Инновационная технология плавленых сырных продуктов с использованием замораживания и криомеханодеструкции
Автор: Павлюк Р.Ю., Погарская В.В., Юрьева О.А., Наконечная Ю.Г.
Журнал: Вестник Алматинского технологического университета @vestnik-atu
Рубрика: Техника и технологии
Статья в выпуске: 4 (105), 2014 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена разработке инновационной технологии плавленых сырных продуктов, включающая использование комплексного воздействия на сырье замораживанием и криомеханодеструкцией, совместное влияние которых, при подготовке твердых сычужных сыров к плавлению приводит к деструкции параказеинаткальцийфосфатного комплекса, его механолизу до отдельных аминокислот, конформационным изменениям молекул белка, что позволяет исключить применение солей-плавителей. Разработана инновационная технология, технологическая схема, рецептуры сырно-овощных начинок для кондитерских изделий «ПанКейк», сырных соусов-дрессингов и пастообразных плавленых сыров без солей-плавителей.
Плавленные сырные продукты, замораживание, криомехано-деструкция, сычужные сыры, соли-плавители
Короткий адрес: https://sciup.org/140204759
IDR: 140204759
Текст научной статьи Инновационная технология плавленых сырных продуктов с использованием замораживания и криомеханодеструкции
Известно, что плавленые сыры пользуются большой популярностью у населения всех стран мира. Это связано с их высокими вкусовыми свойствами, пищевой ценностью и простой технологией производства. Они являются ценными источниками для организма человека важных функциональных нутриентов – полноценных белков, незаменимых аминокислот, липидов, минеральных веществ, витаминов группы В и др., однако они отличаются низким содержанием биологически активных веществ и сниженными сроками хранения. Ассортимент плавленых сыров с высоким содержанием БАВ в Украине ограничен. Трудности при их изготовлении с использованием в качестве сырья - сычужных сыров связаны с тем, что они имеют сложные слаборастворимые параказеинаткальцийфосфатные комплексы (ПККФК), в которых полипеп-тидные цепи настолько сильно переплетены между собой с помощью кальциевых мостиков, дисульфидных и фосфоамидных связей, водородных как внутримолекулярных, так и межмолекулярных и других связей, что препятствует их пептизации и растворению при плавлении сыров и получению однородной текучей массы. Кроме того, пептизацию белков замедляет высокое содержание липидов, которые с белком образуют сложные липидопротеиновые кальцийфосфатные комплексы. Одной из основных технологических операций при получении плавленых сыров является размягчение сыров, получение однородной текучей массы при нагревании в присутствии солей - плавителей. При этом одновременно происходит и пастеризация продукта. Традиционно при изготовлении плавленых сыров для увеличения пептизации ПККФК, размягчения и приобретения сырной массой текучести используют различные соли - плавители, такие как, соли лимонной кислоты, пирофосфаты, фосфаты и другие в количестве от 30 до 100 кг на 1 т. продукта, которые являются вредными веществами для организма человека. В связи с этим актуальным является поиск технологических приемов, направленных на дезагрегацию, деструкцию и гидролиз полипептидных цепочек ПККФК твердых сычужных сыров, увеличение их растворимости - пептизации, получение однородной текучей сырной массы с целью уменьшения количества солей - плавителей при производстве плавленых сыров. В качестве таких технологических приемов в работе использовали замораживание и низкотемпературное измельчение. В молочной промышленности при производстве плавленых сыров рассмотренные процессы ранее не использовались. Отсутствуют литературные данные по этому вопросу.
Научной школой проф. Павлюк Р.Ю. в течение 25 лет изучалось применение криогенного измельчения, процессов механоактивации (без применения холода) и замораживания в пищевой промышленности при получении мелкодисперсных порошков и гомогенных паст из фруктов, ягод, овощей, лекарственного и пряно-ароматического растительного сырья, продуктов пчеловодства. Впервые в мировой практике были обнаружены новые явления и эффекты, раскрыты механизмы, и показано, что процессы механоактивации и замораживания приводят к существенной деструкции и дезагрегации биологических комплексов -биополимер БАВ, а также биополимеров (белков, полисахаридов, пектиновых веществ), которые приводят к эффекту «обогащения» и более полному высвобождению из сырья низкомолекулярных БАВ, таких как: витамины, свободные аминокислоты, фенольные соединения моно- и дисахариды, растворимые пектиновые веществ и др. [2,3].
