Исследование влияния акустического воздействия ультразвука на формирование потребительских свойств йогуртов

В мировом научном сообществе наблюдается рост интереса к инновационным подходам в технологиях пищевых производств нацеленных, прежде всего на интенсификацию технологических процессов. Вместе с тем значительную долю в ассортиментном предложении на потребительском рынке занимает сегмент продукции, ориентированной для здорового питания. Такие продукты позиционируются как функциональные, способствующие сохранению здоровья, предотвращающие ряд заболеваний и увеличивающие продолжительность жизни [4, 7, 8].

Особое место в этом ряду занимает молочная продукция, среди которой выделяют кисломолочные продукты - это «живые продукты», содержащие в составе молочнокислые бактерии, подавляющие рост и развитие болезнетворных и гнилостных микроорганизмов в организме человека. Кисломолочные продукты не только благоприятно влияют на нормальную микрофлору кишечника, но и выполняют функции обеспечения организма необходимыми эссенциальными и биологически активными веществами.

В технологии производства функциональных молочных продуктов и исследования их свойств значительный вклад внесли отечественные ученые: А.Г. Храмцов, В.Д. Харитонов, З.С. Зобкова, H.A. Тихомирова, JI.A. Забодалова, И.А. Смирнова, Д.М. Захарова и другие.

В настоящее время разработаны новые технологии производства йогурта, направленные на: повышение пищевой и биологической ценности продукта, расширение диапазона профилактических свойств, при сохранении традиционных органолептических показателей йогурта [1–3].

К минорным БАВ кисломолочных продуктам, полученным на основе заквасок молочнокислых бактерий, можно отнести кефи-ран. Кефиран – это экзополисахарид, который производится некоторыми молочнокислыми бактериями, состоит из остатков глюкозы и галактозы (рис. 1) примерно в равном соотношении (1:1).

Известно, что кефиран влияет на реологические свойства кисломолочного продукта, выполняет функции стабилизатора, эмульгатора и вдагоудерживающей системы. Кефи-ран обладает иммуномодулирующим, противоопухолевым, противовоспалительным, про-тивоастматическим, ранозаживляющим действием. Он способствует снижению кровяного давления и уровня холестерина в крови за счет связывания гепатоэнтерально циркулирующего холестерина в кишечнике. Обладает ингибирующим действием в отношении патогенных микроорганизмов рода Salmonella, Helicobacter, Shigella, Staphylococcus, и Escherichiacoli [12–14, 16].

Экстракция данного минорного БАВ в промышленных масштабах и последующее его применение в технологии молочных продуктов представляется весьма сложной и дорогостоящей, поэтому интерес представляют более простые в техническом отношении методы. В настоящее время существуют решения биосинтеза кефирана с использованием определенных штаммов, выделенных из кефирных грибков, при культивировании на питательной среде заданного состава [9, 15].

Одним из перспективных подходов к решению различных технологических задач в пищевой отрасли является ультразвуковое кавитационное воздействие на гетерогенные пищевые среды с жидкой фазой. Возможности использования ультразвука различной мощности и применимости его в технологиях пищевых производств представлены в работах А.Г. Галстяна, С.Д. Шестакова, О.Н. Красули,

И.Ю. Потороко, M.Ashokkumar, Bogdan Zisu, Jian-Yong Wu, K.S. Suslick, F.Grieser и других ученых.

Применение ультразвуковых кавитационных технологий, по сравнению с известными физическими способами, имеет ряд существенных преимуществ, обусловленных совокупностью специфических эффектов, которые оказывают комплексное действие, направленное на интенсификацию технологического процесса формирования потребительских свойств. Установлено, что в результате кавитационных процессов внутри жидкости возникают определенные эффекты:

– сильные акустические сигналы на частоте, равной половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию;

– ускорение протекающих химических реакций либо инициирование новых;

– интенсивные микропотоки и ударные волны, которые ведут к механическим перемешиваниям внутренних слоев жидкости;

– разрыв химических связей макромолекул;

– ультразвуковое свечение и различные биологические эффекты [8, 11].

Цель исследования: установление влияния акустических эффектов ультразвуковой кавитации на накопление полисахарида кефи-рана в йогуртах, как фактора определяющего их потребительские свойства и пищевую ценность.

Материалы и методы исследования

В качестве акустического источника упругих колебаний использовался аппарат ультразвуковой технологический «Волна» модель УЗТА-О,4/22-ОМ (частота механических колебаний (22 ± 1,65) кГц).

