Применение сывороточных белковых ингредиентов для получения имитаторов молочного жира

Одной из важных задач молочной промышленности является рациональное использование сырья на основе безотходных технологий и эффективного использования вторичных ресурсов отрасли. Большим потенциалом характеризуется молочная сыворотка,

а также продукты ее переработки [1–4]. Особого внимания заслуживают сывороточные белковые ингредиенты, мировой рынок которых суммарно оценивается в 800 тыс. т в год (рисунок 1). Наиболее востребованными из них являются концентраты (WPC) и изоляты (WPI) сывороточного белка [5].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Рисунок 1. Мировой рынок сывороточных белковых ингредиентов

Figure 1. World market for whey protein ingredients

Спрос на сывороточные белковые ингредиенты ежегодно растет. Это обусловлено развитием индустрии функционального, детского и других видов специализированного питания. WPC 70–89 (с массовой долей белка 70–89% в составе сухих веществ продукта), а также WPI наиболее часто используют при производстве лечебного питания, детских смесей и продуктов для спортсменов. Концентраты с долей белка менее 70% направляют для обогащения традиционных продуктов и с целью замены обезжиренного молока [6].

Перспективна более глубокая модификация сывороточных белков с применением денатурации, механической обработки, ферментативного гидролиза и других методов, позволяющая расширить направления реализации этих компонентов [7]. Такие виды воздействия позволяют направленно изменять функционально-технологические свойства белковых ингредиентов для эффективного использования в пищевой промышленности. Перспективным методом регулирования состава и свойств является термомеханическая обработка (микропартикуляция), позволяющая получить уникальную структуру, имитирующую свойства жира [8–9].

Производство сухих сывороточных ингредиентов сопровождается изменением первоначальных свойств сырья: в результате физико-химических процессов частично денатурируют сывороточные белки, выпадает в осадок фосфат кальция, разрушается часть витаминов и т. п. Частицы полученных продуктов содержат небольшое количество жировых шариков, равномерно распределенных в аморфной лактозе и белке, представляющих собой непрерывную фазу [10]. Вызывает интерес поведение сывороточных белковых ингредиентов в ходе дальнейшей обработки (микропартикуляции) [11].

На структуру, свойства и направления эффективного промышленного использования имитаторов жира оказывают влияние условия термомеханической обработки. В этой связи, целью работы было исследование влияния технологических параметров (в частности доли и источника сывороточных белков, скорости вращения ротора гомогенизирующего устройства) на свойства имитаторов жира, полученных на основе сывороточных ингредиентов.

Материалы и методы

Исследования были проведены в лаборатории кафедры технологии продуктов животного происхождения ФГБОУ ВО «ВГУИТ» и ООО «Моллаб». В качестве объектов исследования рассматривали концентрат сывороточных белков, полученные на сыродельном заводе «Калачеевский», изолят сывороточных белков, приобретенный в торговой сети (таблица 1), а также образцы имитаторов свойств жира, полученные на их основе.

Таблица 1.

Состав сывороточных белковых ингредиентов

Table 1.

Whey Protein Ingredients

Компонент Component	Массовая доля, % Mass fraction, %
	WPC	WPI
Влага | Moisture	6,0	6,0
Белок | Protein	76,0	88,0
Жир | Fat	5,5	1,0
Зола | Ash	4,5	4,0
Лактоза | Lactose	8,0	1,0

Для получения имитаторов свойств жира WPC и WPI растворяли в дистиллированной воде до получения модельных растворов с массовой долей сухих веществ от 8 до 18%. Полученные растворы хранили при температуре (4±2)°С для обеспечения гидратации белков. Согласно стандартной последовательности технологических операций для получения микропартикулятов [12], растворы подвергали термомеханической обработке. Нагрев проводили до температуры (80±2)°С с выдержкой 5 мин. Механическое воздействие осуществляли с помощью цифрового лабораторного гомогенизатора HG-15D-Set-A при различных значениях скорости вращения ротора (от 5000 до 20000 об/мин).

