые ориентируются на поверхности жирового шарика. Это плохо застабилизированная оболочка, в ней отсутствуют высокоплавкие глицериды и фосфолипиды, которые входят в состав нативных оболочек жировых шариков молочного жира и при механическом воздействие на смесь происходит коалесценция жировых шариков, с образованием крупных жировых шариков.
При внесении эмульгатора в сливочно-растительную смесь часть молекул моно - и диглицеридов адсорбируется на поверхность жировых шариков и внедряется в оболочку жирового шарика, повышая ее структурную прочность, способность сопротивлению разрыву (рис 7. Б), гидратный слой оболочки жирового шарика состоит из чередующихся сегментов, занимаемых молекулами протеинов и эмульгатора, образуя четкий сольватный слой, застабилизированную оболочку жирового шарика, как и в контроле (рис 7. А).
Обоснование состава низколактозных сливочно-растительных молочных продуктов и технология их производства.
Низколактозная сливочно-растительная сметана. На основании теоретических исследований, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований, с целью расширения ассортимента функциональных продуктов лечебно-профилактического назначения, подобраны компоненты жировой основы для сметаны с заданным жирнокислотным составом. Согласно разработанной модели, при 49 %-ной замене молочного жира кукурузным и оливковым маслами в соотношении 44 : 6 отклонение от идеального жира составило 3 %. Данные жирнокислотного состава опытных образцов, полученные методом газожидкостной хроматографии, подтверждают расчетные данные о сбалансированности продукта (табл 3).
Таблица 3 - Характеристика жирнокислотного состава контрольного и
опытного образцов сметаны.
Наименование жирной кислоты | Обозначение | Содержание жирной кислоты, % | |
Контроль | Опытный образец | ||
Масляная | С 4:0 | 3,9 | 2,5 |
Капроновая | С 6:0 | 3,4 | 2,0 |
Каприловая | С 8:0 | 1,3 | 0,7 |
Каприновая | С10:0 | 2,9 | 1,6 |
Лауриновая | С 12:0 | 3,3 | 1,5 |
Миристиновая | С 14:0 | 14,2 | 8,8 |
Пентадекановая | С 15:0 | 0,9 | 0,5 |
Пальмитиновая | С 16:0 | 30,7 | 19,0 |
Маргариновая | С17:0 | 0,5 | 0,3 |
Стеариновая | С 18:0 | 12,9 | 7,5 |
Арахиновая | С 20:0 | 1,2 | 0,6 |
Миристолеиновая | С 14:1 | 1,3 | 4,4 |
Пальмитолеиновая | С 16:1 | 1,6 | 4,9 |
Олеиновая | С 18:1 | 18,8 | 31,9 |
Линолевая | С 18:2 | 2,1 | 11,6 |
Линоленовая | С 18:3 | 0,4 | 1,0 |
Гадолеиновая | С 20:1 | 0,3 | 0,8 |
Арахидоновая | С 20:4 | 0,3 | 0,4 |
Закваски, которые используют при производстве традиционной сметаны, не обеспечивали требуемых показателей по вкусу и консистенции одновременно. В результате экспериментальных исследований предложена комбинированная лабораторная закваска, состоящая из трех обычных заквасок для сметаны (ВНИМИ)+(Углич)+КДс, в соотношении 1:1:1 (температура сквашивания 26 – 30 °С). Кроме того, использовали комбинированную закваску прямого внесения, состоящую из культур CH - N 22 + St - Body 1, в соотношении 3 : 1 соответственно (температура сквашивания 24 – 26 °С).
Установлено, что процесс ферментации сливочно-растительной смеси -галактозидазой может быть совмещен с процессом сквашивания. Опытные образцы низколактозной сметаны, выработанные с подобранными вышеуказанными комбинациями заквасок, по консистенции и содержанию летучих жирных кислот превосходили контрольные, а по вкусу отличались от контрольных приятной сладостью.
Для установления окончания процесса сквашивания низколактозной сливочно-растительной смеси с использованием подобранных заквасок проведены исследования зависимости процесса разрушения и восстановления исследуемых сгустков при различных значениях титруемой кислотности (рис 8).
