Инновационные подходы в технологии молочных продуктов на основе эффектов кавитации

В современных промышленных технологиях значительная роль отводится нетрадиционным способам обработки, которые выполняют разнообразные функции - способствуют интенсификации производства, улучшают функциональные свойства продовольственного сырья и полученных на его основе пищевых продуктов, повышают их хранимоспо-собность, позволяют внедрять ресурсо- и энергосберегающие технологии. Известны способы сверхвысокочастотной обработки в непрерывном и импульсном режиме, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, элек-троконтактный нагрев, обработка в электростатическом поле и пр. Сегодня методы ультразвукового воздействия (УЗВ) определены мировым научным сообществом как особенно перспективная технология для пищевой промышленности в целом и молочной отрасли в частности [7].

Использованию ультразвука в молочной промышленности посвящены работы Mason T.J., Ashokkumar M., Rink R., Suslik K., Villamiel М., Jambrak A.R., Herceg Z., Красули О.Н., Тихомировой Н.А., Потороко И.Ю., Шестакова С.Н., Хмелева В.Н., Дунаева С.А. и др. [6, 13, 14].

Многие инициируемые ультразвуком полезные реакции в растворах пищевых систем, по мнению одного из ведущих специалистов в области пищевой сонохимии Ashokkumar M. (Австралия), базируются на механизмах воздействия кавитации при денатурации биопо- лимеров в их коллоидных растворах, реструктурировании гидратных оболочек ионов в истинных растворах и даже диспергировании фаз золей, то есть при любых процессах, где объектом воздействия являются связи, образованные диполь-дипольными и ион-дипольными взаимодействиями [13].

Доказано, что механические и химические эффекты, генерируемые низкочастотным ультразвуком (УЗ) высокой интенсивности, могут быть полезны для инактивации патогенных микроорганизмов в пищевых продуктах и находят применение в процессах пастеризации и стерилизации жидких пищевых продуктов [1, 2].

Ультразвуковая технология ускоряет процесс экстрагирования биологически активных веществ из сырья, а в сочетании с сорбционными процессами способствует снижению уровня техногенных загрязнений в молоке [3].

Основная идея реализации эффектов, наблюдаемых при ультразвуковом воздействии в пищевой промышленности, состоит в том, что эффекты кавитации вызывают изменения функционально-технологических свойств жидких пищевых систем (химических, технологических, физических, органолептических и т. д.), что способствует достижению определенного технологического эффекта. Технология сонохимической водоподготовки может быть реализована в технологии молочных продуктов из восстановленного и рекомбинированного молочного сырья, а также в производстве молочных, составных и молокосодержащих продуктов [5].

• 1.    Материалы и методы

• 2.    Результаты исследования

В целях установления влияния ультразвуковой кавитации на качество продуктов переработки молока объектами исследования были выбраны молочный продукты, полученные на основе восстановленного и рекомбинированного молочного сырья; кисломолочные продукты, произведенные на основе восстановленного по разработанным технологиям молочного сырья.

В качестве акустического источника упругих колебаний применен реактор кавитационный ультразвуковой (РКУ) (Сертификат соответствия C–RU–TM05.В.00020 ТР 1002178) с пьезокерамическим преобразователем, производитель – ООО «ПрофиРест-Консалт». Производительность установки составляет 0,36 м3/ч, что полностью удовлетво- ряет промышленные потребности предприятий с небольшими объемами переработки. Реализуемый установкой метод обработки основан на использовании явления акустической кавитации, которое порождается упругими гармоническими колебаниями ультразвукового диапазона частоты, распространяемыми в жидкости источником ультразвука.

Сонохимическую водоподготовку осуществляли при мощности 45 %, 60 %, 80 % от паспортной мощности РКУ (1000 Вт) и температуре воды (20 ± 2), (40 ± 2) и (50 ± 2) °С.

В работе применялись стандартные и специальные методы оценки органолептических, физико-химических и микробиологических свойств молочного сырья и молочных продуктов. Для определения различных характеристик установленных объектов использовали действующую нормативную документацию, методы математического моделирования и обработки экспериментальных данных.

Для оценки микроструктуры кисломолочного продукта использовали анализатор Nanotrac Ultra 25 и анализатор Malvern Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments Ltd., Великобритания). Микроскопические исследования осуществляли на просвечивающем электронном микроскопе «Jeol JEM-2100» с разрешением до 0,19 nm. Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке путем корреляционного и прогрессивного анализа, реализованного с помощью стандартных пакетов программ Microsoft Office.

и их обсуждение

В ходе работы проведено исследование влияния ультразвуковой кавитации на интенсификацию процессов восстановления сухих молочных продуктов, скорость течения биохимических процессов и преобразования компонентов восстановленного молочного сырья в технологии кисломолочных продуктов.