Пробы объектов исследования отбирали и подготавливали к анализам в соответствие со стандартом ISO 707:2008 (IDF 50: 2008) Milk and milk products. Guidance on sampling. Оценку органолептических показателей проводили в соответствии со стандартом ISO 22935–2:2009 Milk and milk products. Sensory analysis. Part 2: Recommended methods for sensory evaluation. Показатели состава объектов исследования, их физико-химические свойства определяли в соответствии с Российскими стандартами. Определение вязкости проводили на ротационном вискозиметре Brookfield RVDV-II+ Pro. Микроструктуру объектов исследования оценивали с помощью бинокулярного микроскопа Альтами БИО 6.

Для определения размеров частиц применяли объект-микрометр. Степень денатурации сывороточных белков определяли центрифужным методом [13].

Математическую обработку эксперимента проводили методами математической статистики по данным 5 – 10 опытов в трехкратной последовательности. Графические зависимости на рисунках представлены после обработки экспериментальных данных по методу наименьших квадратов.

Результаты и обсуждение

Начальным этапом получения имитаторов свойств жира является тепловая обработка белковых растворов до температуры, превышающей порог денатурации (65–75 °С). Формирование из образовавшихся агрегатов частиц, схожих с жировыми шариками, происходит в ходе последующего механического воздействия. Разрушение первичных агрегатов, образованных в ходе тепловой обработки, осуществляется в результате колебания давления в потоке жидкости при вращении ротора и (или) при разрушении частиц, ввиду столкновений друг с другом.

Для растворов WPC и WPI процесс денатурации определяется, главным образом, поведением

На третьей стадии происходит образование небольших агрегатов, скрепляемых дисульфидными мостиками. Дальнейший рост температуры способствует повышению активности сульфгидрильных групп, высвобождению остатков тирозина и триптофана, что приводит к образованию новых нековалентных связей. Повышение температуры вызывает необратимую денатурацию белка с формированием высокомолекулярных агрегатов – полимеризацию. Рост агрегатов происходит ввиду броуновского движения мелких денатурированных частиц белка и их последующего столкновения друг с другом.

Рисунок 2. Схематическое изображение процесса денатурации β-лактоглобулина

Figure 2. Schematic representation of β-lactoglobulin denaturation process

Существенное влияние на процесс денатурации оказывает массовая доля белка. При повышении ее значения количество столкновений между первичными агрегатами растет, а следовательно, и вероятность коагуляции. Агрегированные молекулы β-лактоглобулина быстро и беспорядочно объединяются и осаждаются из раствора. Повышение массовой доли белка увеличивает скорость и эффективность денатурации (рисунок 3), а также приводит к увеличению вязкости раствора. Это препятствует броуновскому движению частиц, и эффективность столкновений повышается.

Mass fraction of protein, %

Рисунок 3. Влияние массовой доли белка в растворах сывороточных белковых ингредиентов на степень денатурации

Figure 3. Influence of the mass fraction of protein in solutions of whey protein ingredients on the degree of denaturation

В растворах WPI, характеризующихся высокой долей белка в сухом веществе, скорость денатурации была высокой, происходила интенсивная, необратимая коагуляция при всех концентрациях белка. Применение механического воздействия способствовало разрушению первичных агрегатов. Однако, формирования мелких частиц не происходило. Крупные частицы с небольшим коэффициентом диффузии практически неподвижны в дисперсионной среде. Они становятся центрами агрегации, к ним устремляются со всех сторон мелкие частицы с большим коэффициентом диффузии. Образующиеся агрегаты WPI характеризовались как пористые, разветвленные и полидисперсные (рисунок 4).