Кислотности сгустка соответствует № образца: №1 - 45 оТ; №2 – 50 оТ;
№3 - 55 оТ; №4 – 60 оТ; №5 – 65 оТ.
5
1
4
3
2
1
2
3
4
5
с комбинированной закваской
CH-N 22 + St- Body 1, в соотношении 3:1
с комбинированной закваской КДс + ВНИМИ + Углич в
соотношении 1:1:1
Рис. 8. Восстанавливаемость структуры исследуемых образцов при
различных значениях титруемой кислотности
Как видно из данных, представленных на рис 7, лучшей восстанавливаемостью структуры обладали образцы с комбинированной закваской прямого внесения CH-N 22 + St-Body 1, сквашенные до кислотности 50 – 55 °Т и образцы с комбинированной закваской КДс + ВНИМИ + Углич, сквашенные до кислотности 55 – 60 °Т.
Низколактозная сливочно-растительная сметана по показателям качества
(табл 5) не только не уступает продукту традиционного состава, но и превосходит его по консистенции.
Для установления сроков годности низколактозной сливочно-растительной сметаны были исследованы органолептические, физико-химические, микробиологические показатели, а также изменение перекисного числа жира образцов продукта с массовой долей жира 10, 15, 20, 25 %. Исследования проводили каждые 10 сут в течение 45 сут хранения при температуре 2 - 6 0С.
За время хранения на протяжении 45 сут по показателям качества, соответствующим табл 5, существенных изменений не наблюдалось. Микробиологические и другие показатели безопасности соответствовали нормам СаНПиНа 2.3.25.1078 – 2001. Отсутствие перекисей за все время хранения обусловлено наличием природных антиоксидантов – токоферолов в растительных маслах.
На основании проведенных исследований и, руководствуясь методикой расчета сроков годности продуктов, установлены сроки годности низколактозной сливочно-растительной сметаны при температуре 2 – 6 С – 30 суток.
Экономия затрат на сырье при производстве низколактозной сливочно-растительной сметаны в сравнении с традиционной сметаной с массовой долей жира 20 % на 01.01.2006 г составила 1186 руб. на 1т. На состав и способ производства продукта получен патент РФ № 2279224.
Таблица 5 - Сравнительная характеристика показателей качества готовых продуктов
Содержание растительных масел, % | |||||
0 | 49 | 0 | 49 | ||
Массовая доля жира 15 % Массовая доля жира 20 % | |||||
Консистенция и внешний вид | |||||
Однородная, в меру густая, глянцевитая | |||||
Вкус и запах | |||||
Чистый кисломолочный, с ароматом пастеризации. | Чистый кисломолочный сладковатый, с ароматом пастеризации. | Чистый кисломолочный, с ароматом пастеризации. | Чистый кисломолочный сладковатый, с ароматом пастеризации. | ||
Цвет | |||||
Белый, с кремовым оттенком, равномерный по всей массе. | |||||
Титруемая кислотность, ºТ | |||||
79 | 70 | 74 | 69 | ||
Диаметр растекания, мм | |||||
58 | 51 | 55 | 48 | ||
Предельное напряжение сдвига, Па | |||||
108, 0 | 143, 0 | 120, 0 | 158, 0 |
Низколактозное сливочно-растительное мороженое. Отличительной особенностью технологического процесса низколактозного сливочно-растительного мороженого от традиционного является приготовление сливочно-растительной эмульсии и гидролиз лактозы с использованием фермента ß – галактозидазы, проводимого после гомогенизации при температуре 40 оС в течение 3 ч.
В процессе исследований проводилась оценка показателей качества контрольных образцов, содержащих только молочный жир, и опытных низколактозных сливочно-растительных. Доля растительного масла в опытных образцах составляла 49,0 % от массы жиров, массовая доля жира в контрольных и опытных образцах мороженого –
10 %, сухих веществ – не менее 35 %, из них СОМО – 11 %, в том числе лактозы до ферментации 6,5 %. В опытных образцах после ферментации остаточное количество лактозы снизилось до 0,6 %.