При изучении воздействия ультразвуко-

Рис. 1. Химическая структура кефирана

вой кавитации на содержание кефирана использовали обработанное в разных режимах восстановленное молоко-сырье, на основе которого были получены йогуртовые продукты. Для заквашивания продукта применялась заквасочная культура прямого внесения LYOBAC YOYO 28 компании «MOFIN ALCE GROUP», Италия. В состав используемой закваски входят: Streptoсoссus salivarius ssp. thеrmophilus, Laсtobaсillus delbrueсkii ssp. bulgariсus. В процессе сквашивания главную роль играют Streptoсoсоus salivarius ssp. Thеrmophilus, обеспечивающие высокую вязкость продукту. Наличие Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus улучшает и ускоряет процесс сквашивания, уменьшая вероятность развития посторонней микрофлоры. Придают продукту очень густую консистенцию с мягким, сливочным вкусом и ароматом.

Для каждого из объектов исследования были установлены разные условия ультразвуковой обработки по вариации мощности и продолжительности воздействия.

Контроль – йогурт на восстановленном по традиционной технологии молоко-сырье: сухое молоко добавляется в воду температурой 38…45 °С, перемешивается и выдерживается в течение 3 часов.

Образец 1 – йогурт на восстановленном молоко-сырье, с применением воды, предварительно обработанной ультразвуком частотой 240 Вт, в течение 3 минут (режим 1) (условное обозначение 240-3).

Образец 2 – йогурт на восстановленном молоко-сырье, с применением воды, предварительно обработанной ультразвуком частотой 180 Вт, в течение 3 минут (режим 2) (условное обозначение 180-3) [5].

Исследование проводилось по комплексу органолептических и физико-химический показателей:

• -    титруемую кислотность молочного сырья и продуктов переработки определяли титрометрическим методом с применением индикатора фенолфталеина (ГОСТ 3624);

• -    активную кислотность определяли потенциометрически с помощью рН-метров: рН150, WTW pH/Cond 340І и стеклянного электрода ЭСЛ-15-11 в паре с хлорсеребряным ЭВЛ-1М4 (по ГОСТ 26781);

• -    динамическая вязкость изучалась посредством определения предельного напряжения сдвига, на вискозиметре ротационном Brookfield DV-III Ultra. Диапазон вязкости

определяли от 1 mPas до 6×106 mPas, диапазон скоростей – 0,01…250 об/мин;

• -    определение степени синерезиса кисломолочных напитков устанавливается путем измерения количества сыворотки, выделившейся за 1 час свободного фильтрования 100 см³ продукта;

• -    количественное определение полисахарида (кефирана) по методике согласно патенту RU 2437092 C1. Метод основан на получении раствора, с последующим осаждением полисахарида спиртом или ацетоном при центрифугировании, промывание осадка и полный гидролиз полисахарида с последующей нейтрализацией гидроксидом натрия и определение содержания полисахарида по градуировочному графику.

Массу полисахарида в исследуемом продукте находят по уравнению регрессии градуировочного графика для глюкозы:

m = 66,238·A + 58,661, (1) где m – масса полисахарида (глюкозный эквивалент), мкг; А – значение оптической плотности.

Результаты и их обсуждение

Исследуемые образцы йогуртов имели явные различия по органолептическим показателям, что указывало на влияние акустического воздействия УЗ на качество йогуртовых сгустков, полученных при внесении заквасок при соблюдении традиционных технологий получения продукта (скашивание в течение 8 часов при температуре 40 °С). Ультразвуковое воздействие упрочило сгусток, так, образцы йогуртов, полученные по модифицированным технологиям, имели однородный сгусток без признаков отделения сыворотки, даже после сдвига части продукта шпателем. Результаты оценки по показателю «вкус и запах» лежат в зоне приемлемых значений, однако имеют отличия по выраженности и характерности.

Для оценки структурно-механических и синеретических свойств образовавшихся кислотных сгустков оценивали показатели вязкость и степень синерезиса (рис. 2).

Структурно-механические свойства йогуртовых сгустков (влагоудерживающая способность, синергетические свойства) зависят в большей степени от технологических свойств молочного сырья, режимов тепловой и механической обработки.

Переход коллоидной системы молока из свободнодисперсного состояния (золя) в связнодисперсное (гель) обусловлено кислотной коагуляцией казеина и гелеобразованием [6, 17]. По данным П.А. Ребиндера, в коагуляционных структурах частицы удерживаются межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса–Лондона). Между частицами остаются тонкие прослойки дисперсной среды, что придает структуре эластичность и пластичность. Для них характерны тиксотропия и синерезис [8].

Применение ультразвуковой обработки на этапе подготовки молочного сырья к сквашиванию повлияло на устойчивость сгустка к самопроизвольному уплотнению структуры. Исследование динамики отделения сыворотки от сгустка (рис. 3) при оценке способности к синерезису показало, что отделение сыворотки проходило с разной скоростью, особенно это проявилось через 15 минут наблюдений.

