Регулирование кинетических закономерностей меланоидинообразования в молочных консервах на основе контроля технологических параметров

Производство сгущенных молочных консервов с сахаром является одним из ключевых направлений пищевой промышленности [1]. Высокая питательная ценность, длительный срок хранения и удобство транспортировки обусловливают стабильный потребительский спрос на данную продукцию [2, 3]. Однако одним из главных технологических вызовов при ее производстве и последующем хранении является контроль над неферментативными реакциями, в частности, реакции меланоидинообразования (реакции Майяра) [4, 5].

Реакция Майяра представляет собой сложный каскад химических взаимодействий между восстановительными сахарами (лактозой) и аминогруппами белков (главным образом, лизина) молока [5]. Продукты данной реакции (меланоидины) ответственны за формирование специфического цвета, аромата и вкуса готового продукта [6-8]. Однако неконтролируемое протекание этой реакции в процессе стерилизации и особенно при хранении приводит к негативным последствиям: активному потемнению цвета, появлению несвойственного вкуса и запаха, снижению биологической ценности белка (блокировка лизина) и накоплению нежелательных соединений, таких как гидроксиметилфурфурол (ГМФ) [8-10].

Реакция Майяра представляет собой сложный многостадийный процесс взаимодействия карбонильных групп редуцирующих сахаров с аминогруппами белков, пептидов или аминокислот. В случае молочных консервов основными реагентами выступают лактоза и аминокислотные остатки молочных белков, преимущественно лизина [11, 12].

Таким образом, проблема контроля неферментативного потемнения остается центральной для технологии молочных консервов. При этом, несмотря на обширные фундаментальные знания о реакции Майяра, их практическая реализация для управления конкретно процессом производства сгущенного молока требует уточнения. В частности, необходима количественная оценка вклада каждого технологического параметра в условиях, максимально приближенных к реальным. Следовательно, системное изучение кинетических закономерностей мелано-идинообразования в данной системе является своевременной и практически значимой задачей [13, 14].

Целью настоящего исследования являлось комплексное изучение факторов, влияющих на кинетику реакции меланоидинообразования в системе «молочный белок - лактоза - сахароза», и разработка на этой основе практических мер по регулированию данного процесса для обеспечения стабильного качества молочных консервов [11, 12, 14, 15].

Задачи исследования:

• 1.    Изучить кинетические закономерности реакции меланоидинообразования в моделируемых системах, максимально приближенных к составу сгущенных молочных консервов с сахаром, при варьировании ключевых технологических параметров: температуры (в диапазоне 90–120 °C), времени термообработки (от 0 до 60 мин) и активной кислотности среды (pH 4,0–10,0).

• 2.    Установить количественные зависимости между интенсивностью реакции Майяра, измеряемой по скорости накопления промежуточного продукта - гидроксиметилфурфурола (ГМФ), и изменением оптических характеристик (цветности) продукта.

• 3.    Определить критически значимые параметры технологического процесса (сгущения, термообработки), оказывающие наибольшее влияние на скорость неферментативного побурения, и установить для них оптимальные диапазоны значений, минимизирующие нежелательное потемнение.

• 4.    Разработать практические рекомендации и технологические регламенты по контролю и управлению процессом меланоидинообразования на различных этапах производства сгущенных молочных консервов, обеспечивающие стабильность их качества и увеличение сроков хранения.

Материалы и методы

• 1.    Моделирование процесса: образцы выдерживались в термостатируемой бане при температурах 90, 100, 115 и 120 °C с варьированием времени термообработки (от 0 до 60 мин).

• 2.    Определение гидроксиметилфурфурола (ГМФ): концентрация ГМФ как промежуточного продукта реакции определялась спектрофотометрическим методом по Беляеву - Со-кульскому [3, 10].

• 3.    Измерение цветности: интегральный показатель цвета (координата L – светлота) измерялся на колориметре «ColorTec-PCM». Снижение значения L коррелировало с увеличением интенсивности потемнения.