Наивысшую дегустационную оценку получило мороженое со стабилизатором-эмульгатором Р6Х-1, внесенном в количестве 0,4%. С данным стабилизатором-эмульгатором исследовали влияние продолжительности созревания опытного образца низколактозной сливочно-растительной смеси мороженого и контрольного на показатели качества мороженого (рис 9 и 10).
Анализ представленных экспериментальных данных (рис 9, 10) указывает на то, что созревание смеси улучшает показатели качества опытных и контрольных образцов мороженого в первые 4 ч, дальнейшее созревание сопровождается лишь незначительными их изменениями. Физико-химические изменения, протекающие в смеси при созревании, значительно улучшают ее взбитость, мороженое получается с более нежной структурой и консистенцией, о чем свидетельствуют размеры кристаллов льда, воздушных пузырьков и продолжительность сопротивляемости таянию.
S1 = -24,52exp(-0,35) + 40,00 S2 = -27,67exp(-0,42) + 48,00
dл1 = 9,85exp(-0,540) + 34,00; dл2 = 9,37exp(-0,531) + 25,00
Рис.9. Влияние продолжительности созревания смеси мороженого на размер
кристаллов льда и сопротивляемость таянию мороженого
(S1 , dл1 – контрольный образец; S2 ,dл2 – опытный образец)
d1 = 40,07exp(-0,42) + 42,00; d2 = 40,96exp(-0,40) + 30,00;
V1 = -30,11exp(-0,43) + 68,00; V2 = -35,75exp(-0,41) + 76,00
Рис. 10. Влияние продолжительности созревания смеси мороженого на дисперсность воздушных пузырьков и взбитость мороженого
V1, d1– контрольный образец; V2 , d2– опытный образец
Увеличение насыщенности смеси воздухом приводит к образованию устойчивой пены, увеличению сопротивляемости таянию и объясняется уменьшением теплопроводности при увеличении аэрированности смеси. Улучшение структуры и консистенции мороженого, вызываемое созреванием смеси, объясняется главным образом гидратацией молочных белков и стабилизатора. В результате гидратации увеличивается количество связанной воды, уменьшается содержание свободной воды.
Повышение взбитости и сопротивляемости таянию обусловлено частично гидратацией молочных белков и стабилизатора, адсорбцией поверностно-активных веществ, содержащихся в стабилизаторах-эмульгаторах и в молоке на поверхности
жировых шариков, а также отвердеванием глицеридов жира в виде смешанных кристаллов внутри них. Установлено, что созревание смеси независимо от вида жира улучшает показатели качества мороженого в первые 4 ч, дальнейшее созревание сопровождается лишь незначительным улучшением качества продукта и может быть предусмотрено в каждом конкретном случае, в зависимости от графика работы предприятия, загрузкой оборудования и пр.
На хранение закладывали контрольные и опытные образцы мороженого с массовой долей жира не менее 10 %, сухих веществ – не менее 35 %, из них СОМО –11 % (в том числе лактозы в контрольном образце - 6,0 %, в опытном - 0,6 %). Изменение показателей качества контрольного и опытного образцов в процессе хранения при температуре минус 18 0С на протяжении 8 мес представлены в табл 7.