режимы УЗ В

□ синерезис, мл И вязкость,mPa

Рис. 2. Соотношение показателей вязкости и синерезиса йогуртовых сгустков при различных режимах УЗВ

—♦— режим 2

—■— режим 1

контроль

Рис. 3. Динамика синерезиса сгустков йогуртов при различных режимах УЗВ и без УЗВ (контроль)

Сгусток контрольного образца слабо удерживал сыворотку, через 15 минут объем истечения составил 31 мл.

В следующие периоды наблюдений объем истечения находился в диапазоне от 8 до 2 мл. Наименьший объем отделившейся сыворотки был у образцов йогуртов, полученных на основе восстановленного при режиме ультразвуковой обработке 180-3. Так, применение УЗВ в режиме 3 мин при 180 Вт мощности снизило отделение сыворотки от сгустка на 20 %, что согласуется с визуальными наблюдениями.

Истинно растворенные соли и лактоза, а также сывороточные белки оказывают лишь незначительное влияние на вязкость молока-сырья. При повышении рН среды ее вязкость увеличивается, поскольку набухают мицеллы казеина. С возрастанием объемной доли

фракций вязкость снижается, что, возможно, обусловлено увеличением концентрации составных частей молока и изменением гидродинамического объема за счет гидратации или изменения структуры частиц. Вязкость молока зависит в основном от дисперсности мицелл казеина и жировых шариков, степени их гидратации и агрегирования. По мнению Горбатовой К.К., сывороточные белки и лактоза незначительно влияют на вязкость молока. Решающее значение, по мнению А. Тепел, имеют объемная доля фракции диспергированных и растворенных составных частей молока [3, 8]. В связи с чем определение показателя вязкости может в некоторой степени объяснить влияние ультразвукового воздействия на влагоудерживающую способность белковых сгустков. Значения показателей вязкости в исследуемых образцах йогуртов (рис. 4)

Рис. 4. Показатели вязкости сгустков и массовой доли кефирана йогуртов при УЗВ и без обработки (контроль)

варьируется в диапазонах: контрольные образцы (без УЗ обработки) – 9,33…10,5 mPas; образцы йогуртов УЗВ режим 1 – 13,31…15,02 mPas; образцы йогуртов УЗВ режим 2 – 4,09…4,79 mPas. Таким образом полученные данные позволяют говорить об увеличении постоянной вязкости йогуртов, обработанных УЗ в режиме 1 и снижении при обработке УЗ в режиме 2. Однако снижение вязкости при втором режиме УЗВ в совокупности с высокой влагоудерживающей способности сгустка обеспечивает хорошие органолептические характеристики продукта, возможно за счет накопления ЭПС микробного происхождения.

Для дальнейшей работы в направлении создания йогурта с выраженным функциональным действием необходимо определить оптимальные условия накопления бактериальных полисахаридов (кефирана). Соотношение показателя вязкости сгустков и массовой доли кефирана в образцах йогуртов при различных режимах УЗВ представлено на рис. 4.

ЭПС кефиран синтезируется на поверхности наружной мембраны клетки, причем образует когезионно связанный слой в виде полисахаридной капсулы, обеспечивая поверхности клетки гидрофильные свойства. В работе Правдивцевой М.И. доказана биологическая активность ЭПС бактерий рода Lactobacillus и перспективы их использования. На реологические свойства йогуртов влияют экзополиса-хариды (ЭПС) микробного происхождения, их способность формировать гели зависят от молекулярной массы полимера и соотношения углеводных мономеров. Соотношение этих мономеров в бактериальных ЭПС варьирует в зависимости от вида (штамма) и условий культивирования бактерий.

При использовании ультразвукового воздействия для восстановления молока-сырья наблюдается увеличение массовой доли кефирана. Так, при использовании режима 1 его содержание увеличивается на 73,5 мкг/г (на 30 %) по сравнению с контролем. При УЗВ в режиме 2 замечено менее значительное возрастание массовой доли кефирана: в среднем на 8,9 мкг/г (на 5%) по отношению к контролю.

Заключение

В процессе исследования было доказано, что применение акустических эффектов УЗ в модернизации технологии восстановленных продуктов переработки молока обеспечивает повышение их качества, улучшение функциональных свойств продукта.

Данные, полученные в ходе работы, дают основание для использования УЗВ в технологии йогуртовых продуктов, как новый подход, который позволяет обеспечить потребителей функциональной продукцией высокого качества.

Учитывая технические возможности настойки режимов воздействия аппарата, оптимальным режимом УЗВ можно считать следующие параметры воздействия в технологии йогуртов, полученных на основе восстановленного молока:

• •    для максимального продуцирования ке-фирана в йогуртах режим УЗВ мощность 240 длительность воздействия 3 минуты;

• •    для показателя вязкость йогуртов мощность 240 длительность воздействия 3 минуты.