Оптимизация состава молочно-сывороточной основы с учетом влияния технологических факторов при производстве ферментированного напитка

Одним из приоритетных направлений развития молочной промышленности является комплексное и рациональное использование молочного сырья, что может быть достигнуто за счет расширения ассортимента продуктов, вырабатываемых из обезжиренного молока и молочной сыворотки.

Состав обезжиренного молока и молочной сыворотки характеризует их высокую пищевую и биологическую ценность и обуславливает целесообразность применения в качестве основы для производства продуктов с функциональными свойствами, в частности, напитков.

Использование для производства напитков натуральной сыворотки, содержащей все ее составные части, том числе и полноценные сывороточные белки, не имеющие лимитированных аминокислот, а также обогащение напитков пробиотической микрофлорой будет способствовать повышению их пищевой и биологической ценности.

С учетом различий в составе и свойствах сыворотки и обезжиренного молока, эти два вида молочного сырья будут хорошо дополнять друг друга. Результаты наших исследований показали, что при введении обезжиренного молока в сывороточную основу в результате повышения буферных свойств, увеличения в среде доступных питательных веществ и факторов роста, заквасочные микроорганизмы развивались более активно, что приводило к ускорению кислотообразования в процессе сквашивания.

Однако, для получения напитков с хорошими органолептическими показателями и структурно-механическими свойствами необходимо установить оптимальное соотношение между сывороткой и обезжиренным молоком в рецептуре продуктов.

В связи с этим проведены исследования по оптимизации состава молочно-сывороточной основы для ферментированного напитка, обогащенного пробиотической микрофлорой и характеризующегося функциональными свойствами.

Для сквашивания молочно-сывороточной основы, состоящей из обезжиренного молока и подсырной сыворотки, использовали специально подобранную поли-компонентную закваску, содержащую ацидофильную палочку, пропионовокислые бактерии и кефирную закваску (соотношение между культурами: 0,5:2:2,5, соответственно) [1].

Для получения математической модели процесса с учетом влияния технологических факторов использован метод ортогонального композиционного планирования эксперимента. Известно, что процессы, протекающие в многокомпонентных системах, как правило, не удается описать линейными регрессионными закономерностями. Поэтому для повышения точности описания используются математические модели более высокого порядка, в частности, квадратичные [2,3].

На основании результатов предварительно проведенных опытов и литературных данных было выявлено три основных фактора: доля обезжиренного молока в молочно-сывороточной основе (х1), температура сквашивания (х2) и доза закваски (х3), оказывающих существенное влияние на активность развития заквасочной микрофлоры, кислотообразование в процессе сквашивания, органолептические и структурно-механические свойства кислотного сгустка.

В качестве выходных параметров были взяты:

у1 - органолептические показатели (вкус, запах), балл;

у2 - органолептические показатели (суммарная оценка за вкус, запах, цвет и консистенцию), балл;

у3 – влагоудерживающая способность сгустка, % выделившейся сыворотки при центрифугировании;

• у₄ – кислотность сгустка, оТ;

• у₅ – эффективная вязкость неразрушенной структуры сгустка, мПа∙с;

• у₆ – продолжительность сквашивания, ч;

• у₇ – количество жизнеспособных клеток пропионовокислых бактерий в конце сквашивания, lg КОЕ/см3;

• у₈ - количество жизнеспособных клеток лактобацилл в конце сквашивания, lg КОЕ/см3.