Таблица 7 - Изменение показателей качества мороженого в процессе хранения
Продолжительность хранения, мес | ||||||||
Контрольный образец | ||||||||
Показатель | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
Вкус и запах | Чистый, сладкий, без посторонних привкусов и запахов | |||||||
Консистенция | Плотная | |||||||
Структура | Мучнистость | Песчанистость | ||||||
Средний диаметр кристаллов льда, мкм | 17 | 18 | 18 | 20 | 21 | 21 | 22 | 23 |
Средний диаметр воздушных пузырьков, мкм | 44 | 43 | 39 | 37 | 36 | 35 | 34 | 33 |
Усадка мороженого | ||||||||
Средний диаметр кристаллов лактозы, мкм | Более 10 | Более 25 | ||||||
Опытный образец | ||||||||
Вкус и запах | Чистый, сладкий, без посторонних привкусов и запахов | |||||||
Консистенция | Плотная | |||||||
Структура | Однородная, без ощутимых комочков жира, белка, лактозы | |||||||
Средний диаметр кристаллов льда, мкм | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 | 13 | 13 |
Средний диаметр воздушных пузырьков, мкм | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 | 31 | 31 |
Средний диаметр кристаллов лактозы, мкм | Не обнаружены |
Как видно из данных табл 7, в контрольных образцах уже после первого месяца хранения были обнаружены кристаллы лактозы размерами более 10 мкм, что привело к мучнистой структуре мороженого. Через два месяца хранения произошла усадка мороженого, размеры кристаллов лактозы достигли 25 мкм и появилась песчанистость. В опытных образцах в течение всего периода хранения показатели качества практически не изменялись, что связано с низким содержанием лактозы (0,6 %), отсутствием ее перенасыщения при низких температурах.
Усадка мороженого в процессе хранения происходит в результате разрушения крупных воздушных пузырьков, которые не защищены или недостаточно защищены жировыми шариками.
В сливочно-растительном мороженом образование и сохранение стабильных мелких пузырьков воздуха связаны с наличием достаточно мелких жировых шариков, средний диаметр которых был до 1,4 мкм, в контрольном образце - до 2 мкм.
Физико-химический механизм процесса фризерования. Фризерование - сложнейший физико-химический, тепловой и механический процесс. Смесь мороженого, поступающая во фризер, при интенсивном перемешивании мешалками охлаждается до криоскопической температуры и замораживается до температуры минус 4 - 6 0С, при этой температуре происходит отвердевание жиров и дестабилизация жировых шариков. Часть воды кристаллизуется, что приводит к увеличению вязкости смеси мороженого и образованию кристаллов льда.
При замораживании смесь одновременно насыщается воздухом. Воздушные пузырьки имеют тенденцию к агломерации. Процесс агломерации предотвращают жировые шарики, ориентированные на поверхности воздушных пузырьков. В связи с тем, что насыщение смеси мороженого воздухом велико, требуется достаточное количество жировых шариков, что обеспечивается их малыми размерами. Для образования мелких кристаллов льда и воздушных пузырьков требуется определенная продолжительность фризерования.
Рассмотрим кинетические закономерности процесса фризерования во фризере непрерывного действия. Особенностью процесса о является принудительное движение смеси в охлаждаемом металлическом цилиндре. В результате теплообмена между хладагентом, циркулирующим во внешнем кольцевом пространстве, и мороженым, находящимся в морозильном цилиндре, на внутренней стенке цилиндра намерзает тонкий слой мороженого. Этот слой отделяется от стенки механическим способом посредством ножей либо шнека и поступает в замораживаемую смесь.
В связи со сложностью процесса, использовали следующие допущения: 1) теплота кристаллизации отводится через слой намерзшего на внутренней поверхности цилиндра мороженого; 2) температура стенки барабана равна температуре хладагента tхл (°С); 3) кристаллизация происходит при криоскопической температуре tкр (°С); 4) теплофизические параметры смеси в ходе процесса не изменяются.
Подобные допущения применяют при выводе формулы Планка, которая широко используется для расчета продолжительности процесса замораживания. Соотношение для определения производительности фризера G (кг/с) имеет вид:
(1)
где q - удельная теплота кристаллизации (жиров и воды совместно), Дж/кг;
ρ -плотность смеси, кг/м3; λ – коэффициент теплопроводности смеси, Вт/(м °К);
δ0 - толщина намерзшего слоя, остающаяся на стенке барабана после срезания (обычно, десятые доли миллиметра), м; ν - частота вращения барабана, об/с; N - число срезающих ножей (для шнека N = 1); D - внутренний диаметр барабана, м; L - его длина, м.
Выражение (5) можно существенно упростить. Толщина намерзшего за промежуток времени между двумя последовательными срезаниями слоя δ - δ0 составляет несколько десятков микрометров, и мала по сравнению с δ0.
