Развитие теоретических основ и разработка технологий низколактозных молочных продуктов с регулируемым жирнокислотным составом

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Обоснование состава низколактозных сливочно-растительных молочных продуктов и технология их производства.
Низколактозное сливочно-растительное мороженое
Физико-химический механизм процесса фризерования.
Подобный материал:
1   2   3


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 sвзбитость мороженого,м3воздуха / м3 продукта; λикоэффициент 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.