Некоторыми учеными было обнаружено, что криогенное измельчение желатина приводило к существенному изменению его исходных свойств и растворению при комнатной температуре. Выявлено также, что использование процессов механоактивации при измельчении полимеров приводило к снижению их молекулярной массы, образованию новых функциональных групп и цепочек, изменению их растворимости. В связи с этим можно было предположить, что использование процессов замораживания и криомеханодеструкции приведет к деструкции, дезагрегации, механолизу и пептизации сложных ПККФК твердых сычужных сыров, что будет способствовать их лучшему плавлению с уменьшенным количеством солей - плавителей. В молочной промышленности происходит непрерывный поиск технологических приемов, направленных на уменьшение количества солей – плавителей при производстве плавленых сыров. Ведущими учеными Украины и России удалось их количество уменьшить на 20% [2]. Целесообразность разработки технологии плавленых сыров и плавленых сырных продуктов с уменьшенным количеством солей-плавителей и обогащенных натуральными растительными БАВ сложилась благодаря работам таких отечественных и зарубежных ученых как: Шатнюк Л.Н., Спиричев Б.В., Павлюк Р.Ю., Погарская В.В., Безусов А.Т., Рудавская А.Б., Захарова Н.П., Остроумов Л. А. и др.
Работа посвящена изучению влияния замораживания и криомеханодеструкции на изменение параказеинаткальцийфосфатного комплекса твердых сычужных сыров, трансформацию связанных аминокислот белка в свободную форму, изучению конформационных изменений молекул белка при их подготовке к плавлению с целью уменьшения или исключения применения солей-плавителей в технологии производства плавленых сыров.
Объекты и методы исследований
Объекты исследований – технологические процессы производства плавленых сыров и сырных продуктов.
Методы исследований – стандартные химические, физико-химические, ионообменной хроматографии и математической обработки экспериментальных данных с использованием компьютерных технологий. Исследования проведены на кафедре технологий переработки плодов, овощей и молока ХГУПТ на базе лаборатории «Инновационных, крио- и нанотехнологий растительных добавок и оздоровительных продуктов», а также с использованием экспериментальной базы лаборатории оценки качества кормов и продукции животного происхождения Института животноводства лесостепи и полесья УААН, а также в производственных условиях ООО ПКГ «Лесная сказка», НПП «ФИПАР», НПП «КРИАС-1», СУИП «Полюс ЛТД».
Результаты и их обсуждение
В работе замораживание осуществляли традиционным способом в холодильной камере либо в скороморозильном аппарате до конечной температуры внутри продукта – 18°С. Измельчение (криомеханодеструкцию) проводили с использованием низкотемпературного измельчителя при температуре –10…–18°С до размера частиц 40…60 мкм и меньше, который контролировали с помощью бинокулярного микроскопа Granum R 5003 со шкалой в микрометровом и нанометровом диапазоне. Микроскоп снабжен видеокамерой и программным обеспечением.
Показано, что при замораживании и криомеханодеструкции происходит дезагрегация и деструкция липопротеиновых комплексов, механическое разрушение белков, увеличение массовой доли свободных аминокислот (в 1,1…2,9 раза) по отношению к их исходному количеству в ТСС (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1 - Содержание связанных и свободных аминокислот белка твердого сычужного сыра после замораживания и криомеханодеструкции (n=3, P≥0,95)
Название аминокислоты |
Связанные аминокислоты твердого сычужного сыра |
Свободные аминокислоты твердого сычужного сыра |
||||||
в исходном сыре, мг в 100 г |
после заморажива ния и криомехано деструкции, мг в 100 г |
% к исходному |
увеличение к сходно му, раз |
в исходном сыре, мг в 100 г |
после замораживания и криомехано деструкции, мг в 100 г |