В этом случае выражение (1) записывается как:
(2)
В соотношение (2) в отличие от (1) не входят значения плотности смеси ρ, и частоты вращения барабана ν. В формулу (2) входит коэффициент теплопроводности смеси λ, который меняется в ходе процесса взбивания смеси. Для определения теплопроводности системы "непрерывная фаза - дискретные включения другой фазы" использована формула Эйкена. Применительно к рассматриваемому случаю, учитывая, что мелкие пузырьки воздуха не подвержены конвекции, а теплопроводность воздуха крайне мала имеем: (3)
где s – взбитость мороженого,м3воздуха / м3 продукта; λи – коэффициент теплопроводности исходной смеси, Вт/(м°К). На входе во фризер взбитость s = 0. На выходе взбитость равна конечному значению s = s1. Внутри барабана фризера взбитость линейно растет по мере движения смеси от загрузки к выгрузке , т.е. количество воздуха смеси в каждом сечении барабана одинаково. Для среднего значения теплопроводности получим: (4). Это значение и предполагается подставлять в формулы (1) и (2).
Для проверки были проведены эксперименты по фризерованию смесей, приготовленных как с молочным жиром, так и сливочно-растительных смесей. Параметры эксперимента были следующие: начальная температура смеси - tнач = 8 °С; температура на выходе - tкон = минус 5 °С; криоскопическая температура - tкр= минус 2,5 °С, количество теплоты, отводимое от единицы массы смеси при охлаждении от температуры tнач до tкон, равно q = 1,7 105 Дж/кг; взбитость смеси sк = 1; плотность смеси ρ = 550 кг/м3.
Теплопроводность смеси рассчитывали по формуле (3), где принимали λн = 1,1 Вт/(м°К). Получено значение λ = 0,67 Вт)(м°С). Характеристика фризера: длина барабана L = 0,3 м, диаметр D = 0,095 м, температура хладагента tхл = минус 40 °С, ширина зазора между шнеком и внутренней поверхностью барабана δ0 = 0,0005 м, частота вращения шнека ν = 24 об/с. Производительность, рассчитанная по формулам (1) и (2), составляла G теор = 0,026кг/с (при экспериментальном значении Gэксп= 0,024 кг/с). Совпадение экспериментальной и расчетной продолжительности фризерования в пределах 10 % погрешности вполне удовлетворительно, учитывая допущения, принятые при выводе формулы (1)и (2).
Выводы
1. Разработаны теоретические основы гидролиза лактозы молочных продуктов дрожжевой -галактозидазой и регулирования жирнокислотного состава их липидной фракции; предложены новые функциональные продукты питания.
2. В результате исследования кинетики гидролиза лактозы под действием фермента -галактозидазы установлена зависимость степени гидролиза от активной кислотности, концентрации фермента, температуры и продолжительности ферментации, что позволяет оперативно управлять процессом для достижения заданной степени гидролиза лактозы. Разработан и метрологически аттестован экспресс - метод определения степени гидролиза лактозы в молоке и молочных продуктах.
3. Предложены операционные схемы производства низколактозных продуктов пастеризованного, топленого, стерилизованного молока, сливочно-растительного мороженого, предусматривающие проведение ферментации по двум вариантам: первый - процесс ферментации совмещен с резервированием молока при температуре 4 0С в течение 12 ч, второй вариант - ферментация молока проводится после пастеризации. При производстве кисломолочных напитков гидролиз лактозы осуществляется как в процессе резервирования, так и условиях совмещения ферментации и сквашивания молока.
4. При производстве сгущенного молока с сахаром вареного процесс гидролиза лактозы рекомендуется проводить перед фасованием путем внесения 0,2 - 0,25 % ферментного препарата -галактозидазы активностью 2000 НЕЛ/г при температуре 35 - 40 оС, что значительно упрощает технологический процесс и позволяет получить продукты высокого качества с длительным сроком хранения.
