Практические предпосылки модификации технологии кисломолочных напитков для формирования заданных функциональных свойств

Эксперты Международной Молочной Федерации (ММФ) называют кисломолочные продукты – «продуктами здоровья» и считают, что вXXI веке эти продукты будут занимать наибольший объем в производстве молочных продуктов [15]. Современный потребитель заинтересован в приобретении продуктов, обладающих способностью нормализовать состав нормальной микрофлоры кишечника или повысить ее биологическую активность, что определяет наполнение потребительского рынка «продуктами для здоровья».

Вместе с тем Национальный союз производителей молока (рисунок 1) приводит данные о недостаточности объемов производства сырого молока (только 76%), при этом показатель обеспеченности товарным молоком – 66%. Основное производство молока сосредоточено в Приволжском (9610 тыс. т) и Центральном (5509 тыс. т) федеральных округах. Россия входит в ТОП-5 стран мира по производству молока, но по эффективности его использования значительно уступает развитым странам [1, 3, 5, 10].

В молочной отрасли работает около 21 тысячи предприятий, продукция отрасли составляет до 15% от оборота розничных сетей. Однако, по оценке Минэкономразвития, увеличение продаж молочной продукции в 2016 году составит 1%, в 2017 – еще 2,4%, в 2018 – 2,6%.

В результате продажи молочной продукции в 2018 году увеличатся на 6,1% в сравнении с 2015 годом (рисунок 2).

Дефицит сырого молока составляет около 22%

При сравнении с производством товарного молока дефицит возрастает до 30%

(оценка)

Импорт молока                 Продукты сырные и молокопродуктов (в пересчете на молоко)

млн т

Производство товарного молока

Запасы на начало года

Источник: Росстат. ФТС России, оценка Союзмолоко

Рисунок 1. Динамика и структура производства сырого молока в Российской Федерации

• Figure1.    Dynamics and structure of production of raw milk in the Russian Federation

  
  
  

Производство                       Производство сыров                       Производство цельномолочной продукции           и продуктов сырных, млн т                  масла сливочного, млн т

(в пересчете на молоко), млн т

Сыры ■ Продукты сырные

* В позицию «Цельномолочная продукция» включается молоко жидкое обработанное, кефир (без пищевых продуктов и добавок), сметана, творог, сливок, продукты кисломолочные для детского питания, ряженка и др.

Источник: Росстат, оценка Союзмолоко

Рисунок 2. Динамика производства основных видов молочной продукции

• Figure2.    Dynamics of production of main dairy products

В структуре ассортимента кисломолочных продуктов на долю кефира приходилось 32%, йогурта – 21%, сметаны – 17%, сыворотки – 12%, ряженки 7% и другие виды кисломолочных продуктов -11%. Наибольшее количество кефира, кефирных продуктов производится в регионах, которые лидируют в производстве молока. Спрос на кисломолочную продукцию удовлетворяется практически полностью за счет отечественного производства [1, 10]. Вместе с тем у российских производителей есть хороший потенциал наращивания объемов выпускаемой продукции. Потребление молочных продуктов составляет по разным оценкам от 190 до 250 кг при норме 300–330 кг.

Вместе с тем, рост производства кисломолочной продукции ограничен отсутствием динамики развития сырьевой базы, для рынка молока характерны одновременно экстенсивная деградация и интенсивное развитие. Важнейшим условием успешного развития молокоперерабатывающей промышленности является преодоление существующих системных проблем, а приоритетами долгосрочного периода, согласно «Стратегии развития пищевой и перерабатывающей отрасли на период до 2020 года», являются инновационные подходы к их решению.

Успешная реализация поставленных задач в технологии производства молочных продуктов, направленных на получение продукции с высокими качественными показателями и функциональными свойствами, возможна на основе применения инновационных подходов. Большой вклад в разработку новых, перспективных технологий производства функциональных молочных продуктов и исследования их свойств внесли отечественные ученые: А. Г. Храмцов, В. Д. Харитонов, З. С. Зобкова, JI.A. Остроумов, Ю. Я. Свириденко, H. A. Тихомирова, В. И. Ганина, Н. Б. Гаврилова, A. A. Майоров, А. Ю. Просеков, JI.A. Забодалова, И. А. Смирнова, Д. М. Захарова и другие.