% к исходному |
увеличение к исходному, раз |
|
Валин |
450 |
1080 |
240,0 |
2,4 |
340 |
960 |
282,3 |
2,8 |
Изолейцин |
920 |
2100 |
228,0 |
2,3 |
650 |
1250 |
192,0 |
1,9 |
Продолжение табл.1
Лейцин |
2300 |
2550 |
111,0 |
1,1 |
130 |
250 |
192,0 |
2,0 |
Лизин |
1240 |
3140 |
253,2 |
2,5 |
360 |
550 |
153,0 |
1,5 |
Метионин |
1040 |
1120 |
108,0 |
1,1 |
400 |
600 |
150,0 |
1,5 |
Треонин |
710 |
1240 |
175,0 |
1,7 |
120 |
240 |
200,0 |
2,0 |
Триптофан |
700 |
700 |
100,0 |
1,0 |
400 |
400 |
100,0 |
1,0 |
Фенилаланин |
1070 |
1480 |
138,0 |
1,4 |
230 |
640 |
278,0 |
2,8 |
Аргинин |
1910 |
1300 |
67,9 |
- |
430 |
870 |
202,0 |
2,0 |
Аспарагиновая кислота |
1330 |
2310 |
174,0 |
1,7 |
200 |
490 |
245,0 |
2,5 |
Гистидин |
1010 |
1240 |
123,0 |
1,2 |
80 |
150 |
188,0 |
1,9 |
Глицин |
410 |
560 |
137,0 |
1,4 |
70 |
140 |
200,0 |
2,0 |
Глутаминовая кислота |
4410 |
4700 |
107,0 |
1,1 |
1620 |
1790 |
110,0 |
1,1 |
Пролин |
1720 |
2760 |
160,0 |
1,6 |
60 |
150 |
250,0 |
2,5 |
Серин |
1100 |
1840 |
167,0 |
1,7 |
310 |
370 |
119,0 |
1,2 |
Тирозин |
2210 |
1630 |
73,7 |
- |
240 |
340 |
142,0 |
1,4 |
Цистин |
300 |
300 |
100,0 |
1,0 |
540 |
420 |
- |
- |
Аланин |
580 |
1200 |
207,0 |
2,1 |
90 |
260 |
289,0 |
2,9 |
ВСЕГО: |
23410 |
31250 |
33,5 |
1,33 |
6270 |
9870 |
57,4 |
1,57 |

Рис. 1 - Изменение параказеинаткальцийфосфатного комплекса и трансформация связанных аминокислот белка твердых сычужных сыров в свободную форму под влиянием замораживания и криомеханодеструкции: 1, 2 –
твердый сычужный сыр исходный (1) и после замораживания и криомеханодеструкции (2).
Часть α-аминокислот из связанного состояния трансформируется в свободные аминокислоты. Так, количество свободных аминокислот таких как, аланин, валин, фенилаланин, увеличивается больше всего и составляет 2,8…2,9 раз, количество пролина и аспарагиновой кислоты в 2,5 раза, количество треонина, глицина, изолейцина, лейцина, гистидина и аргинина увеличивается в 1,9…2,0 раза. Наименьшее количество свободных аминокислот наблюдалось у глютаминовой кислоты, триптофана, серина и цистина. Разная степень образования различного количества аминокислот при механолизе белка связана, по-видимому, со специфичностью аминокислотного состава белков сычужных сыров. Механизм этого процесса связан, по-видимому, с повышенной устойчивостью ПККФК к нагреванию, гидролизу кислотами, растворению, пептизации, что обуславливается наличием в их составе Са и Р, которые в комплексах соединены при помощи кальциевых мостиков, фосфоамидных связей, а также связано со значительным количеством липидов, входящих в состав белково-липидных комплексов, что тормозит гидролиз белков до отдельных аминокислот.
Параллельно наблюдается более полное извлечение белка из липидо-протеиновых комплексов – на 30-35% (табл. 1). Показано, что замораживание и криомеханодеструкция твердых сычужных сыров существенно интенсифицируют процесс разрушения белково-липид-ных комплексов и способствуют механическому разрушению (механолизу) белков до отдельных свободных аминокислот т.е 55-57% аминокислот переходит в свобод-ную форму за счет отщепления низкомолекулярных соединений – аминокислот (рис. 1). Механизм этого процесса связан с тем, что при механическом измельчении в результате механокрекинга возникают такие критические энергетические напряжения в звеньях биополимерной цепи белка, которые приводят к разрыву, разрушению пептидных, а также водородных связей, разрыву кальциевых мостиков и частичному разрушению белковых молекул до свободных аминокислот, т.е происходит механодеструкция, пептизация, и истирание молекул белка сычужных сыров.
В работе изучено влияние замораживания и криомеханодеструкции на содержание в молекулах белка твердого сычужного сыра гидрофильных и гидрофобных остатков аминокислот (табл.2).