• 4.    Определение активной кислотности (pH): pH измерялся с помощью pH-метра-ионо-мера «Эксперт-001».

Все эксперименты проводились в трехкратной повторности. Данные обрабатывались методами вариационной статистики с вычислением среднего арифметического и стандартного отклонения.

Объектом исследования служили образцы нормализованной молочной смеси для производства сгущенного молока с сахаром жирностью 8,5 % и содержанием сухих веществ 74 %.

Результаты исследования и их обсуждение

Интенсивность реакции Майяра в значительной степени зависит от температуры. Экспериментально было установлено, что повышение температуры на 10 °C приводит к увеличению скорости реакции в 2,5–3 раза (температурный коэффициент Q10 ≈ 2,8). На рисунке 1 представлена динамика накопления ГМФ при различных температурах.

—•— 90°С —•— 100°С —•—115°С —•— 120°С

Рисунок 1 – Кинетика накопления гидроксиметилфурфурола (ГМФ) в моделируемой системе при различных температурах термообработки

Как видно из рисунка 1, при температурах выше 100 °C наблюдалось резкое увеличение концентрации ГМФ уже в первые 10 - 15 мин обработки. Это свидетельствовало об интенсификации промежуточных стадий реакции Майяра.

По результатам исследований было видно, что характер кривых существенно различался в зависимости от температуры. В частности, при температурах 90 и 100 °C наблюдался практически линейный рост концентрации ГМФ в течение первых 30 - 40 мин, что может свидетельствовать о том, что реакция в этих условиях лимитировалась скоростью начальных стадий. Напротив, при 115 и 120 °C кинетические кривые имели ярко выраженный нелинейный характер с резким ростом в первые 15 - 20 мин и последующим выходом на плато. Этот факт можно объяснить истощением наиболее реакционноспособных реагентов (например, определенных фракций белка или свободных аминокислот) на начальном этапе интенсивного нагрева.

Количественный анализ кинетических кривых позволил не только констатировать факт ускорения реакции, но и оценить термодинамические параметры процесса. Рассчитанное значение температурного коэффициента Q10 ≈ 2,8 находилось в верхнем диапазоне величин, характерных для реакций в пищевых матриксах [12], что свидетельствовало о высокой энергии активации процесса меланоидинообразования в исследуемой системе. Это можно объяснить тем, что в концентрированной молочно-сахарной системе с высоким содержанием сухих веществ создавались условия, способствующие более интенсивному протеканию реакции вследствие повышенной частоты молекулярных столкновений.

Данное обстоятельство объясняет резкий, нелинейный рост скорости реакции при переходе через порог в 100 °C. Так, если при 90 °C концентрация ГМФ за 10 мин не превышала 12,5 мг/кг, то при 120 °C за тот же интервал она достигала 185 мг/кг. Столь значительная разница (почти 15-кратная) подчеркивает, что температурный фактор является не просто значимым, а определяющим и его контроль должен быть наиболее приоритетным в технологическом регламенте.

Параллельно с исследованием кинетики накопления ГМФ проводился мониторинг изменения цветности продукта. Аналогичная зависимость наблюдалась и для интегрального показателя потемнения – изменения цветности, представленная в таблице.

Таблица

Влияние температуры и времени выдерживания на изменение цветности продукта

Время, мин	Значение L при различных температурах (°C)
	90 °C	100 °C	115 °C	120 °C
0	87,5 ± 0,3	87,5 ± 0,3	87,5 ± 0,3	87,5 ± 0,3
15	84,2 ± 0,5	81,1 ± 0,4	75,3 ± 0,6	70,8 ± 0,7
30	81,0 ± 0,6	76,5 ± 0,5	66,4 ± 0,8	58,2 ± 1,0
60	76,8 ± 0,7	69,1 ± 0,8	54,9 ± 1,2	45,3 ± 1,5

Данные таблицы наглядно демонстрировали, что с увеличением температуры и продолжительности нагрева происходило статистически значимое (p<0,05) снижение показателя L, что соответствует визуальному потемнению продукта.

