Изучение реологических показателей низколактозных молочно-растительных гелей

Производство кисломолочных напитков основывается на технологии микробной ферментации с применением заквасочной микрофлоры, которая трансформирует нутриенты молока, вследствие чего сквашенные продукты обогащаются продуктами микробного синтеза [1] и приобретают определенные органолептические показатели, также установлено, что кисломолочные напитки по сравнению с молоком имеют лучшую усвояемость. Заквасочная микрофлора в зависимости от пути ферментации сбраживает лактозу до таких конечных продуктов как молочная, уксусная, муравьиная кислоты, этиловый спирт. Некоторые лактобактерии синтезируют экзополисахариды, витамины, диацетил и ацетоин, а также выполняют биозащитную функцию кисломолочных продуктов, препятствуя развитию нежелательной микрофлоры [1-3]. Кроме того, основной метаболит молочнокислого брожения - молочная кислота способствует более полному усвоению таких макроэлементов как, железо, фосфор и кальций [4].

Ассортимент кисломолочных напитков постоянно совершенствуется и расширяется. Одним из направлений на рынке продуктов с добавленной стоимостью является выпуск напитков с модифицированным углеводным составом для людей, имеющих проблемы с перевариванием сахаров, в частности молочного сахара [3, 5], что связано с генетически обусловленным дефицитом фермента β-галактозидазы. По оценкам специалистов, непереносимость лактозы наблюдается у 6,2 – 10 % взрослых людей. При заболеваниях органов пищеварения интолерант-ность лактозы встречается у 30 % населения [6-8], что ограничивает спрос на молочные продукты.

В РФ доля категории низколактозных продуктов составляет менее 1 %, в среднем на мировом рынке – 10 % [6]. В Вологодской ГМХА были разработаны рецептуры низколактозных кисломолочных напитков. Сбалансированность состава этих пищевых систем зависит от технологии, микробных ассоциатов, используемых в рецептуре ингредиентов и нутриентов, обогащающих продукт полезными свойствами [9-13].

Кисломолочные напитки – это продукты жидкой или полужидкой консистенции. Физико-механические характеристики молочного геля зависят от многих факторов. Большинство кисломолочных напитков производят резервуарным способом. При этом образующийся гель перемешивают после ферментации и, при необходимости, вносят наполнители. Перемешивание сгустка и внесение растительных компонентов приводят к нарушению первоначальной структуры геля. В дальнейшем, за счет тиксотропных свойств системы, идет образование структурированной жидкости [14-16]. Вязкостные свойства геля во многом определяются вносимой в молоко закваской, видом и количеством используемых стабилизаторов и наполнителей [14, 17].

Цель исследования–изучить реологические свойства низколактозных молочно-растительных гелей для разработки технологии продуктов с требуемыми структурно-механическими характеристиками.

Методика и методы исследования

Для производства напитков использовали следующее сырье: молоко коровье сырое по ГОСТ Р 52054-20231, молоко обезжиренное-сырье по ГОСТ 31658-20122, сухое молоко обезжиренное по ГОСТ 33629-20153, ферментный препарат Lacta-Free активностью 2600 ед. (производитель Biochem, Италия), сахар белый по ГОСТ 33222-20154, бактериальный концентрат БК-Углич-СТБв по ТУ 10.89.19-102-19862939-20235, пюре овощные: морковное и тыквенное по ГОСТ 32742-20146. В качестве гидроколлоидов применяли желатин, стабилизаторы СтабМилк 50CIS и палсгаард AcidMilk 374.

Реологические свойства исследовали у низколактозных (степень гидролиза лактозы - 70%) модельных образцов молочно-растительных гелей с морковным и тыквенным пюре [15]. Для расчета диапазона варьирования компонентов использовали методику Бокса-Уилсона [18]. Шаг для овощного компонента составил 1%, с диапазоном варьирования для морковного пюре (16–21)%, для тыквенного пюре – (14-19)%. Шаг для наполнителя сахароза составил 2%, с диапазоном для обоих видов наполнителей (4-14)%.

Способ производства кисломолочных напитков – резервуарный. Нормализованную молочную смесь подвергали гидролизу (доза фермента составляет 50 мл на 100 литров смеси, температура ферментации – (6±1) °С, продолжительность – (10±1) ч), вносили в нее сахар, гомогенизировали и пастеризовали. После охлаждения до температуры ферментирования смесь заквашивали бактериальным концентратом и сквашивали до образования геля (кислотность - 110 °Т). В готовый сгусток после его охлаждения до температуры (12-14) °С вносили овощной наполнитель и перемешивали.

Гидроколлоиды для низколактозных кисломолочных напитков вносили в молочную смесь перед пастеризацией в количестве, рекомендуемом изготовителем.

Эффективную вязкость исследовали при помощи ротационного вискозиметра, укомплектованного цилиндрическим измерительным устройством типа S-S1 [19, 20]. Согласно выбранному цилиндрическому устройству, заполняемое количество исследуемого материала в измерительной емкости составляло 25 см3. После внесения модельного образца в измерительную емкость ее подсоединяли к прибору.