Матрица планирования ортогонального центрально-композиционного плана 2-го порядка для трехфакторного процесса и усредненные по трем повторностям результаты этих опытов приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1. План эксперимента (ПФЭ23) в кодированных и натуральных переменных

№ опыта	Факторы в безразмерном масштабе			Факторы в натуральном масштабе
	Х1	Х2	Х3	Х1	Х2	Х3
1	+	+	+	70	32	5
2	-	+	+	60	32	5
3	+	-	+	70	28	5
4	-	-	+	60	28	5
5	+	+	-	70	32	1
6	-	+	-	60	32	1
7	+	-	-	70	28	1
8	-	-	-	60	28	1
9	1,2154	0	0	71,1	30	3
10	-1,2154	0	0	58,9	30	3
11	0	1,2154	0	65	32,43	3
12	0	-1,2154	0	65	27,57	3
13	0	0	1,2154	65	30	5,43
14	0	0	-1,2154	65	30	0,57
15	0	0	0	65	30	3

Таблица 2. Результаты исследований

№ опыта	Выходные параметры
	У 1	У 2	У 3	У 4	У 5	У 6	У 7	У 8
1	4,4	14,4	34	85	4,4	6,0	8,36	7,96
2	4,0	13,2	47	80	3,31	6,8	8,33	7,98
3	4,2	14,2	38	75	4,22	7,0	8,06	8,01
4	3,9	13,2	51	70	2,82	8,0	8,07	8,03
5	3,8	13,8	43	68	3,81	9,0	8,43	7,89
6	3,4	12,5	52	65	2,79	10,5	8,04	7,86
7	4,0	13,4	46	66	3,51	11,2	7,98	7,91
8	3,5	12,5	56	60	2,49	10,0	7,92	7,90
9	4,8	14,9	36	82	4,25	7,5	8,08	8,08
10	3,8	12,8	61	72	2,48	8,5	7,96	8,03
11	4,2	14,2	38	75	4,09	7,9	8,39	7,96
12	3,9	13,8	41	70	3,71	9,0	8,02	7,90
13	4,8	14,9	37	78	4,05	7,8	8,07	8,08
14	4,0	13,0	56	68	3,49	11,0	8,26	7,83

Органолептические показатели молочно-сывороточной основы определялись с использованием разработанной условной балльной шкалы. Влагоудерживающую способность сгустков оценивали методом центрифугирования по объему выделившейся сыворотки в процентах. Титруемую кислотность определяли по ГОСТ 382492, эффективную вязкость кислотных сгустков с использованием метода ротационной визкозиметрии на приборе «Реотест 2.1». Определение жизнеспособных клеток молочнокислых микроорганизмов и пропионовокислых бактерий осуществляли по ГОСТ 10444.11.

На основании экспериментальных данных получены математические модели, отражающие зависимости изменения органолептических показателей, титруемой кислотности, эффективной вязкости и вдагоудерживающей способности сгустка, а также времени образования сгустка и содержания жизнеспособных клеток пробиотической микрофлоры в конце сквашивания от исследуемых факторов с использованием программы StatSoft:

у1= - 129,283+1,224×1 – 0,009×12+6,102×2-0,101×22+0,336×3–0,040×32;

у2= - 163,785+2,599×1-0,019×12+5,83×2-0,096×22+ 0,85×3-0,103×32;

у3=566,6480-24,6964×1+0,1794×12+23,8592×2–0,4119×22-7,0250×3+0,7898×32;

у4= - 665,805–0,190×1+0,006×12 ×46,196×2-0,745×22+6,728×3-0,64×32; у5=-81,5559+2,1708×1-0,0158х12+0,6104×2-0,0089×22+0,3135×3–0,0307×32;

у6=22,0078-0,60049×1 -0,23989×2-0,76640×3;

у7=-3,75234-0,10066×1+0,00078×12+0,99170×2– 0,01660×22+0,10498х3-0,01199×32;

у8=5,20327+0,011231×1+0,072335×2+0,010005×3.

После проверки значимости коэффициентов регрессии с использованием критерия Стьюдента уравнения, в которых оставлены члены, имеющие статистически значимые эффекты (уровень р<0,05), приняли следующий вид:

у1= -129,283+1,224×1 – 0,009×12+6,102×2-0,101×22+0,336×3;

у3= -24,6964×1+0,1794×12–7,0250×3;

у4= 46,196×2-0,745×22+6,728×3;

у5= - 81,5559+2,1708×1-0,0158×12+0,3135×3;

у6= 22,0078-0,23989×2-0,76640×3;

у7= 0,99170×2–0,01660×22+0,10498×3-0,01199×32;

у8= 5,20327+0,072335×2.