Интересно отметить, что динамика снижения координаты L (светлоты) хорошо коррелировала с кинетикой накопления ГМФ. Так, данные таблицы показали, что после 60 мин термообработки при 120 °C значение L снижалось с исходных 87,5 до 45,3, что визуально соответствует интенсивному потемнению. Этот факт подтверждает, что образование меланоиди-новых пигментов, ответственных за цвет, тесно связано с образованием промежуточных продуктов, таких как ГМФ.

Примечательно, что была выявлена сильная положительная корреляция (r > 0,95) между этими параметрами для всех исследуемых температур. Однако при детальном рассмотрении оказалось, что эта зависимость не является строго линейной. Так, на начальных стадиях термообработки снижение показателя L (потемнение) несколько отставало от накопления ГМФ. Объяснение этому может заключаться в том, что на первых этапах реакции образуются в основном бесцветные или слабоокрашенные промежуточные продукты (премеланоидины), и лишь затем, по мере протекания заключительных стадий, формируются интенсивно окрашенные меланоидины.

Для более глубокого понимания механизма процесса был проведен анализ полученных кинетических кривых на соответствие основным моделям химической кинетики. Обращает на себя внимание изменение формы кривых накопления ГМФ в зависимости от температуры. Наблюдаемый при 90 и 100 °C практически линейный характер роста концентрации ГМФ в течение первых 30 - 40 мин может свидетельствовать о том, что на этих стадиях процесс лимитируется скоростью начальных стадий реакции Майяра, таких как конденсация карбонильной и аминогрупп.

В противоположность этому, при более высоких температурах (115 и 120 °C) кинетические кривые приобретали явно выраженный нелинейный характер с резким экспоненциальным ростом на начальном этапе и последующим выходом на плато. Подобная динамика удовлетворительно описывается моделью реакции первого порядка, где скорость процесса пропорциональна концентрации реагентов. Выход на плато, наблюдаемый после 20 - 30 мин обработки, свидетельствал о возможном истощении наиболее реакционноспособных реагентов - прежде всего свободных аминокислот и легкодоступных лизиновых остатков в белках молока.

С практической точки зрения выявленные кинетические особенности позволяли определить два критических периода в технологии производства. Первый период (начальные стадии нагрева) характеризуется интенсивным образованием промежуточных продуктов, а второй (после достижения «плато») связан преимущественно с образованием окрашенных мела-ноидинов. Следовательно, для минимизации нежелательного потемнения особенно важен контроль именно на начальном этапе термообработки, когда закладывается основа для последующих стадий реакции.

Корреляционный анализ между накоплением ГМФ и изменением рН среды представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Зависимость скорости накопления ГМФ (за 30 мин при 115 °C) от исходного значения pH среды

Исходный pH молочной смеси составлял примерно 6,6 - 6,8. В процессе сгущения и термообработки происходила частичная деградация лактозы до молочной кислоты, что снижало pH до 6,2 - 6,4. Была исследована модель системы с преднамеренно отрегулированным pH.

Как показано на рисунке 2, реакция меланоидинообразования наиболее интенсивно протекала в слабощелочной среде (pH 7,0 - 8,0). В кислой среде (pH < 6,0) преобладали иные виды реакции, например карамелизация, а также замедлялось образование промежуточных продуктов Майяра. Сдвиг pH в щелочную сторону (рН>8,0) может приводить к деградации сахаров и другим побочным процессам. Таким образом, поддержание pH на уровне 6,4 - 6,6 является одним из факторов сдерживания нежелательного побурения.