5. Для приготовления низколактозных кисломолочных напитков в качестве заквасочной микрофлоры рекомендован природный симбиоз микроорганизмов чайного гриба, обладающих высокой антагонистической активностью. Предложена также симбиотическая закваска на основе двух штаммов L. Acidophillus Д 75 и L. Acidophillus Д 76, охарактеризованная по основным медико-биологическим показателям. Кисломолочный продукт, приготовленный на основе симбиотической закваски, нормализуют микрофлору желудочно-кишечного тракта, способствует улучшению его деятельности, повышает иммунитет организма, о чем свидетельствуют клинические испытания.
6. При создании функциональных жиросодержащих молочных продуктов научно обосновано и экспериментально подтверждено использование рафинированных дезодорированных растительных масел с заменой на них до 30 % общего количества жира в комбинированном масле и до 49 % в сливочно-растительной сметане и мороженом, что обеспечивает высокое качество продуктов с улучшенным жирнокислотным составом. Доказана возможность и целесообразность применения при производстве комбинированного диетического масла эмульгатора «Натуром» в количестве 0,4%, установлена эффективность действия на консистенцию низколактозной сливочно-растительной сметаны комплексных стабилизаторов-эмульгаторов Е471 и РGХ-1 в количестве 0,2 % при внесении их в смесь в соотношении 1:1; для низколактозного сливочно-растительного мороженого подобран стабилизатор-эмульгатор РGХ-1 в количестве 0,4 %.
7. Обоснованы режимы физического созревания смеси с комбинированным жиром: в весенне-летний период года - при температуре (4 ± 1)°С и выдержке не менее 7 ч; в осенне-зимний период года - при температуре (8 ± 1)°С и выдержке не менее 10 ч, что позволяет получить комбинированное масло высокого качества методом сбивания сливочно-растительной смеси без удаления пахты.
8. На основе анализа математической модели гомогенизации предложены расчетные соотношения, позволяющие определить диаметр жировых шариков в сливочно-растительных смесях. Экспериментальные значения совпадают с теоретическими в пределах 10 % погрешности. Модифицирован метод и его аппаратурное оформление для определения коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жир – плазма.
9. Предложен физико-химический механизм стабилизации оболочек жировых шариков в сливочно-растительных смесях. Предложенные способы эмульгирования сливочно-растительной смеси позволяют получить стойкую эмульсию. Для получения сливочно-растительных продуктов высокого качества рекомендована двухступенчатая гомогенизация: для продукта с массовой долей жира 10 – 15 %- давление на первой ступени 10,0-12,0 МПа, на второй - 2,5 – 3,5 МПа; для продукта с массовой долей жира 20 –25 % на первой ступени 8,0 – 10,0 МПа, на второй - 2,5 – 3,5 МПа.
10. Подобраны новые комбинации заквасок на основе существующих стартовых культур молочнокислых бактерий для производства низколактозной сливочно-растительной сметаны с длительным сроком хранения.
11. Рассмотрен физико-химический механизм фризерования сливочно-растительных смесей, создана математическая модель процесса фризерования на основе, которой найдены закономерности, позволяющие рассчитать продолжительность фризерования. Научно обосновано проведение ферментации лактозы в смеси мороженого и созревания сливочно-растительной смеси мороженого.
12. На основании исследования органолептических, физико-химических и микробиологических показателей разработанных продуктов установлены сроки их годности: для комбинированного масла диетического – не более 30 сут при температуре (4…6) оС и не более 60 сут при температуре (- 4…-11) оС; для сливочно-растительной сметаны - не более 30 сут при температуре (2…6)оС; для низколактозного пастеризованного и топленого молока – не более 5 сут при температуре (4…6) оС; для стерилизованного молока - 3 мес при температуре (18…22) оС; для низколактозных кисломолочных напитков – не более 7 сут при температуре (4…6) оС.
13. Разработаны технологии низколактозных молочных продуктов с регулируемым жирнокислотным составом, которые внедрены на молочных предприятиях Санкт-Петербурга, Ленинградской и Новгородской областях, а также в учебном процессе СПбГУНиПТ.