Исследование пенообразующих свойств молочного сырья с арабиногалактаном

Создание пищевых продуктов c заданными характеристиками качества необходимо для коррекции пищевой ценности рационов индивидуальных потребителей. Например, у больших групп населения Российской Федерации на протяжении последних десятилетий выявлено недостаточное количество полноценных белков и пищевых волокон в рационе. По этой причине комбинирование молочного сырья как источника белка животного происхождения и различных пищевых волокон – это популярное направление современной пищевой промышленности.

С целью комплексного использования молочного сырья в работе исследованы продукты переработки молока: обезжиренное молоко, пахта и сыворотка.

Из предлагаемых на рынке ингредиентов перечня пищевых волокон выбран арабиногалактан, поскольку в Российской Федерации налажено промышленное производство этого пищевого волокна.

При исследовании физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана в интервале концентраций от 1,5 до 10,0 % было установлено, что массовая доля арабиногалактана положительно коррелировала с плотностью и вязкостью систем [1]. Оба показателя могут оказать влияние на текстурные свойства пищевого сырья, например на поверхностно-активные характеристики молока и продуктов его переработки.

Цель данной работы – изучение влияния арабиногалактана на поверхностно-активные свойства молочного сырья для последующего создания специализированной молочной продукции.

Материалы и методы

В исследовании использованы побочные продукты промышленной переработки сборного коровьего молока:

• -    обезжиренное молоко, полученное в результате отделения молочного жира от молока путем сепарирования;

• -    пахта, полученная в производстве сладкосливочного масла;

• - сыворотка, полученная в производстве творога.

Растворимые пищевые волокна арабиногалактан – продукт глубокой переработки древесины лиственницы торговой марки «Лавитол» российского производства ЗАО «Аметис» г. Благовещенск.

Навески арабиногалактана вносили в молочное сырье при температуре (20±1) °С из расчета 1,5–10,0 г на 100 г смеси. Исследуемый диапазон концентраций арабиногалактана составлял от 15 до 100 % рекомендуемого адекватного уровня суточного потребления для взрослых.

Состав молочного сырья определяли с применением инфракрасного анализатора [2], активную кислотность - потенциометрическим методом [3].

Отношение массовой доли белкового компонента к углеводному в системах молочного сырья с арабиногалактаном находили расчетным методом.

Процесс сбивания проводили миксером мощностью 300 Вт при температуре (20±1) °С. Продолжительность сбивания составляла 1 или 5 мин. Скорость вращения лопастей миксера составляла 1500 об/мин.

Состояние дисперсных систем оценивали визуально.

Взбитость определяли по отношению объема полученной пены к объему исходной смеси по формуле 1:

^сх где Vп – объем пены;

Vисх – объем исходной смеси.

Пеностойкость определяли в секундах как время уменьшения объема пены на 50 %.

Соотношение в образцах белкового компонента к углеводному определяли по формуле:

Т'        W6

где Кб/у – соотношение белкового компонента к углеводному;

Wб – массовая доля белка в образце, %;

Wл – массовая доля лактозы в образце, %;

Wа – массовая доля арабиногалактана в образце, %.

Результаты и обсуждение

Состав и физико-химические показатели продуктов переработки молока соответствовали требованиям стандартов [4, 5, 6]. В таблице 1 представлен макронутриентный состав обезжиренного молока, пахты и сыворотки.

Таблица 1 – Физико-химические показатели молочного сырья

Молочное сырье	жир	Массовая доля, % белок    лактоза		СВ
Обезжиренное молоко	0,20±0,01	3,16±0,02	4,70±0,12	8,06±0,43
Пахта	0,34±0,04	3,09±0,01	4,21±0,26	7,64±0,21
Сыворотка	0,06±0,02	0,46±0,04	4,12±0,02	4,64±0,04

После внесения в образцы арабиногалактана в них изменилось соотношение между белковым и углеводным компонентом, определяемое по формуле 2 (таблица – 2). В результате увеличения массовой доли углеводного компонента соотношение белкового компонента к углеводному уменьшалось во всех образцах с арабиногалактаном. Этот показатель может косвенно указывать на синергический или антагонистический эффект, оказываемый белками молока и арабиногалактаном на поверхностно-активные свойства изучаемых систем.

Таблица 2 – Соотношение в образцах белкового компонента к углеводному

Массовая доля арабиногалактана, %	Обезжиренное молоко	Пахта	Сыворотка
0,0	0,67	0,73	0,11
1,5	0,51	0,54	0,08
3,0	0,41	0,43	0,06
5,0	0,33	0,34	0,05
7,0	0,27	0,28	0,04
10,0	0,21	0,22	0,03

Ранее при исследовании физико-химических свойств арабиногалактана было выявлено снижение активной кислотности его водных растворов по мере увеличения гидроколлоида в образцах [1]. В обезжиренном молоке, пахте и сыворотке подобной взаимосвязи не выявлено, поскольку колебания реакции среды незначительно выходили за пределы погрешности метода (таблица 3).

Таблица 3 – Влияние арабиногалактана на активную кислотность воды и молочного сырья

Массовая доля арабиногалактана, %	Активная кислотность, единицы рН Обезжиренное        Пахта       Сыворотка молоко
0,0	6,48±0,04	6,50±0,04	4,15±0,04
1,5	6,47±0,04	6,49±0,04	4,14±0,04
3,0	6,46±0,04	6,49±0,04	4,13±0,04
5,0	6,43±0,04	6,48±0,04	4,12±0,04
7,0	6,39±0,04	6,45±0,04	4,10±0,04
10,0	6,37±0.04	6,41±0,04	4,08±0,04

Как следует из таблицы 3, активная кислотность молочного сырья почти не изменялась после растворения в нем арабиногалактана. Следовательно, кислотность арабиногалактана, вносимого в обезжиренное молоко, пахту и сыворотку в количестве от 1,5 до 10,0 %, была нивелирована благодаря буферной емкости белков молочного сырья.