Было установлено, что индекс растворимости сухого молока и смесей, восстановленных на подготовленной воде, был на 0,1–0,2 см3 меньше контроля, что свидетельствует о более полном растворении сухих веществ.

Известно, что эффективность процесса восстановления сухого молока, включающего стадии смачивания частиц и их растворения, характеризуется показателями относительной скорости растворения и индекса растворимости. Предварительная обработка воды способ- ствует повышению интенсивности восстановления экспериментальных образцов по сравнению с контрольными (рис. 1). Так, на растворение сухого молока и сухих смесей в обработанной воде было затрачено от 3,0 до 6,0 мин в зависимости от вида восстанавливаемого сырья, а в контрольной воде – от 4,5 до 8,0 мин [4, 11].

Важным фактором, позволяющим обеспечить положительный результат, является выбор правильной точки для приложения воздействия. Исследование в части возможности модификации технологии восстановления сухого обезжиренного молока включением ультразвуковой обработки на этапах подготовки воды, обработки механической смеси воды и сухого обезжиренного молока, а также двухэтапной обработки ультразвуком показало:

– увеличение относительной скорости растворения (на 17,6…39,8 % по отношению к контролю);

– снижение индекса растворимости (на 37,5…75 %).

Более полное восстановление сухого молока отмечено в продукте, прошедшем двухэтапную УЗ-обработку, а также в образце, подвергнутом УЗ-обработке на этапе совмещения сухого обезжиренного молока и воды. Кроме того, достижение требуемой плотности восстановленных молочных продуктов было достигнуто за более короткий срок – 1…1,5 часа (по традиционной технологии время восстановления составляет 3…4 часа). Таким образом, под воздействием ультразвука наблю- дается интенсификация процессов восстановления сухого молока [8, 9].

В образцах восстановленного сырья с использованием сонохимической водоподготовки отмечено незначительное повышение массовой доли сухих веществ, в том числе белка, а также показателей плотности и динамической вязкости. Данные дисперсного состава восстановленного молока (рис. 2 и 3), полученные в Южно-Уральском государственном университете (НИУ) показали эффективность влияния ультразвуковой кавитации на выравнивание частиц белка и лактозы по размеру. Так, под влиянием ультразвуковой кавитации увеличивается доля частиц с размерами в диапазоне 202…243 nm, в то время как контрольный образец характеризуется преобладанием частиц двух размерных фракций частиц размером (409 ± 10) nm и (174 ± 10) nm. При двухэтапной обработке наблюдается максимальное дробление частиц, выявлено значительное количество частицы в размерном ряду (202 ± 30) nm [5, 6].

Дисперсионным анализом частиц цельной творожной сыворотки до и после ультразвукового воздействия, проведенным в Национальном университете пищевых технологий (Киев, Украина), подтвержден диспергирующий эффект ультразвукового воздействия. Анализ экспериментальных данных показал, что кривые распределения частиц в исходной творожной сыворотке имели пики в следующих размерных рядах: первый – до 550 nm, второй – 550–1500 nm, третий – свыше

■ образец восстановленный по класической технологии

■" образец восстановленный на основе эффектов кавитации

Рис. 1. Интенсивность растворения сухих молочных продуктов зависимости от способа водоподготовки, мин

Рис. 2. Кривая распределения частиц в дисперсной системе восстановленного молока без кавитационного воздействия (контроль)

Рис. 3. Кривая распределения частиц в дисперсной системе восстановленного молока при кавитационной обработке воды

1500 nm. После ультразвукового воздействия наблюдалось перераспределение доли частиц в указанных размерных рядах и смещение пиков в диапазон первого и второго размерных рядов [4].

Установлено, что в исходной творожной сыворотке размер частиц находился преимущественно в диапазоне свыше 1,0 µm. Причем доля частиц диаметром более 4,0 µm составляла 54–58 % от их общего объема. Индекс полидисперсности (PdI) был высок и составлял 0,9–1,0. После ультразвукового воздействия система приближалась к монодисперсной, о чем свидетельствовало снижение индекса PdI до 0,371–0,379. Объемная доля частиц размером свыше 550 nm стремилась к нулю и составляла не более 6,0–7,0 % от общего объема частиц.

Образование акустических потоков в среде продукта в ходе протекания кавитацион- ных процессов обусловливает деструктивные изменения оболочек частиц компонентов смеси, по мере протекания данного процесса увеличивается площадь поверхности их соприкосновения с растворителем. Рядом учёных доказано, что под воздействием ультразвукового капиллярного эффекта происходит более интенсивное проникновение воды-растворителя в вещества белковой природы, составляющие значительную долю сухого продукта, что приводит к их более полному и краткосрочному набуханию, способствующему снижению индекса растворимости.