Рисунок 5. Влияние скорости вращения ротора на дисперсный состав частиц микропартикули-рованного раствора WPI

Рисунок 4. Микроструктура (х100) раствора WPI после термомеханической обработки (скорость вращения ротора 10000 об/мин)

Figure 4. Microstructure (x100) of WPI solution after thermomechanical treatment (rotor speed 10000 rpm)

Формирование скоплений денатурированного белка в растворах WPI можно упрощенно охарактеризовать как быструю коагуляцию, подчиняющуюся теории Смолуховского [15]. Согласно ее положений, при определенных условиях полностью исчезают силы отталкивания между частицами, а любое столкновение частиц приводит к их агрегации. Размер агрегатов быстро возрастает из-за высокой плотности раствора, а приложенное механическое воздействие лишь интенсифицирует агрегацию, за счет повышения количества столкновений между частицами. Повышение скорости сдвига при механическом воздействии приводило к еще большему увеличению агрегатов WPI (рисунок 5).

Образцы, полученные при высоких скоростях сдвига, характеризовались выраженной физической нестабильностью. После хранения в течение 24 часов в них наблюдался осадок. Доля отделившейся влаги росла с увеличением скорости сдвига. Высокая степень седиментации подтверждала большие размеры белковых агрегатов. Суспензии характеризовались как

Figure 5. Influence of the rotor speed on the disperse composition of particles of the microparticulated WPI solution

Для растворов WPC скорость денатурации и интенсивность коагуляции были ниже. Присутствие лактозы предохраняло белки от быстрой потери растворимости, стабилизируя их структуру против термического развертывания. Агрегаты, образованные в растворах WPC, характеризовались круглой компактной формой, размер частиц имел небольшой разброс (рисунок 6). Изменение массовой доли белка не оказывало существенного влияния на размер и форму частиц.

Рисунок 6. Микроструктура (х100) раствора WPC после термомеханической обработки (скорость вращения ротора 10000 об/мин)

Figure 6. Microstructure (x100) of WPC solution after thermomechanical treatment (rotor speed 10000 rpm)

При скорости вращения ротора 5000 об/мин наблюдались незначительные изменения размера первичных агрегатов в растворах WPC. Силы сдвига было недостаточно, чтобы стать причиной разрушения сгустков, образовавшихся при тепловой обработке. С ростом скорости сдвига размер частиц снижался (рисунок 7).

крупитчатые.

Скорость вращения ротора, об/мин The rotor speed, rpm

Рисунок 7. Влияние скорости вращения ротора на средний размер частиц микропартикули-рованного раствора WPC

Figure 7. Influence of rotor speed on the average particle size of microparticulated WPC solution

Более широкое распределение белковых частиц по всему объему раствора WPС (в сравнении с WPI) приводило к тому, что не все столкновения были эффективны для образования прочных связей, и не вызывали роста агрегатов. Механическое воздействие способствовало разрушению скоплений и формированию сферических частиц правильной округлой формы. Растворы характеризовались седиментационной устойчивостью, имели однородную густую консистенцию, имитирующую свойства жиросодержащих продуктов (рисунок 8).

8 ©О ®

• (a) (b) (c) (d)

Рисунок 8. Влияние скорости вращения ротора на внешний вид и седиментационную устойчивость микропартикулированного раствора WPC: a) 5000 об/мин, b) 10000 об/мин, c) 15000 об/мин, d) 20000 об/мин

Figure 8. Influence of the rotor speed on the appearance and sedimentation stability of the microparticulated WPC solution: a) 5000 rpm, b) 10000 rpm, c) 15000 rpm, d) 20,000 rpm

Заключение

Выполненные исследования позволили установить влияние условий термомеханической обработки на свойства растворов сухих сывороточных белковых ингредиентов. Установлено, что микропартикуляция раствора WPI приводит к формированию физически не устойчивых суспензий, характеризующихся полидисперсностью частиц и присутствием крупных белковых агрегатов. Такие свойства не позволяют эффективно использовать раствор WPI в качестве имитатора свойств жира. Микропартикуляция растворов WPC способствовала получению однородной устойчивой системы с монодисперсным распределением частиц по размерам. Это позволит эффективно применять растворы WPС для имитации свойств жира в различных продуктах питания.