Состояние дисперсных систем, получаемых на основе исследуемого молочного сырья, было различным. Пены на основе молочной сыворотки имели крупнодисперсную консистенцию быстро опадающую, с коротким сроком жизни. Пены на основе обезжиренного молока и пахты были крупно дисперсными и медленно опадающими, что указывает на более высокую пеностойкость.

Установлено, что пенообразующая способность всех образцов увеличивалась с повышением массовой доли арабиногалактана и положительно коррелировала с белково-углеводным соотношением систем, как показано на рисунке 1 .

а

б

Соотношение белкового компонента к углеводному

■ 1 минута ■ 5 минут

в

Рисунок 1 – Показатели взбитости молочного сырья при разной продолжительности процесса: а – обезжиренное молоко, б – пахта, в – сыворотка

По полученным данным, величина взбитости обезжиренного молока и пахты до нескольких раз превышала этот показатель в сыворотке. Также в условиях эксперимента установлено, что для увеличения объема пены в системах с обезжиренным молоком и пахтой удлинение процесса сбивания до 5 минут было особенно эффективно, в то время как в сыворотке этот временной фактор не имел настолько существенного значения.

Для технологических процессов производства продуктов со взбитой структурой большое значение имеют не только пенообразующие способности сырья, но и свойства, обеспечивающие увеличение продолжительности жизни пены. В условиях эксперимента установлено, что стойкость пен, получаемых в обезжиренном молоке, пахте и сыворотке, в присутствии арабиногалактана возрастала с увеличением продолжительности сбивания с 1 мин до 5 мин (таблица 4) .

Таблица 4 – Пеностойкость образцов с арабиногалактаном в зависимости от продолжительности сбивания

Массовая доля арабиногалактана, %	Обезжиренное молоко Время    Время сбивания сбивания 1 мин, с 5 мин, с		Пахта Время   Время сбивания сбивания 1 мин, с 5 мин, с		Сыворотка Время    Время сбивания сбивания 1 мин, с 5 мин, с
0,0	215±4	267±4	206±4	253±4	28±1	35±1
1,5	262±4	318±4	252±4	310±4	32±1	35±1
3,0	268±4	373±4	255±4	360±4	65±1	78±1
5,0	275±4	447±4	260±4	425±4	123±1	132±1
7,0	278±4	554±4	266±4	490±4	125±1	140±1
10,0	316±4	622±4	310±4	610±4	115±1	135±1

По полученным данным, стойкость пен до нескольких раз больше в образцах обезжиренного молока и пахты с арабиногалактаном, в которых отношение массовой доли белкового компонента к углеводному составляло 0,21–0,67 и 0,22–0,73, соответственно (см. табл. 2). Меньшие пенообразующие способности сыворотки с арабиногалактаном и более низкие значения отношения массовой доли белкового компонента к углеводному в этих образцах от 0,03 до 0,11 указывают на то, что в системах на основе сыворотки внесение арабиногалактана не было столь значительным для увеличения пеностойкости, как массовая доля белка.

Выявленные в исследовании отличия поверхностно-активных свойств обезжиренного молока, пахты и сыворотки в присутствии арабиногалактана можно объяснить несколькими факторами.

Во-первых, лучшие пенообразующие способности обезжиренного молока и пахты обусловлены более высоким содержанием общего белка в этих системах по сравнению с сывороткой. Это хорошо согласуется с предыдущими исследованиями, показавшими, что повышение содержания сывороточного белка в системе способствует продлению жизненного цикла пены в сравнении с исходной сывороткой [7, 8]. Стойкость кислородных пен в сыворотке можно также повысить использованием камедей [9].

Во-вторых, на пенообразующие и стабилизирующие пену свойства оказал влияние белковый состав исследованного молочного сырья. Как известно, довольно лабильные молочные белки под действием механического воздействия дестабилизируются и благодаря своей амфифильной природе мигрируют к поверхности раздела фаз «вода – воздух», способствуя формированию пенной структуры [10, 11]. Наличие в обезжиренном молоке и пахте и казеина, и сывороточных белков в присутствии арабиногалактана, видимо, было эффективнее для поддержания дисперсной структуры типа «воздух в воде», чем только сочетание сывороточных белков и арабиногалактана. Доменная структура казеиновых фракций более располагает к проявлению поверхностно-активных свойств, чем равномерное распределение зарядов в полипептидной цепи сывороточных белков [12].

В-третьих, кислое значение реакции среды в сыворотке было менее благоприятно для пенообразования систем с арабиногалактаном, чем близкое к нейтральному в обезжиренном молоке и пахте. Возможно, благодаря нейтрализации карбоксильных групп арабиногалактана путем перекрестных сшивок через кальций с казеином пленки на поверхности раздела фаз в обезжиренном молоке и пахте были более прочными и препятствовали коалесценции воздушных пузырьков.

Выводы

Фактор термодинамической неустойчивости пен обусловлен относительно крупными размерами воздушных пузырьков этих дисперсных систем. Поэтому технологические приемы, способствующие повышению качества и жизненного цикла пен, имеют важное прикладное значение. Результаты исследования планируется использовать при создании пищевых систем со взбитой структурой на основе молочного сырья и арабиногалактана.