Исследование влияния псиллиума на условную и эффективную вязкости творожной сыворотки

Переработку cыворотки в молочной промышленности без преувеличения можно признать кризисом отрасли. Примерно 70‒80 % молочной сыворотки, не используемой на пищевые цели, фактически представляют собой потери лактозы, белка, молочной кислоты и различных биологических активных соединений. Подсчитано, что в стоимостном выражении ежегодный ущерб от этих потерь достигает 98 млрд руб. [1]. Современная экономически обоснованная переработка сыворотки предполагает ее фракционирование с помощью мембранных процессов, однако по разным причинам в РФ эти технологии освоены крайне ограниченно [2, 3]. Тем не менее объем производства сыворотки, по мнению аналитиков, в ближайшей перспективе будет нарастать.

С учетом этого любая возможность сохранения сыворотки в пищевой цепи является актуальной. На наш взгляд перспективным направлением переработки жидкой сыворотки является ее загущение с помощью натуральных пищевых агентов и производство желированных продуктов. Традиционно с этой целью в пищевой промышленности использовали желатин, пектин, агар-агар, крахмал и продукты его переработки.

Относительно недавно на отечественном рынке появился новый желирующий агент псиллиум. Это ингредиент растительного происхождения, получаемый из семян растения рода Plantago: Planta-goovata (подорожника яйцевидного).

Приоритет использования псиллиума, пожалуй, принадлежит медицине. На основе растительных пищевых волокон из оболочки семян подорожника овального (Plantago ovata), известных также как псиллиум (psyllium), создан лекарственный препарат Мукофальк®, отвечающий всем характеристикам пребиотических препаратов. Описано более 50 рандомизированных клинических исследований препаратов на основе псиллиума, которые хорошо зарекомендовали себя в гастроэнтерологической практике [4]. Клинически установлено, что длительный прием псиллиума на протяжение шести месяцев не влияет на всасывание витаминов и минеральных веществ, что очень благоприятно для обмена веществ в организме [5].

Пищевые волокна псиллиума состоят из трех фракций, каждая из которых обеспечивает лечебный эффект при различных нарушениях функций кишечника (табл. 1). Гельформируюшая фракция псиллиума, представляющая собой высокоразветвленный арабиноксилановый олигосахарид, является медленно ферментируемым пребиотиком, и оказывает бифидогенный эффект на более дистальные части толстой кишки, таким образом расширяя зону действия псиллиума [6].

Таблица 1 – Характеристика фракционного состава волокон псиллиума

Фракция	Массовая доля, %	Характеристика	Функция при переваривании в кишечнике
A	30	Растворима в щелочной среде, неферментируемая бактериями	Обеспечивает нормализующее моторику действие
В	55	Высокоразветвленный арабиноксилан, частично ферментируемый	Связывает желчные кислоты, способствуя тем самым снижению уровня холестерина; при диарее обеспечивает закрепляющее действие за счет связывания излишков воды и энтеротоксинов
C	15	Вязкая и быстроферментируемая кишечными бактериями	Проявляет пребиотическое действие, стимуляцией роста бифидо- и лактобактерий и активным образованием короткоцепочечных жирных кислот, являющихся основным источником энергии для эпителия толстой кишки

Высокое содержание пищевых волокон в псиллиуме – до 80‒85% представляет научный и практический интерес в технологическом плане. Как видно из таблицы 1, большую часть пищевых волокон псиллиума составляет нерастворимая в воде фракция, которая может обеспечить структурирование жидких пищевых систем. Следовательно, используя псиллиум в рецептурах для желирования продуктов можно, одновременно достичь, их обогащения пищевыми волокнами.

В научной литературе и технологической практике есть примеры использования псиллиума в производстве киселей, батончиков для перекуса, безглютенового хлеба, вареной колбасы [7‒10]. Однако для загущения молочной сыворотки псиллиум ранее не использовали. Новизна исследований заключается в изучении влияния псиллиума на показатели условной и эффективной вязкости систем на основе творожной сыворотки.