Исследование структурно-механических характеристик показало положительное изменение динамической вязкости и влагоудерживающей способности молочного сгустка в образцах, выработанных с использованием метода акустической кавитации, что можно считать косвенным признаком увеличения степени гидратируемости белка.

Сухие молочные продукты имеют высокую обсеменность, что объясняется кратковременностью нагрева и невысокой температурой при сушке. В них сохраняются все виды споровых микроорганизмов, термоустойчивые неспоровые виды микрококков, стрептококков, некоторые молочнокислые бактерии, а также споры мицелиальных грибов, которые могут вызывать их порчу – прокисание, плесневение даже при значительном увлажнении, а в последствии передаваться в виде пороков в продукты переработки.

Экспериментально подтверждено, что сонохимическая обработка обладает определенным инактивирующим действием на микроорганизмы. Причем на снижение популяции мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) и плесневых грибов оказывали влияние как мощность воздействия, так и температура обрабатываемой УЗ воды (рис. 4). Установлено, что практически полная инактивация микроорганизмов наблюдалась при обработке, когда мощность установки составляла 80 % от паспортной мощности РКУ и температуре (50 ± 2) °С.

Аналогичные результаты были получены при сонохимической обработке цельного коровьего молока, максимальный бактериостатический эффект наблюдался при 100 и 80 % мощности от паспортной. Следует отметить, что бактерии групп кишечной палочки отсутствовали во всех исследуемых образцах воды, обработанной в реакторе.

Полученные нами результаты согласуются с литературными данными и позволяют предположить, что эффекты кавитации при ультразвуковой обработке водной системы продукта приводят к повреждению молекулярных структур клеток и клеточных мембран, что, в свою очередь, обусловливает морфологические изменения и деструкцию клеток с частичной или полной потерей жиз-

■ Температура обработки 20 град.С ■ Температура обработки 40 град С ■ температура обработки 50 град. С

Рис. 4. Зависимость общего числа микроорганизмов от параметров кавитационного воздействия неспособности микроорганизмов.

Примечательно также, что с технологической точки зрения при обработке цельного молока ультразвуком наблюдалось повышение его термоустойчивости на 1 (реже 2) группы по алкогольной пробе.

В технологии кисломолочных продуктов активностью молочнокислого брожения, а также свойствами сгустка, который при этом формируется, во многом определяется качество готовой кисломолочной продукции. Встраивание ультразвуковой обработки в технологическую схему производства диетических кисломолочных напитков показало, что под влиянием эффектов кавитации активизируется заквасочная микрофлора (см. таблицу) и уже через 5 часов сквашивания в продукции, полученной при воздействии ультразвука, наблюдается активное развитие заквасочной микрофлоры. Через десять часов брожения были идентифицированы дрожжи и уксуснокислые бактерии, характерные для симбиотической закваски кефирного грибка [10, 11].

Вязкость сгустков, формирующихся при сквашивании восстановленного на основе УЗВ молочного сырья, связана прежде всего с дисперсностью белковых частиц, т. е. чем она выше, тем более нежная, мягкая консистенция формируется, а также активизацией спиртового брожения, возбудителями которого являются молочные дрожжи. Их накоплению могло способствовать увеличение массовой доли лактозы в обработанных УЗ молочных средах. Вместе с тем некоторое снижение вязкости образцов кисломолочного продукта, полученных по разработанным технологиям, не обусловливает синерезиса продуктов, так они сохраняют устойчивую консистенцию длительное время, что возможно связать с влагоудерживающей способностью молочных белков и прежде всего казеина [5, 12].

По органолептическим показателям образцы кисломолочных продуктов имели некоторые различия в консистенции и оценках запаха и вкуса, были более привлекательными, что согласуется с результатами оценки вязкости и тенденциями в изменении кислотности, характеризующих активность протекания молочнокислого и спиртового брожения.

Заключение

Проведенная работа дает основания рекомендовать сонохимическую обработку с использованием кавитационного ультразвукового реактора в технологии молочных продуктов на этапе: водоподготовки и восстановления сухих молочных продуктов; приготовления растворов труднорастворимых компо-

Визуальная характеристика изменения микрофлоры кисломолочных напитков в течение периода сквашивания

Кисломолочный напиток, полученный на основе УЗВ при восстановлении

Кисломолочный напиток (контроль)

________________ сухого молочного сырья (обезжиренного) ____________ Одноэтапное воздействие Одноэтапное воздействие Двухэтапное на воду на механическую смесь воздействии

Через 5 часов сквашивания

Через 10 часов сквашивания

нентов и внесения стабилизационных систем; в качестве альтернативы термизации молочного сырья с целью замедления микробиологических про цессов, улучшения его качества и продления сроков хранения как самого сырья, так и готового продукта.