Таблица 2 - Содержание гидрофильных и гидрофобных остатков аминокислот в молекулах белка твердого сычужного сыра после замораживания и криомеханодеструкции (n=3, P≥0,95)
Аминокислота |
Массовая доля связанных аминокислот белка, % |
< о « s |
Степень гидрофобности связанных аминокислот белка (ΔF кДж/моль) |
||
исходный твердый сычужный сыр |
твердый сычужный сыр после замораживания и криомеханодеструкции |
исходный твердый сычужный сыр |
твердый сычужный сыр после замораживания и криомеханодеструкции |
||
Гид |
рофильные остатки аминокислот |
||||
Аланин |
2,48 |
3,84 |
3,05 |
7,56 |
11,71 |
Аргинин |
8,16 |
4,16 |
3,05 |
24,89 |
12,69 |
Цистин |
1,28 |
0,96 |
2,71 |
3,47 |
2,60 |
Глутаминовая к-та |
18,84 |
15,04 |
2,50 |
47,10 |
37,60 |
Аспарагиновая к-та |
5,68 |
7,39 |
2,26 |
12,84 |
16,70 |
Треонин |
3,03 |
3,97 |
1,84 |
5,58 |
7,30 |
Серин |
4,7 |
5,89 |
0,17 |
0,80 |
1,00 |
Глицин |
1,75 |
1,78 |
0,0 |
0 |
0 |
Сумма: |
45,92 |
43,03 |
102,24 |
89,60 |
|
Гидрофобные остатки аминокислот |
|||||
Валин |
1,92 |
3,46 |
7,06 |
13,55 |
24,43 |
Изолейцин |
3,93 |
6,72 |
12,4 |
48,73 |
83,33 |
Лейцин |
9,82 |
8,16 |
10,10 |
99,18 |
82,42 |
Лизин |
5,3 |
10,05 |
6,27 |
33,23 |
63,01 |
Метионин |
4,44 |
3,58 |
5,45 |
24,20 |
19,51 |
Триптофан |
3,0 |
2,24 |
12,50 |
37,50 |
28,0 |
Фенилаланин |
4,57 |
4,74 |
11,10 |
50,73 |
52,61 |
Гистидин |
4,31 |
3,97 |
5,85 |
25,21 |
23,22 |
Пролин |
7,35 |
8,83 |
10,85 |
79,75 |
95,80 |
Тирозин |
9,44 |
5,22 |
12,00 |
113,28 |
62,64 |
Сумма: |
54,08 |
56,97 |
525,37 |
534,97 |
|
Гидрофильные и гидрофобные остатки аминокислот |
|||||
Сумма: |
100,0 |
100,0 |
627,61 |
624,57 |
|
Отношение суммы гидрофильных к сумме гидрофобных остатков аминокислот |
0,85 |
0,76 |
Установлено, что при замораживании и криомеханодеструкции параллельно с деструкцией части белка до отдельных аминокислот и простых пептидов происходит уменьшение в молекулах белка массовой доли гидрофильных остатков аминокислот (С n ), увеличение гидрофобных остатков (С нn ) и уменьшение соотношения между ними (С n / С нn ).
Полученные результаты позволили провести сравнение размера и формы белковых молекул твердого сычужного сыра исходного и после замораживания и низкотемпературно-измельченного согласно теории Нобелевского лауреата Е.Г.Фишера (табл. 3).
Таблица 3 - Сравнительная характеристика белковых молекул исходного и замороженного и низкотем-пературноизмельченного твердого сычужного сыра (n=3, P≥0,95)
Показатель |
Твердый сычужный сыр |
|
исходный |
после обработки |
|
Содержание полярных остатков аминокислот, С n , % |
45,92 |
43,03 |
Содержание неполярных остатков аминокислот, С нn , % |
54,08 |
56,97 |
Соотношение С n / С нn |
0,85 |
0,76 |
Радиус молекулы, r o , мкм |
0,2265∙10-2 |
0,2474∙10-2 |
Радиус ядра молекулы, r, мкм |
0,1765∙10-2 |
0,1974∙10-2 |
Объем молекулы, V, мкм3 |
0,04∙10-6 |
0,08∙10-6 |
Показатель заполнения ядра молекулы гидрофобными остатками, b (по графику) |
0,90 |
0,45 |
Форма белковой молекулы |
вытянутый эллипсоид (b > b s ) |
надмолекулярные структуры (b < b s ) |
Установлено, что замораживание и криомеханодеструкция приводят к увеличению радиуса, объема белковой молекулы, радиуса ее ядра, а также к уменьшению показателя заполнения ядра гидрофобными остатками. Кроме того, изменяется форма белковых молекул. Согласно теории Е.Г. Фишера, молекулы исходного твердого сычужного сыра имеют вид вытянутых эллипсоидов, а после замораживания и криомеханодеструкции приобретают вид надмолекулярных структур (табл. 3), что способствует увеличению доступности, растворимости, пептизации белковых молекул при подготовке твердого сычужного сыра к плавлению и получения однородной текучей сырной массы. Модельными опытами установлено, что комплексное использование замораживания и криомеханодеструкции позволяет не только уменьшить количество солей-плавителей, а вообще их исключить. Указанные технологические приемы замораживания и криомехано-деструк-ции были использованы при разработке технологии плавленых сырных продуктов (сырно-овощных начинок для кондитерских изделий «ПанКейк», сырных соусов-дрессин-гов, пастообразных плавленых сыров).