Цель работы состояла в изучении степени загущения творожной сыворотки путем добавления разных количеств псиллиума.

Объектами исследования служили:

‒ волокна псиллиума в виде порошка (изготовитель ИП Семисотов А.В., г. Лобня, Московская область);

‒ сыворотка, получаемая от производства творога на непрерывно- поточной линии (АО «Учебно-опытный молочный завод» ВГМХА им. Н.В. Верещагина)

‒ модельные системы из сыворотки и псиллиума.

Исследования проводили с использованием стандартных методов. Состав сыворотки анализировали на приборе Milkoskan FT методом инфракрасной спектроскопии. Активную кислотность определяли потенциометрическим методом с помощью рН-метра марки pH-150МИ [11]. Титруемую кислотность - титриметрическим методом с применением индикатора фенолфталеина [12].

Критериями загущения сыворотки в присутствии псиллиума служили показатели вязкости.

Условную язкость сыворотки с псиллиумом определяли по времени истеченияопределенногообъемаобразцаизлабораторноговискозиметра В3-246.

Эффективную вязкость исследовали с помощью измерительного устройства S 3 и S 2 на ротационном вискозиметре марки «Реотест 2.1». Расчет эффективной вязкости вели по формуле 1:

где h – эффективная вязкость, Па∙с;

т - сдвигающее напряжение, 10-1 Па;

у - скорость сдвига, с-1.

Статистическую обработку результатов вели по данным трех повторностей с использованием пакета программ Microsoft Excel.

Экспериментальным путем установлено, что сыворотка творожная, соответствовала требованиям стандарта [13]. Массовая доля жира в сыворотке была (0,08±0,02) %, белка – (0,73±0,04) %, лактозы – (4,57±0,02) %. Общее содержание сухих веществ в сыворотке колебалось от 5,52 до 5,56 %. Сыворотка имела титруемую кислотность (60±2,00) °Т и активную – (3,96±0,05) единиц рН.

По данным производителя, указанным на упаковке, содержание пищевых волокон в псиллиуме составляло 80 %. Согласно нормативной документации, пищевой продукт является источником пищевых волокон, если их содержание в жидкости составляет не менее 1,5 г на 100 мл [14]. С учетом этой информации и на основании пищевой ценности псиллиума, для формирования модельных систем выбран интервал варьирования данного ингредиента от 2 до 4 %.

Модельные системы готовили следующим образом. В пять лабораторных стеклянных стаканчиков вместимостью 120 см3 вносили навески псиллиума в диапазоне от 2,0 до 4,0 г с шагом 0,5 г. К навескам при осторожном помешивании приливали по 100 см3 творожной сыворотки с температурой (20±2) оС. Пробы тщательно перемешивали и оставляли в покое при этой же температуре для набухания пищевых волокон на 15 минут.

Творожнаясывороткапредставляетсобойслабоструктурированную коагуляционную систему [3]. После набухания псиллиума в сыворотке модельные смеси, по-прежнему, представляли собой подвижные, но гораздо более вязкие жидкости, чем исходная сыворотка. Внешне образцы выглядели непрозрачными, имели светло-кремовый цвет, также в них были заметны частицы нерастворимых пищевых волокон.

С увеличением в модельных растворах массовой доли псиллиума даже визуально было замечено повышение вязкости, что подтверждено приборными методами.

Образцы имели выраженный сывороточный вкус, это говорит о том, что псиллиум практически не оказывает влияния на вкусовые характеристики модельных растворов.

Результаты исследования условной вязкости модельных растворов в зависимости от доли вносимого псиллиума представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 — Условная вязкость сыворотки в зависимости от содержания в ней псиллиума

Математической обработкой результатов, полученных при определении условной вязкости, установлена полиноминальная зависимость, описываемая уравнением:

Y = 2,6757x2 – 9,0963x + 10,08.

Как видно на рисунке 1, при внесении 3,5 и 4,0 % псиллиума условная вязкость многократно увеличилась по сравнению с образцами, содержащими от 2,0 до 3,0 % псиллиума.

