Обоснование температурных режимов фасования белкового витаминизированного желированного продукта

На российском рынке последнее время большую ассортиментную группу десертов представляют желированные продукты, к которым относятся кисели, желе, муссы, самбуки и кремы. Такие продукты в охлажденном виде имеют стойкую желеобразную, нежную консистенцию и свойственный ингредиентам вкус [1]. Всё большую популярность приобретает использование молочной сыворотки как основы для производства десертных продуктов.

Как правило, в качестве студнеобразующих агентов при производстве желированных продуктов используют агар-агар, желатин, пектин, каррагинан. Большинство предприятий для производства структурированных продуктов используют агар или желатин. Хорошие вкусовые качества имеет желе, полученное с использованием пектина. К достоинствам каррагинанов относят высокую технологичность, отсутствие стадий подготовки к использованию [2].

В данной работе в качестве структурообразователя использовали псиллиум – это шелуха оболочки семян подорожника Plantago ovata, содержащая более 80% натуральной клетчатки, которая является гелеобразующей фракцией [3]. Выполненные ранее исследования, показали, что благодаря высокой влагоудерживающей способности псиллиума и его способности образовывать устойчивые гели, данный ингредиент можно рекомендовать к широкому применению при производстве желированных продуктов питания [4, 5]. Применение данного желирующего агента не только улучшает технологические свойства выпускаемой продукции, но увеличивает возможности расширения ассортимента за счет создания новых обогащенных пищевыми волокнами продуктов.

Благодаря своим функциональным свойствам большой популярностью в производстве обогащенных продуктов питания пользуются концентраты сывороточных белков (КСБ-80), полученные методом ультрафильтрации [6, 7]. Пищевая и биологическая ценность сывороточных белков обусловлена составом аминокислот и их биодоступностью. В свою очередь, условия обработки, физико-химические свойства растворителя, такие как: концентрация сухих веществ, pH, температура, а также взаимодействие с другими пищевыми компонентами изменяют функциональные свойства сывороточных белков. Высокая растворимость, адсорбция воды, гелеобразование и эмульгирующие свойства КСБ-80 являются важными факторами, улучшающими функциональнотехнологические свойства пищевой матрицы и влияющими в первую очередь на консистенцию продукта и на его структурно-механические свойства, что важно при проектировании продукта с заданной структурой [7, 8, 9].

Изучение процессов гелеобразования, основанных на использовании гидроколлоидов разной природы, позволит разработать методы регулирования состава, структуры и свойств желированных продуктов.

Для получения заданных органолептических характеристик желированных продуктов, в частности консистенции, важным моментом в технологической цепочке является выбор температуры фасования, поскольку процесс структурирования и образования геля происходит при охлаждении продукта.

Цель работы – исследовать влияние содержания сухих веществ на технологические параметры процесса фасования при производстве белкового витаминизированного желированного продукта.

Материалы и методы

На основании проведенных ранее исследований для модельных образцов желированного продукта на основе творожной сыворотки были подобраны следующие соотношения ингредиентов: КСБ-80 в ко- личестве от 5 до 15% с интервалом варьирования 5%, черника, дробленная с сахаром в количестве 15%, псиллиум в количестве 3,5%, количество витаминного премикса составило 0,1% [4, 10].

В работе использовано сырье и ингредиенты только российского производства, соответствующие требованиям качества и безопасности, действующим на территории Евразийского экономического союза [11, 12].

Пробы готовили в стеклянных химических стаканах вместимостью 250 см3 следующим образом. Предварительно осуществляли набухание псиллиума в 1/3 части творожной сыворотки, предусмотренной рецептурой с температурой (20±2) оС в течение 15 минут. Далее концентрат сывороточных белков восстанавливали в оставшемся объеме творожной сыворотки по рецептуре при температуре (40±2) оС. В восстановленную смесь концентрата сывороточных белков вносили витаминный премикс, набухший псиллиум, в соответствии с рецептурой, чернику дробленую с сахаром. Далее образцы при непрерывном перемешивании подвергали тепловой обработке при температуре (80±2) оС с выдержкой 20 секунд на водяной бане с температурой (98±2) оС.

Реологические измерения опытных образцов проводили методом ротационной вискозиметрии с использованием «Rheotest-2.1» в диапазоне температур от 20 оС до 60 оС, что является оптимальным температурным диапазоном для изучения структурно-механических свойств пищевых желированных систем в процессе фасования.

Экспериментальные исследования были проведены в трехкратной повторности. Результаты оценивали с помощью программных пакетов Microsoft Excel 2021 и Statistica 12.