Как известно, реакция Майяра чрезвычайно чувствительна к pH, поскольку этот параметр влияет на форму существования как амино-, так и карбонильных групп [10]. Действительно, полученные данные показали ожидаемую колоколообразную зависимость с ярко выраженным максимумом в слабощелочной зоне (pH 7,0 - 8,0). Объясняется это тем, что в данной области создаются оптимальные условия для нуклеофильной атаки непротонированной аминогруппы по карбонильной группе сахара. В то же время в кислой среде (pH < 6,0) аминогруппы протонируются, что снижает их реакционную способность, а в сильнощелочной (pH > 8,0) начинают преобладать параллельные реакции разложения сахаров [5, 8, 12].

Важно отметить, что влияние pH носило не только количественный, но и, вероятно, качественный характер. Дело в том, что сдвиг pH мог влиять на преобладающий путь протекания реакции Майяра. Например, в кислой среде могла усиливаться реакция образования фурфурола из пентоз (в случае их наличия в следовых количествах), в то время как в щелочной - альдольное уплотнение и образование более сложных пигментов. Следовательно, регулируя pH, можно не только управлять скоростью реакции в целом, но и влиять на спектр образующихся соединений, что в итоге сказывается на органолептических свойствах продукта.

Полученные данные позволили оценить сравнительный вклад каждого из факторов в общую скорость побурения. По нашим оценкам, вклад температурного фактора составил приблизительно 60 - 70 %, вклад pH - 20 - 30 %. Первостепенное внимание при контроле качества должно уделяться точному соблюдению температурных режимов на всех этапах: пастеризации, сгущения и стерилизации. Поддержание pH в узком диапазоне 6,4 - 6,6 является эффективным и относительно простым способом дополнительного подавления нежелательной реакции.

Заключение

В результате проведенного комплекса исследований была установлена количественная зависимость интенсивности реакции меланоидинообразования от ключевых технологических параметров. В частности, подтверждено, что температура является наиболее значимым фактором, а ее повышение на 10 °C ускоряет реакцию в 2,5–3 раза.

Кроме того, экспериментально доказана оптимальность слабощелочной среды для протекания реакции Майяра и установлено, что поддержание pH готового продукта на уровне 6,4– 6,6 позволяет эффективно замедлять нежелательное побурение.

Таким образом, на основе полученных данных можно утверждать, что для эффективного регулирования процесса необходим комплексный подход, включающий строгий контроль температурно-временных режимов на всех этапах. Предложенная схема контроля, представленная на рисунке 3, является практической реализацией этого подхода.

© ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ Контроль качества молока, содержание р едуцирующ их сахаров < 0.3%

—►

НОРМАЛИЗАЦИЯ Внесение сахарного сиропа, поддержание pH 6.6 ± 0.1

—►

® ВАКУУМ-ВЫПАРИВАНИЕ Температура < 65°С, контроль доли сухих веществ (74%)

—►

© ОХЛАЖДЕНИЕ Интенсивное охлаждение ДО 2О-25°С, внесение затравки лактозы

—►

® ФАСОВКА Герметичная упаковка, исключение вторичной контаминации

►

® ХРАНЕНИЕ Температура < 15°Q отсутствие прямого света, контроль сроков

Рисунок 3 – Блок-схема мероприятий по регулированию реакции меланоидинообразования в производстве молочных консервов

Проведенные исследования подтвердили решающее влияние температурно-временных параметров термообработки на интенсивность реакции меланоидинообразования в сгущенных молочных консервах. Установлено, что для минимизации потемнения необходимо строго контролировать процесс сгущения и стерилизации, избегая перегрева продукта и превышения длительности выдерживания.

Показано, что активная кислотность среды является эффективным инструментом регулирования реакции. Поддержание pH готового продукта на уровне 6,4 - 6,6 позволяет сместить химические превращения в сторону менее интенсивного образования меланоидиновых пигментов.

Внедрение предложенных мероприятий позволит получать продукцию с предсказуемыми органолептическими свойствами и увеличенным сроком годности без использования нежелательных химических ингибиторов.