Реологические свойства изучали по изменению эффективной вязкости, определяющей технологические свойства дисперсных систем.

Методом ротационной вискозиметрии получены скоростные характеристики модельных образцов, графические и математические зависимости которых представлены, соответственно, на рисунке 2 и в таблице 2.

Рисунок 2 — Скоростные характеристики модельных образцов с разным содержанием псиллиума

Установлено, что эффективная вязкость творожной сыворотки с псиллиумом ( h , мПахс) зависит от скорости деформации ( g , с -1 ) и подчиняется степенной зависимости Оствальда-де-Виля. Показатель степени, основанием которой является скорость сдвига (деформации), называют темпом разрушения структуры (m).

Таблица 2 – Математические зависмости эфффективной вязкости от скорости деформации модельных образцов

Массовая доля псиллиума, %	Уравнение зависимости	Коэффициент достоверности аппроксимации, R2
2,0	η = 1057,3 γ - 0,427	0,9608
2,5	η = 1488,7 γ - 0,465	0,9846
3,0	η = 2126,9 γ - 0,5	0,9925
3,5	η = 4641 γ - 0,451	0,9934
4,0	η = 8714 γ - 0,555	0,9981

Поскольку графические зависимости разрушения структур в ходе нарастания нагрузки тесно соприкасаются друг с другом в большей части диапазона скоростей, рисунок 2 имеет слабую информативность. Для выявления влияния массовой доли псиллиума на эффективную вязкость сыворотки выполнено логарифмирование экспериментальных данных.

После логарифмирования влияние скорости сдвига на эффективную вязкость сыворотки с разным содержанием псиллиума приняло линейную форму зависимости (табл. 3; рис. 3).

Таблица 3 – Данные по скоростным характеристикам модельных образцов

Массовая доля псиллиума, %	Уравнение	Коэффициент достоверности аппроксимации, R2	tg β
2,0	lgη = -0,4516 lgγ + 3,1519	R 2 = 0,9645	0,4516
2,5	lgη = -0,4801 lgγ + 3,3	R 2 = 0,9853	0,4801
3,0	lgη = -0,5003 lgγ + 3,4476	R 2 = 0,9887	0,5003
3,5	lgη = -0,4267 lgγ + 3,9657	R 2 = 0,996	0,4267
4,0	lgη = -0,5634 lgγ + 4,3461	R 2 = 0,9853	0,5634

Рисунок 3 — Зависимость эффективной вязкости модельных образцов от скорости деформации

На графиках (рис. 3) видно, что наибольшей вязкостью обладал образец, содержащий 4 % псиллиума.

В качестве оценки прочностных свойств принят угловой коэффициент [15]. Судя по наименьшему значению тангенса угла, а, следовательно, и меньшему индексу течения, наибольшими прочностными свойствами обладали образцы, содержащие 3,5 % псиллиума. Далее по убыванию следовали образцы, содержащие соответственно 2,0; 2,5; 3,0 и 4,0 % псиллиума.

На основании выполненных исследований можно сделать несколько выводов.

В интервале массовой доли псиллиума от 2,0 до 4,0 % образцы творожной сыворотки сохраняли хорошие вкусовые характеристики, текучесть, но становились более густыми.

Внесение псиллиума в творожную сыворотку при дальнейшем термостатировании образцов при (20±2) оС в течение 15 минут вело к нелинейному увеличению условной вязкости систем относительно добавленного псиллиума.

С точки зрения физико-механических свойств системы на основе творожной сыворотки и псиллиума в условиях эксперимента были охарактеризованы как псевдопластичные структуры.

По результатам анализа эффективной вязкости модельных образцов в зависимости от скорости деформации наилучшими прочностными свойствами обладали образцы, содержащие 3,5 % псиллиума.

Работы планируется продолжать в направлении исследования псиллиума разных производителей, а также в плане изучения сочетания данного ингредиента с другими видами молочного сырья для возможности создания обогащенных пищевых продуктов.