Результаты и обсуждение

Компонентный состав исследуемых образцов представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Компонентный состав исследуемых образцов

Исследуемые образцы	Массовые доли ингредиентов, % Черника, Творожная КСБ-80    протертая с    Псиллиум сыворотка              сахаром
Желированный десертный продукт + 5% КСБ-80	76,5	5	15	3,5
Желированный десертный продукт + 10% КСБ-80	71,5	10	15	3,5
Желированный десертный продукт + 15% КСБ-80	66,5	15	15	3,5

Проведенные ранее исследования показали возможность использования псиллиума в качестве гелеобразователя и функционального ингредиента для получения обогащенного желированного продукта с использованием творожной сыворотки. Было установлено, что тепловая обработка при температуре более 50 оС способствует увеличению вязкости опытных образцов. В ходе исследований подтверждено влияние пастеризации на процесс структурирования систем из творожной сыворотки и псиллиума [5].

Изменение компонентного состава разрабатываемого продукта привело к увеличению массовой доли белка и сухих веществ (табл. 2), что в свою очередь повлияло на технологические параметры и структурно-механические свойства готового продукта.

Таблица 2 – Массовая доля белка и сухих веществ контрольного и опытных образцов

Доля внесения КСБ-80, %	Массовая доля сухих веществ, %	Массовая доля белка, %
5	21,13±0,03	4,86±0,02
10	25,61±0,03	8,83±0,02
15	30,08±0,03	13,00±0,02

Известно, что сывороточные белки способны образовывать гели благодаря высоким гидрофильным свойствам, препятствуя дестабилизации системы и способствуя ее гелеобразованию. Белково-сывороточные концентраты имеют различную желирующую способность, они могут образовывать гели при температуре 60–90 °С в концентрации 80–120 г/л [6, 9, 13, 14, 15].

Предварительные исследования показали, что температура и массовая доля КСБ-80 оказывают значительное влияние на вязкость продукта [5, 16]. Известно, что использование бинарных композиций гидроколлоидов в качестве загустителей способствует изменению температуры плавления и застудневания структурированных пищевых систем, что в свою очередь влияет на технологические режимы розлива и упаковки продукта [17, 18, 19]. Для определения рациональных режимов фасования витаминизированного желированного продукта проанализированы реологические изменения образцов продукта с содержанием концентрата сывороточных белков 5, 10 и 15% в диапазоне предполагаемых температурных режимов, возможных для фасования и охлаждения с дальнейшим структурообразованием системы. На рисунках 1 , 2, 3 представлены результаты исследований модельных образцов. Показана зависимость эффективной вязкости в условиях постепенного увеличения сдвиговой нагрузки от 0,3 до 145,8 с^-1 при различных температурах.

Рисунок 1 – График зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига в диапазоне температур от 20 °С до 60 °С в образцах продукта с добавлением КСБ-80 5%

■ 140-160

■ 120-140

■ 100-120

■ 80-100

■ 60-80

■ 40-60

■ 20-40

■ 0-20

Температура. СС

Рисунок 2 – График зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига в диапазоне температур от 20 °С до 60 °С в образцах продукта с добавлением КСБ-80 10%

Рисунок 3 – График зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига в диапазоне температур от 20 °С до 60 °С в образцах продукта с добавлением КСБ-80 15%

Анализ графиков показывает, что при снижении температуры эффективная вязкость продуктов повышается. Однако при увеличении массовой доли КСБ-80 в образцах продуктов при одних и тех же температурах наблюдается повышение значений эффективной вязкости. Так, например, при температуре 40 °С и скорости сдвига 3,0 с-1 эффективная вязкость изменяется от 25,2 до 66,5 Па·с соответственно в образцах с повышением массовой доли КСБ-80 с 5 до 15%. Такая тенденция наблюдается для всего температурного диапазона в одинаковых значениях действующей деформации. Причем чем меньше значение скорости деформации, тем большее различие между возникающей эффективной вязкостью можно наблюдать при повышении массовой доли КСБ-80. Значения эффективной вязкости повышается в 2 раза для образца продукта с добавлением 10% КСБ-80 и в 4 раза для образца продукта с 15% КСБ-80 по сравнению с образцом продукта, где внесено 5% КСБ-80. При увеличении скорости деформации эта разница снижается. При аналогичном сравнении образцов в условиях максимальной скорости сдвига 145,8 с-1 значения эффективной вязкости различаются в 1,7 и 2,7 раза соответственно.

Полученные графики описываются зависимостями, представленными в таблице 3.

