Роль температурного фактора в гидратации пищевого казеината

В соответствии с действующей нормативной документацией, специализированные пищевые продукты отличаются измененным составом сырья и улучшенной пищевой ценностью [1]. Распространенным направлением моделирования формул специализированных пищевых продуктов является введение в их рецептуры белков, обладающих высоким аминокислотным рейтингом, например белков молочного происхождения [2–5]. Не являются исключением и специализированные продукты энтерального питания [6]. Согласно действующим техническим условиям на продукты энтерального питания [7] для их производства могут быть использованы ингредиенты на основе казеина и сывороточных белков. Основанием служат не только высокая пищевая ценность, но и хорошая усвояемость этих белков.

Белки молочного происхождения представлены на рынке в разных формах. Каждый из индивидуальных молочных белков обладает определенными технологическими свойствами и физико-химическими характеристиками, которые определяют дальнейшее направление и возможности использования этих ингредиентов в производстве того или иного вида специализированных пищевых продуктов. Поскольку специализированные пищевые продукты практически всегда представляют собой многокомпонентные пищевые системы, готовых технологических решений по введению изолированных молочных белков в основное сырье почти не существует.

Например, в научной литературе встречается противоречивая информация о гидрофильных свойствах белков в зависимости от разных факторов, в частности, от температуры. С одной стороны известно, что после нагревания до 40 °С и выше нативная конформация белков может нарушаться в результате раскручивания полипептидных цепей. В итоге на поверхности оказываются гидрофобные участки, что ведет к снижению растворимости. Одновременно есть данные о том, что после температурной денатурации связывание воды может возрасти именно по той же причине – разворачивание полипептидных цепей и увеличение площади поверхности белковых частиц [8]. Из-за особенностей технологии получения, пищевые казеинаты представляют собой денатурированные в плане нативных физико-химических свойств, но не в плане пищевой ценности, белки. Следовательно, условия ренатурации казеинатов, в частности их гидрофильный свойства, представляют интерес не только, с точки зрения научных исследований, но и с точки зрения практического применения.

Установленное в нормативной документации понятие «индекс растворимости» не является эквивалентом гидратируемости сухих ингредиентов [9]. Методика определения индекса растворимости основана на измерении объема нерастворившегося осадка в восстановленной пробе сухого продукта, но не характеризует динамику процесса. Растворимость же сухих ингредиентов зависит от дисперсности частиц, их смачиваемости и других свойств, которые в значительной степени влияют на параметры технологии. Следовательно, изучение отдельных этапов технологических процессов в системах с изолированными белками молока имеет определенную актуальность.

Объектом данного исследования выбран этап гидратации одной из разновидностей пищевого казеината, поскольку в производстве жидких продуктов энтерального питания диспергирование ингредиентов рецептуры в воде является необходимой стадией технологического процесса. В случае производства сухих продуктов энтерального питания их следует восстанавливать в воде перед употреблением.

Научная гипотеза включала предположение, что путем варьирования температуры гидратации и количества добавленного пищевого казеината будут определены оптимальные режимы диспергирования данного ингредиента в воде.

Цель работы – изучение влияния температурного фактора и концентрации пищевого казеината на скорость его гидратации.

Задачи работы включали:

– получение водных дисперсий с разным содержанием пищевого казеината в различных температурных условиях;

– математическая обработка и анализ экспериментальных данных.

Материалы и методы исследования

В работе использовали пищевой казеинат натрия отечественного производства (ООО «Тагрис»).

Предметами исследования служили водные дисперсии казеината натрия. Вариативные факторы: концентрация казеината натрия от 1 до 10% с шагом 1% и температурой диспергирования 40, 60 и 80°С. Контролируемый показатель – продолжительность растворения пищевого казеината.

Навески сухого пищевого казеината вносили при непрерывном помешивании в питьевую воду, предварительно подогретую до 40, 60 и 80 °С. Термостатирование образцов вели при этих же температурах, не прекращая помешивания, и продолжали до образования однород- ной дисперсии без видимых комочков и хлопьев пищевого казеината.

В эксперименте принята 3–5-кратная повторность. Статистическая обработка данных выполнена с использованием пакетов программ Microsoft Excel и Statistica. Принятый уровень достоверности 95%.

Результаты

В заявленном производителем составе казеината натрия указана массовая доля белка 58,53%, жира и углеводов - 17,5% и 15,0% соответственно. Общее содержание сухих веществ было равно 94,3%.

Внешне ингредиент представлял собой белый рассыпчатый порошок с приятным молочным запахом. В процессе растворения не прилипал к стенкам посуды и шпателю, но комковался при погружении в воду. Начиная с концентрации 5% и выше в массе системы, придавал ей насыщенный молочный цвет. При перемешивании комочки разрушались. Важно отметить, что все исследованные системы не давали образования пены при непрерывном диспергировании.

В выбранном интервале варьирования казеината натрия от 1 до 10% по массе водной дисперсии наибольший диапазон колебаний приходился на массовую долю сухих веществ в системах и составлял 8,19%. Для сравнения диапазон колебаний белков составлял 5,26%, жиров и углеводов - 1,57 и 1,35% соответственно. С учетом этих данных показатели продолжительности растворения казеината натрия проанализированы в зависимости от массовой доли сухих веществ в водных дисперсиях.