Зависимость между сдвигающим напряжением и скоростью сдвига снимали по градиенту, начиная с малых значений скорости сдвига (3 с-1), увеличивая ее до максимальных значений (1312 с-1). Показания снимали по шкале индикаторного прибора. Увеличение скорости сдвига достигали за счет изменения скорости вращения измерительного цилиндра путем переключения редуктора.

Измерения необходимых показателей проводили в соответствии со стандартными методиками: температуры – по ГОСТ 26754-857, кис- лотности – по ГОСТ 3624-928, сухих веществ – по ГОСТ 3626-739.

Обработку данных осуществляли с применением программы MicrosoftExcel. Достоверность результатов оценивали по коэффициенту аппроксимации.

Результаты исследований

При использовании резервуарного способа производства готовый кисломолочный сгусток перемешивается с разрушением гелевой структуры. Псевдопластические системы обладают тиксотропными свойствами, они восстанавливают свою структуру [16, 20], формируя вязкую консистенцию без признаков синерезиса.

Эффективная вязкость — фундаментальная реологическая характеристика, определяющая технологические параметры дисперсных систем пищевого производства. Изучение динамики эффективной вязкости в зависимости от градиента скорости, дает возможность охарактеризовать деформацию молочного геля [21-23] и позволяет достоверно определить неньютоновское поведение системы.

Для модельных образцов кисломолочных напитков с морковным и тыквенным пюре, полученные математические и графические зависимости представлены в таблицах 1 и 2 и на рис. 1 .

аб

Рисунок 1 – Изменение эффективной вязкости от скорости сдвига в логарифмических шкалах для модельных образцов: а - с морковным пюре, б – с тыквенным пюре

Таблица 1 – Уравнения зависимости эффективной вязкости (lg ηэф) от скорости сдвига (lg γ) для модельных образцов в логарифмических шкалах

Номер образца	Зависимость   Коэффициент lg ηэф от lg γ   аппрокRси²мации, с морковным пюре		Зависимость    Коэффициент lg ηэф от lg γ аппроксимации,R² с тыквенным пюре
1	lg ηэф = -0,5968 lg γ + 3,7178	0,9588	lg ηэф = -0,6604lg γ + 3,7748	0,9989
2	lg ηэф =-0,6924 lg γ + 4,1657	0,9713	lg ηэф =-0,7319 lg γ + 4,0405	0,9973
3	lg ηэф = -0,6205 lg γ + 4,0065	0,9658	lg ηэф = -0,6295 lg γ + 3,7018	0,9965
4	lg ηэф = -0,4539 lg γ + 3,6977	0,9767	lg ηэф = -0,6874 lg γ + 3,9298	0,9969
5	lg ηэф = -0,4967 lg γ + 3,8072	0,9785	lg ηэф = -0,6951 lg γ + 3,8965	0,9954
6	lg ηэф = -0,5623 lg γ + 4,0302	0,9797	lg ηэф = -0,5923lg γ +3,8209	0,9929

Изменение эффективной вязкости от градиента скорости в логарифмических шкалах изображается прямой линией, тангенс угла наклона которой определяется темпом разрушения структуры [19, 24].

Как видно из полученных данных, с учетом тангенса угла наклона логарифмических зависимостей (уравнения в таблице 1), наибольшим темпом разрушения структуры обладал образец для морковного пюре -№ 2, для тыквенного - № 2.

Далее по уменьшению этого показателя зависимости расположились следующим образом: для морковного пюре – 3, 1, 6, 5, 4; для тыквенного пюре – 5, 4, 1, 3, 6 образцы.

Это распределение соотносится с обработкой данных скоростных характеристик в обычных координатах. По полученным уравнениям зависимости вязкости от скорости сдвига можно судить о темпе разрушения структуры (степенная характеристика) образцов (таблица 2).

Из приведенных уравнений (таблица 2) по коэффициенту вязкости и рассчитанному индексу течения (m=n-1, где m – темп разрушения структуры; n – индекс течения) можно сделать вывод, что наибольшей вязкостью отличался образец кисломолочного напитка с морковным пюре № 2 с тыквенным пюре - № 2 с содержанием наполнителя 20 % и 19 %, соответственно. С увеличением содержания растительных ингредиентов вязкость системы снижается.