Формирование потребительских свойств молочных продуктов определяет комплекс факторов, среди которых лидирующими являются качество сырья и новые технологии производства [5, 7, 8, 11]. Возможности использования ультразвука различной мощности и применимости его в технологиях пищевых производств представлены в работах В. А. Акули-чева, А. Г. Галстяна, С. Д. Шестакова, О. Н. Кра-сули, И. Ю. Потороко, M. Ashokkumar, Bogdan-Zisu, Jian-Yong Wu, PabloJuliano, T. G. Leighton, K. S. Suslick, F. Grieser и других ученых.

Цель работы заключается в модификации технологии производства кисломолочных напитков за счет применения ультразвуковых воздействий, для интенсификации биохимических процессов их производства, направленных на повышение функциональных свойств в условиях вариабельности качества исходного сырья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :

• •    исследовать факторы, определяющие качество и функциональные свойства кисломолочных продуктов (на примере Уральского региона);

• •    обосновать целесообразность применения эффектов ультразвукового воздействия (УЗВ) в производстве кисломолочных напитков.

Материалы и методы.

Для изучения влияния ультразвукового воздействия (УЗВ) на потребительские свойства кисломолочной продукции, объектами исследования были выбраны:

• •    образцы молока коровьего сырого, производимого в областях Уральского региона, отобранные в соответствии с требованиями стандарта;

• •    модельные образцы кисломолочных напитков, подготовленные в лабораторных условиях по традиционной и модифицированной (с применением УЗВ) технологиям.

В качестве акустического источника упругих колебаний применялся аппарат ультразвуковой технологический «Волна» модель УЗТА-0,4/22-ОМ.

Образцы в объеме 250 мл обрабатывалась ультразвуком мощностью 120 Вт (30% от номинальной мощности прибора), 180 Вт (45% от номинальной мощности прибора) и 240 Вт (60% от номинальной мощности прибора), экспозиция 1, 3 и 5 минут. Каждому обработанному образцу был присвоен условный код, в зависимости от длительности и мощности воздействия ультразвуком на него (таблица 1).

Таблица 1.

Характеристика условных кодов модельных образцов

The conditional characteristic codes of models

Table 1.

Мощность обработки, Вт(% от номинальной мощности прибора) Processing power, watts (% of rated output)	Время обработки, мин Processing time, min.
	1	3	5
120 (30%)	1–30*	3–30	5–30
180 (45%)	1–45	3–45	5–45
240 (60%)	1–60	3–60	5–60

* «1–30» – означает 1 минуту обработки про 30% мощности прибора от паспортной

* “1–30”– is 1 minute of processing about 30% of the power unit from the nameplate

Для оценки микроструктуры использовали анализатор NanotracUltra (MicrotracInc., США). Измерения, проводимые на Nanotrac, соответствуют стандарту ISO 13321. Анализ размеров частиц основан на методе Динамического Рассеяния Света. Минимальный размер обнаруживаемых прибором частиц – 0,8 нм, результаты измерений имеют высокую точность и воспроизводимость.

После сквашивания были определены следующие показатели: кислотность, вязкость и массовая доля кефирана (экзополисахарид).

Количественное определение полисахарида (кефирана), производимого молочнокислыми бактериями, включает получение анализируемого раствора (Патент RU 2437092 С1).

Результаты исследования и их обсуждение

Важной проблемой, определяющей несоответствие качества реализуемых в настоящее время кисломолочных продуктов, является отклонение от нормируемых показателей характеристик сырья, обусловливающих его технологическую пригодность и пищевую полноценность конечных продуктов. Поэтому, исследование свойств и пищевой ценности молочного сырья Уральского региона позволило создать необходимый массив информации, осуществить выбор соответствующих способов воздействия в целях минимизации установленных отклонений.

Для исследований качества молочного сырья в качестве регламента применялись ТР ТС 033/2013 и ГОСТ Р 52054–2003. Результаты органолептической оценки по показателю вкус и запах (рисунок 3) варьировали в значительном диапазоне значений. Однако сохранялась общая тенденция, позволяющая установить в пробах градацию качества не ниже первого сорта. Результаты оценки физико-химических показателей качества молока, поступающего на молокоперерабатывающие предприятия, характеризуют различия в качестве, которые могут проявляться при его переработке. Анализируя данные (рисунок 4, 5), можно наблюдать, что в целом, относительно территориального критерия, вариативность показателей химического состава весьма невысокая. Так, коэффициент вариации по содержанию белка в сыром молоке имеет диапазон колебаний 1,3, по содержанию жира – 1,5, значения показателя изменяются в течение периода лактации.