По полученным данным установлены линейные зависимости продолжительности растворения казеината натрия от общего содержания сухих веществ в системах при всех температурных режимах. Функциональные зависимости продолжительности растворения казеината натрия (τ) от массовой доли сухих веществ в водных дисперсиях (W_св) при разных температурных режимах представлены в таблице . Величина коэффициентов корреляции указывает на очень высокую взаимосвязь между продолжительностью растворения казеината натрия и массовой долей сухих веществ в водных дисперсиях.

Таблица 1 – Сводные данные математической обработки продолжительности растворения казеината натрия

Температура диспергирования, °C	Уравнение зависимости	Предельные значения продолжительности растворения, мин		Коэффициент корреляции
		τ min	τ max
40	τ = 8,25 + 5,01 ⋅ Wсв	12,81	53,86	0,991
60	τ = 8,02 + 3,86 ⋅ Wсв	10,82	43,17	0,994
80	τ = 4,20 + 4,01 ⋅ Wсв	7,85	40,69	0,992

Анализируя предельные значения продолжительности растворения (таблица 1) очевидно, что при более высокой температуре скорость растворения пищевого казеината возрастала, а, следовательно, продолжительность процесса уменьшалась. Так, при минимальном содержании казеината натрия в дисперсии 1% расчетная продолжительность растворения ингредиента при 40 °С составляла (12,81±0,64) мин и (13,9±0,69) мин – экспериментально установленная, а при 80 °С расчетная продолжительность растворения ингредиента достигала (7,85±0,39) мин и (8,80±0,43) мин – экспериментально установленное значение соответственно.

Диаграммы рассеяния зависимостей длительности растворения от концентрации сухих веществ представлены на рисунке 1.

в

Рисунок 1 – Диаграммы рассеяния продолжительности растворения казеината натрия: а – при 40 °C, б – при 60 °C, в – при 80 °C

Обсуждение

Процесс растворения сухих ингредиентов из молочного сырья проходит через несколько стадий, каждая из которых имеет определенную протяженность во времени. В классическом представлении начало процесса, называемое «набухание», заключается в диффузии молекул растворителя в поры и полости агрегированных частиц сухого ингредиента. По мере набухания объем растворяемых частиц увеличивается и расстояние между их макромолекулами возрастает настолько, что молекулы биополимеров начинают отделяться друг от друга и переходить в область растворителя. Завершается процесс растворения равномерным распределением молекул полимера по всему объему системы [8].

Такое упрощение процесса растворения сухих молочных ингредиентов, даже в двухкомпонентных системах, дает лишь представление о фазовых переходах. Однако определить стандартные кинетические характеристики систем с ингредиентами из молочного сырья на отдельных этапах растворения можно только эмпирическим путем, потому что динамика растворения молекул биополимеров, в данном случае белков молока, не подчиняется правилу Вант-Гоффа и закону Аррениуса.

С точки зрения технологии, физико-химические показатели и свойства различных изолированных молочных белков варьируются в широком диапазоне [10]. В частности, растворимость, смачиваемость, диспергируемость, вспениваемость, эмульгируемость, термостойкость и другие характеристики пищевых казеинатов отличаются в зависимости от способа их получения [11, 12]. Кроме того, специализированные пищевые продукты практически всегда представляют собой многокомпонентные дисперсные системы, в которых большое влияние на каж- дый ингредиент оказывает окружение. Следовательно, почти не существует готовых технологических решений по введению изолированных молочных белков в основное сырье. В ряде исследований и некоторых технологических инструкциях производителей сухих ингредиентов из молочных белков указана возможность растворения казеината при (40±5) °С [13]. В условиях данного эксперимента гидратация казеината натрия также была осуществима при 40 °С. Однако только при его концентрации 1 и 2% продолжительность растворения была приемлемой для подготовки смеси при восстановлении дома или в стационаре и составляла 15 и 17 минут соответственно. При более высоком содержании данного казеината в составе смеси процесс значительно удлинялся и при массовой доле ингредиента 10% достигал 57 минут. Сокращение процесса растворения достигнуто при 80 °С, но и в этом случае расчетная продолжительность растворения максимальной концентрации казеината натрия была значительной и составляла (40,69±2,03) минут и (41,5±1,1) минут, определяемая экспериментальным путем.

Заключение

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

Использование в производстве сухих продуктов энтерального питания данного казеината натрия нежелательно, поскольку при температуре 40 °С, приемлемой для подготовки смеси к употреблению дома или в стационаре, даже при концентрации ингредиента 1 и 2% продолжительность его растворения составляла соответственно (13,9±0,69) и (16,5±0,82) минут.

При 80 °С было достигнуто сокращение процесса растворения до (8,80±0,43) минут при минимальной концентрации данного казеината натрия и до (41,5±2,08) минут – при максимальной концентрации. Такой температурный режим применим в технологии производства жидкой формы продуктов энтерального питания и может быть совмещен с процессом пастеризации смеси.

Большим преимуществом данного казеината натрия при промышленном производстве специализированной пищевой продукции будут его незначительные пенообразующие свойства, что важно для стабильной работы оборудования.

Новизна данных исследований включает получение функциональных зависимостей продолжительности растворения в воде казеината натрия от массовой доли сухих веществ и температуры, а также обоснование потенциальной возможности использования данного казеината натрия в производстве жидких продуктов энтерального питания.

Материал подготовлен в рамках государственного задания FGMF-2025-0011.