Таблица 3 – Уравнения влияния скорости сдвига (γ, с-1) на эффективную вязкость (ηэф, Па·с) в образцах продукта с добавлением от 5 до 15% КСБ-80 в зависимости от температуры

Температура, °С	Уравнение	Коэффициент корреляции
Желированный десертный продукт + 5 % КСБ-80
20	ηэф=59,30·γ -0,55	0,980
30	ηэф=45,88·γ -0,55	0,987
40	ηэф=44,31·γ -0,56	0,983
50	ηэф=37,06·γ -0,57	0,988
60	ηэф=35,91·γ -0,59	0,985
Желированный десертный продукт + 10 % КСБ-80
20	ηэф=84,73·γ -0,58	0,998
30	ηэф=76,54·γ -0,59	0,994
40	ηэф=74,58·γ -0,60	0,988
50	ηэф=71,72·γ -0,61	0,986
60	ηэф=61,46·γ -0,61	0,982
Желированный десертный продукт + 15 % КСБ-80
20	ηэф=138,80·γ -0,60	0,998
30	ηэф=133,50·γ -0,61	0,998
40	ηэф=126,90·γ -0,61	0,998
50	ηэф=117,50·γ -0,62	0,996
60	ηэф=103,90·γ -0,63	0,986

Из таблицы 3 видно, что в образце с добавлением КСБ-80 5% коэффициент консистенции повышается в 1,65 раза при снижении температуры с 60 до 20 °С. В образцах продуктов с КСБ-80 10% и 15% этот показатель изменяется в 1,38 и 1,34 раза соответственно при аналогичном снижении температуры. Также анализ полученных уравнений показывает, что при 20 °С различия коэффициента консистенции при попарном сравнении составляют 1,4 раза для образцов с КСБ-80 5% и 10%; 1,6 раза – для образцов с КСБ-80 10% и 15%; 2,3 раза – для образцов КСБ-80 5% и 15%. В дальнейшем с повышением температуры отмечается увеличение этого различия в диапазоне 1,7–2,9 раза.

В продукте с добавлением КСБ-80 15% структурообразование происходит в процессе тепловой обработки продукта, что влияет на его реологическое поведение и характеризуется высоким показателем эффективной вязкости (до 280 Па·с) по сравнению с образцами с КСБ-80 5% и 10%. Предположительно, это вызвано тем, что увеличение содержания сухих веществ за счет вносимого КСБ-80 способствует перераспределению свободной влаги, которая содержится в пищевой системе. Вследствие чего повышается вязкость пищевой матрицы и улучшаются текстурные характеристики продукта. Кроме того, при нагревании сывороточных белков связи, которые отвечают за их глобулярную структуру, разрушаются. По мере развертывания молекулы белка формируются дополнительные участки для образования связей «белок – углевод», которые также создают условия для увеличения вязкости растворов [9, 17, 18, 19].

Таким образом, чем большее количество КСБ-80 внесено в продукт, тем меньшее изменение эффективной вязкости наблюдается при снижении температуры. Следовательно, диапазон варьирования температуры фасования продукта шире для образца с КСБ-80 5%, с увеличением доли КСБ-80 температурный диапазон для фасования продукта сокращается. На основании предварительных исследований установлен диапазон температурных режимов фасования продукта с КСБ-80 5% 20–60 °С, продукта с КСБ-80 10% – 30–60 °С, продукта с КСБ-80 15% – 40–60 °С.

Для оптимизации технологического процесса и снижения затрат на энергоносители, а также повышения экономической эффективности производства продукта целесообразно установить более узкий диапазон температуры фасования. Для этого на основании полученных зависимостей была построена поверхность отклика, которая характеризует вязкость продукта в зависимости от количества внесенного КСБ-80 и предполагаемой температуры фасования.

Представленная на рисунке 4 модель описывается следующим уравнением:

η = 13,7918 + 4,4677·x–0,3558·T, где х – количество внесенного КСБ-80, %,

Т – температура фасования, °С.

Рисунок 4 – Поверхность отклика для линейной модели зависимости вязкости от массовой доли внесенного КСБ-80 и температуры фасования

Распределение коэффициентов в уравнении показывает, что в большей степени вязкость проектируемой пищевой системы зависит от массовой доли вносимого концентрата сывороточных белков и в гораздо меньшей степени от температуры. Таким образом, исходя из проведенных исследований целесообразно установить температуру фасования продуктов в диапазоне (45±5) °С.

Выводы

На основании экспериментальных данных установлена зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига в диапазоне температур от 20 °С до 60 °С в образцах продукта с добавлением КСБ-80 5%, 10%, 15%. Установлено, что при снижении температуры в выбранном диапазоне эффективная вязкость продуктов повышается. Увеличение массовой доли КСБ-80 в образцах способствует повышению значений эффективной вязкости. На основании проведенного анализа подобраны рекомендуемые температурные режимы фасования продуктов с разным содержанием КСБ-80. Диапазон температурных режимов фасования для продукта с КСБ-80 5% составляет 20–60 °С, для продукта с КСБ-80 10% – 30–60 °С, а для продукта с КСБ-80 15–% – 40–60 °С.

Для повышения экономической эффективности производства с помощьюпрограммного обеспечения Statisticaспроектированалинейная модель зависимости вязкости от доли внесенного КСБ-80 и температуры фасования. Подобрана оптимальная температура фасования белкового витаминизированного желированного продукта – (45±5) ºС.