Chelyabinsk region          Kurgan region           Sverdlovsk region

1 ° образцы лето-осень | samples of summer-autumn

Рисунок 3. Результаты усредненных оценок вкуса и запаха молока коровьего сырого в разные периоды лактации для разных территорий, балл

Figure 3. Results the average ratings of the taste and smell of raw cow's milk in different periods of lactation for the different territories, score

• ■    Челябинская область | Chelyabinsk region

• #    Курганская область | Kurgan region

• □    Свердловская область | Sverdlovsk region

Рисунок 4. Вариативность молочного сырья по массовой доле жира в зависимости от периода лактации и территорий получения

Figure4. Variability of raw milk a mass fraction of fat, depending on the lactation and territories receiving

0,8

0,6

0,4

0,2

• ■    Челябинская область | Chelyabinsk region

  / Курганская область | Kurgan region

• □    Свердловская область | Sverdlovsk region

Рисунок 5. Вариативность молочного сырья по массовой доле белка в зависимости от периода лактации и территорий

Figure5. The variability of milk raw materials by mass percentage of protein depending on the lactation and territories

Выявлена вариативность не только в зависимости от периода лактации, что весьма очевидно, но от территориального фактора. Содержание жира (при норме не менее 2,8%) изменяется от 3,06 ± 0,07% до 4,30 ± 0,05% (коэффициент вариации 0,17…1,53), содержание белка (при норме 2,8%) от 2,8 ± 0,03% до 3,8 ± 0,05% (коэффициент вариации 0,03…0,33), что влияет на показатели – плотность и СОМО.

В целом коэффициент вариативности по показателю «плотность» составил 5,04; по показателю «кислотность» – 3,78; по массовой доле белка -0,98; по массовой доле жира – 1,24.

В рамках работы была поставлена серия рекогносцировочных опытов, нацеленных на исследование изменений свойств сырого коровьего молока под воздействием эффектов ультразвуковой кавитации. Номенклатура показателей для установления оптимума воздействия в целях оптимизации консистенции продуктов (состояние кислотных молочных гелей) включала: активная кислотность (рН), температура, дисперсность среды, вязкость.

Диспергирование твердых компонентов в жидкости, как известно, обычно более затруднительно и требует большего расхода энергии, чем гомогенизация системы «жидкость-жидкость». Полагают, что основную роль в процессе диспергирования играет кавитация [9, 15, 17, 20], что подтверждается зависимостью скорости диспергирования от температуры. Эффекты кавитации, изменяющие объемную долю диспергированных частиц, влияют на вязкость молока, что подтверждается изменением степени дисперсности (рисунок 6).

Вместе с тем, при нарастании мощности и длительности отмечены эффекты агрегирования частиц:

─ при воздействии УЗ 30% мощности (120 Вт) в течение 5 мин (300 с) присутствуют частицы следующих фракций 2656 нм – 46,2%; 148,3 нм – 53,8%;

─ при воздействии УЗ 45% мощности (180 Вт) в течение 5 мин (300 с) присутствуют частицы двух фракций 1461 нм – 8,4%; 294,7 нм – 91,6%;

─ при воздействии УЗ 60% мощности (240 Вт) в течение 5 мин (300 с) присутствуют частицы двух размерных фракций 4320 нм – 48,9%; 152,9 нм – 51,1%.

Полученные результаты свидетельствуют о явном влиянии процесса кавитации на степень дисперсности частиц молока и, прежде всего, жировых шариков. Диспергирование влияет на ту часть белков, которые участвуют в построении новых адсорбционных оболочек жировых шариков. Белки, которые остаются в плазме, структуру и свойства не изменяют.