Заключение, выводы
Таким образом, показано, что использование замораживания и интенсивного измельчения (криомеханодеструкции) твердых сычужных сыров приводит к значительной деструкции и дезагрегации гелевой структуры белка, разрушению белково-липидных комплексов, интенсификации разрушения белка и существенному увеличению массовой доли отдельных свободных α-кислот за счет механолиза белка, конформационным изменениям молекулы белка, что приводит к исключению применения солей-плавителей в технологии производства плавленых сыров и плавленых сырных продуктов.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований научно обоснована и разработана технология плавленых сыров и плавленых сырных продуктов, которая включает использование комплексного влияния на сырье замораживания и криомеханодеструкции, совместное влияние которых при подготовке твердых сычужных сыров к плавлению приводит к деструкции параказеинаткальцийфосфатного комплекса, конформационным изменениям молекул белка, что дает возможность исключить применение солей-плавителей и получить однородную гомогенную сырную массу при плавлении.
На новые виды плавленых сыров и плавленых сырных продуктов разработана нормативная документация, проведена апробация в производственных условиях. Новые виды сырно-овощных начинок для кондитерских изделий «ПанКейк» внедрены в серийное производство.
Список литературы Инновационная технология плавленых сырных продуктов с использованием замораживания и криомеханодеструкции
- Павлюк Р.Ю. Розробка технологiї консервованих вiтамiнних фiтодобавок i їх використання в продуктах харчування профiлактичної дiї: дис. … д-ра техн. наук/Р.Ю. Павлюк. -ОДАХТ: Одеса, 1996. -446 с.
- Павлюк Р.Ю. Товароведение и инновационные технологии переработки лекарственно-технического растительного сырья: Учебное пособие/Р.Ю. Павлюк, В.В. Погарская и др. -Харьк. гос. ун-т пит. и торговли. -Х., 2013. -429 с.
- Погарська В.В. Наукове обґрунтування технологiї каротиноїдних i хлорофiлвмiсних дрiбнодисперсних рослинних добавок: дис. … д-ра техн. наук/В. В. Погарська. -ОДАХТ: Одеса, 2012. -472 с.
- Павлюк Р.Ю. Новые технологии витаминных углеводсодержащих фитодобавок и их использование в продуктах профилактического действия: моногр./Р. Ю. Павлюк, А. И. Черевко и др. -Х. -К., 1997. -285 с.
- Веркин Б.И. Технология криогенного измельчения сырья при получении порошкообразных концентратов для безалкогольных напитков/Б. И. Веркин, Р. Ю. Павлюк, Г. И. Максименко и др.//Обзорная информация. Серия 22. Пивоваренная и безалкогольная промышленность. -АгроНИИТЭИПП. -М. -1988. -Выпуск 8. -28 с.
- Павлюк Р.Ю. Освоение новых безотходных технологий витаминных фитодобавок и новых продуктов для имунопрофилактики населения/Р. Ю. Павлюк//Обзорная информация. Серия 22. Пивоваренная и безалкогольная промышленность. -АгроНИИТЭИПП. -М. -1996. -Выпуск 2. -24 с.
- Павлюк Р.Ю. Нанотехнологiї заморожених крiопаст iз плодiв та овочiв з унiкальними характеристиками -добавок для функцiональних молочних продуктiв/Р. Ю. Павлюк, В. В. Погарська та iн.//Молокопереробка. -2010. -№1. -С. 24-29.