Таблица 2 – Уравнения зависимости эффективной вязкости (η, мПа·с) от скорости деформации (γ, с-1) для модельных образцов

Номер образца	Зависимость η, мПа·с от γ, с-1 с морковным п	Индекс течения, n юре	Зависимость η, мПа·с от γ, с-1 с тыквенным п	Индекс течения, n юре
1	η = 5221,6 ⋅ γ -0,597	0,403	η = 5954 ⋅ γ -0,660	0,340
2	η = 14644 ⋅ γ -0,692	0,308	η = 10979 ⋅ γ -0,732	0,298
3	η = 10152 ⋅ γ -0,621	0,379	η = 5032 ⋅ γ -0,629	0,371
4	η = 4985 ⋅ γ -0,454	0,546	η = 8506 ⋅ γ -0,687	0,313
5	η = 6415 ⋅ γ -0,497	0,503	η = 7879 ⋅ γ -0,695	0,305
6	η = 10721 ⋅ γ -0,562	0,438	η = 6621 ⋅ γ -0,592	0,408

Овощное пюре, как морковное, так и тыквенное, имеет анизометрический характер частиц, облегчающих образование прочных коагуляционных структур из беспорядочно расположенных коллоидных частиц [25-27].Кроме того, растительное сырье содержит пектины, которые относятся к группе молочно-активных полимеров. Известно [26], что ионные связи Са² ⁺ с карбоксильными группами низкометоксилиро-ванного пектина, обеспечивают прочность студней. Студнеобразова-ние высокометоксилированного пектина обеспечивается водородными связями между недиссоциированными -COOH группами. [28-31].

По результатам органолептической оценки и реологических параметров оптимальными выбраны образцы №2, как для морковного, так и для тыквенного наполнителей.

Технология питьевых кисломолочных напитков ориентирована на получение жидкой консистенции, предусматривающей текучесть системы. В густых кисломолочных продуктах возможно применение гидроколлоидов, которые способствуют связыванию свободной воды, устранению нестабильности структуры, предотвращают отделение сыворотки.

Гидроколлоиды повышают вязкость гелей, изменяют реологические свойства продуктов, их консистенцию, делая ее более плотной и устойчивой к механическим воздействиям [30, 31].

Поэтому для улучшения консистенции напитков были проведены исследования с применением различных стабилизаторов, в качестве которых выступали – желатин, СтабМилк 50CIS и палсгаард AcidMilk 374 [30, 32].

На графиках (рис. 2 и 3) представлены зависимости, отражающие изменение вязкости продукта с внесением различных стабилизационных систем при последовательном увеличении градиента скорости для напитков с морковным и тыквенным пюре.

Для модельных образцов кисломолочных напитков с морковным и тыквенным пюре при использовании различных стабилизаторов получены следующие зависимости эффективной вязкости (η, мПа·с) от скорости деформации (γ, с-1), приведенные в таблице 3.

Скорость деформации, с 1

■ Желатин • СтабМилк ■ Палсгаард

Рисунок 2 – Скоростные характеристики модельных образцов кисломолочного напитка с морковным пюре с различными стабилизаторами

Таблица 3 – Зависимости эффективной вязкости (η, мПа·с) от скорости деформации (γ, с-1) для модельных образцов с применением стабилизаторов

Наименование стабилизатора	Уравнения зависимости η, мПа·с от γ, с-1 для модельных образцов с морковным пюре	Уравнения зависимости η, мПа·с от γ, с-1 для модельных образцов с тыквенным пюре
СтабМилк 50CIS	η = 24081 ⋅ γ -0,827	η = 12852 ⋅ γ -0,734
Желатин	η = 13784 ⋅ γ -0,740	η = 8867,9 ⋅ γ -0,675
Палсгаард AcidMilk 374	η = 17585 ⋅ γ -0,780	η = 10844 ⋅ γ -0,709

Из полученные уравненийзависимости эффективной вязкости (η, мПа·с) от скорости деформации (γ, с-1) видно, чтоу образцов, как с морковным, так и тыквенным пюре, наибольшая вязкость была характерна дляпродуктов, с использованием стабилизатора СтабМилк.

Скорость деформации, с 1

• СтабМилк • Желатин • Палсгаард

Рисунок 3 – Скоростные характеристики модельных образцов кисломолочного напитка с тыквенным пюре с различными стабилизаторами

Для стабилизации консистенции кисломолочных напитков чаще всего применяют производные карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), которые создают сильно вязкий коллоидный раствор с устойчивой вязкостью в течение продолжительного периода. Высокополимерная КМЦ представляет собой высокополимерный ионный электролит в нейтральном или слабом щелочном эфире целлюлозы, целлюлозную камедь часто используют в сочетании с другими гидроколлоидами [33-35].

Заключение

Изучено влияние дозы овощного наполнителя на консистенцию молочно-растительных гелей. Установлено, что улучшение реологических свойств низколактозного кисломолочного напитка наблюдается при увеличении содержания растительного компонента в рецептуре до определенного предела. Так, в случае использования морковного пюре, изменение концентрации ингредиента с 16 до 20 % способствует усилению структурно-механических показателей, а при концентрации 21 % наблюдается их снижение. При использовании тыквенного пюре аналогичные данные получены при концентрациях от 14 до 18 %. При содержании наполнителя 19 % идет ухудшение реологических свойств.

Получены данные, что в сквашенных молочно-растительных модельных образцах бóльшая вязкость сгустков характерна для стабилизатора СтабМилк 50CIS, так как вязкость смеси гидроколлоидов за счет образования водородных связей больше, чем сумма вязкостей индивидуальных компонентов, то есть в данной системе проявляется синергизм.