Ультразвуковая кавитация позволяет комплексно обеспечить заданные функционально-технологические характеристики для производства кисломолочных продуктов. Ее применение на этапах подготовки молочного сырья к сквашиванию может позволить снизить длительность процесса пастеризации, уменьшить тепловую нагрузку на молоко-сырье, что будет способствовать сохранению нативных компонентов; выступать альтернативой процессу гомогенизации и ускорить процесс ферментации при производстве кисломолочных напитков [2, 6, 8, 11–13].

Рисунок 6. Анализ дисперсной системы молока при различной длительности УЗВ 30%-ной мощности на основе результатов электронной микроскопии и дисперсного анализа

• Figure 6.    Analysis of dispersed systems of milk at different durations of RAS 30% power on the basis of the results of electron microscopy and particle size analysis

Для оценки структурно механических и синеретических свойств образовавшихся кислотных сгустков оценивали показатели вязкость и степень синерезиса в совокупности с показателем дисперсности частиц молока после УЗВ (рисунок 7).

контроль | control         5-3р0ежимы УЗВ | RAS3-m45odes            3-60

I      I синерезис, мл | syneresis ml xzzzzzza вязкость,mPa | Viscosity, mPa частицы менее 200 nm, % | particles less than 200 nm,%

Рисунок 7. Соотношение показателей титруемой кислотности, вязкости и синерезиса сгустков кефиров при различных режимах УЗВ

• Figure 7.    Ratio of titratable acidity, viscosity and syneresis clots kefir at various modes of RAS

Структурно-механические свойства, влагоудерживающая способность, синергетические свойства зависят в большей степени от состава молока, режимов тепловой и механической обработки. Применение ультразвуковой кавитации на этапе подготовки молочного сырья к сквашиванию повлияло на устойчивость сгустка к самопроизвольному уплотнению структуры [14, 16, 17].

Для дальнейшей работы в направлении создания кисломолочного напитка с выраженным функциональным действием необходимо определить оптимальные условия накопления бактериальных полисахаридов (кефирана). Актуальность данного направления в исследовании обусловлена отсутствием достаточного объема информации по этому вопросу [4, 19, 20].

Для установления оптимальных параметров УЗВ, определяющих возможность обеспечения

Y 1 = -0,065 ∙ х 1 ² – 6,968 ∙ х 2 ² – 0,15

показателей вязкости и количество кефирана в продукте, была применена методика центрального композиционного планирования, основанная на двухфакторном анализе. В качестве переменных факторов были выбраны мощность и длительность УЗВ, контролируемых показателей – массовая доля кефирана и вязкость. В результате решения задачи оптимизации были получены поверхности отклика и уравнения, адекватно их описывающие.

Обработка полученных данных позволила получить следующие уравнения регрессии (1–2), адекватно описывающие процесс изменения вязкости и накопления кефирана для образцов кефира на закваске кефирного грибка. Поверхности отклика представлены на рисунке 8, где вязкость (Y 1 ), массовая доля (М.д.) кефирана (Y 2 ):

∙ х 1 ∙ х 2 + 7,949 ∙ х 1 + 50,097 ∙ х 2 -182,036

Y 2 = -8,341 ∙ 10^–3 ∙ х 1 ² – 5,549 ∙ х 2 ² – 3,667 ∙ 10^–3 ∙ х 1 ∙ х 2 + 1,071 ∙ х 1 + 35,613 ∙ х 2 + 106,613 (2)

Вязкость

(viscosity), mPa

мощность (power), % мощность (power), % время, мин time, min

Рисунок 8. Зависимость массовой доли кефирана и вязкости от режимов ультразвукового воздействия в образцах кисломолочных напитков мг%, mРа

• Figure 8.    The mass fraction kefiran and viscosity on the modes of ultrasonic influence in the samples of fermented milk drink mg%, mPa

В результате были установлены оптимальные значения режимов УЗВ:

– для массовой доли кефирана, оптимум достигается при значениях

Х 1 = 63,512%; Х 2 = 3,024 мин.

– для показателя вязкость, оптимум достигается при значениях:

Х 1 = 58,139%; Х 2 = 2,96 мин.

Обобщенный анализ данных с учетом физического смысла определяемых величин, а также в сопоставимости с результатами дисперсной оценки молочной системы и характером развития заквасочной микрофлоры позволил установить оптимальные значения параметров для моделирования процесса формирования консистенции и накопления функциональных веществ кисломолочных напитков.