• В уравнении для у₂ все коэффициенты оказались значимыми.

Адекватность полученных моделей подтверждает проведение дисперсионного анализа с использованием коэффициентов детерминации, критерия Фишера (табл. 3), а так же построение диаграмм рассеяния предсказанных и наблюдаемых значений и диаграмм Парето. В качестве примера на рис. 1 эти диаграммы представлены для выходного параметра у2 (суммарная балльная оценка органолептических показателей).

Таблица 3. Результаты дисперсионного анализа

Переменная            Rскор.2             F - критерий        Уровень значимости

у1	0,849332	14,15326	0,000715
у2	0,860999	15,45310	0,000524
у3	0,783331	9,435787	0,002863
у4	0,881364	18,33467	0,000283
у5	0,967189	69,77998	0,000002
у6	0,832138	24,134	0,00004
у7	0,755340	8,203712	0,004523
у8	0,595117	4,429654	0,028603

а)

Observed Values vs. Predicted

Общая органолептическая оценка, балл

11*12,0        12,5        13,0        13,5        14,0        14,5        15,0        15,5

Observed Values

Рисунок 1. Диаграмма рассеяния наблюдаемых и

б)

Pareto Chart of t-Values for Coefficients; df=8

t-Value (for Coefficient;Absolute Value)

предсказанных значений

(а) и диаграмма Парето (б) для

у2

Для определения оптимальных значений факторов использовали графики поверхностей отклика. Поверхности отклика имеют форму эллиптического параболоида. Координаты оптимума лежат в центре плана.

Анализ полученных зависимостей показал, что органолептические показатели (суммарная балльная оценка, выраженность вкуса и запаха) улучшаются с увеличением доли обезжиренного молока в молочно-сывороточной основе, повышением температуры сквашивания и увеличением доли производственной закваски. При этом более сильное влияние оказывают температура сквашивания и доля обезжиренного молока в составе смеси.

На влагоудерживающую способность и вязкость сгустка, характеризующие его структурно-механические свойства, достаточное влияние оказывают процент обезжиренного молока в молочно-сывороточной основе и доза закваски. Влагоудерживающая способность сгустка в значительной степени зависит от доли обезжиренного молока в составе основы и в некоторой степени от дозы закваски, с уменьшением которых устойчивость к синерезису снижается. На эффективную вязкость существенное влияние также оказывает доля обезжиренного молока в смеси, с повышением которой вязкость возрастает.

Продолжительность сквашивания и кислотность сгустка зависят от температуры сквашивания и дозы закваски, с повышением которых время образования сгустка уменьшается, а его кислотность возрастает. При этом наиболее сильное влияние на интенсивность сквашивания оказывает температура сквашивания.

На активность развития пробиотической микрофлоры наиболее сильное влияние оказывает температура сквашивания, с увеличением которой выход жизнеспособных клеток повышается. В качестве примера на рис. 2 представлены поверхности отклика для выходного параметра – органолептическая оценка молочно-сывороточной основы.

Рисунок 2. Поверхности отклика зависимости органолептических показателей (суммарная оценка за вкус, запах, цвет и консистенцию) напитка от исследуемых факторов

Таким образом, результаты выполненных исследований позволили установить состав молочной основы (обезжиренное молоко – 65 – 70 %, подсырная сыворотка – 35–30 %), обеспечивающий хорошие органолептические и структурно-механические свойства напитка, а также уточнить режимы ферментации (температура сквашивания – 30 ^оС, доза закваски – 5 %), позволяющие получать достаточно высокое содержание пробиотической микрофлоры в готовом продукте.