Ультразвуковая кавитация как фактор гомогенизации восстановленного молока-сырья и продуктов на его основе

Молоко и молочные продукты занимают важное место в рационах питания человека, и уровень их качества регламентируется перечнем нормативных документов. Качество молочных продуктов определяется как сырьем, так и условиями осуществления технологических процессов их производства. При выработке молочных продуктов на основе сухого молока – помимо строгого контроля за этапом его восстановления – немаловажно следить и за другими этапами технологического цикла, в частности этапом гомогенизации.

Гомогенизация – это способ механической обработки молока и жидких молочных продуктов. Служит для повышения дисперсности компонентного состава, что позволяет исключить отстаивание жира во время хранения молока, развитие окислительных процессов, дестабилизацию и подсбивание при интенсивном перемешивании и транспортировании. При производстве продуктов на основе восстановленного молока-сырья гомогенизация способствует созданию наполненности вкуса продукта и предупреждению появления водянистого привкуса.

Известно, что молоко является сложной полидисперсной системой: белок содержится в виде коллоидных частиц, размер которых составляет от 15 до 300 нм, жировая фаза представлена в виде грубодисперсных частиц различной величины (диаметр жировых шариков от 0,5 до 10 мкм). Другие составные части молока находятся в ионно-молекулярном состоянии с размерами частиц около 1 нм и менее. Водные растворы одних веществ являются дисперсионной средой для других [1–3]. При установлении тесной взаимосвязи между фазами формируется единая равновесная система мо- лока, разрушение которой может быть вызвано любыми изменениями в содержании и состоянии составных частей молока [4–8], и это является неблагоприятным фактором. Равновесное состояние компонентов молока в системе характеризует его хорошую усвояемость.

Ультразвуковая обработка способствует возникновению в жидкой среде эффекта кавитации – импульсов сжатия и микропотоков от движения в различных направлениях, схлопывания и слияния друг с другом возникающих в жидкости массы пульсирующих пузырьков. В результате указанных эффектов происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), жидкость перемешивается, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Степень и глубина кавитационных процессов определяются условиями ультразвукового воздействия [9–11].

Следовательно, можно предположить возможное влияние ультразвуковой кавитации на стабилизацию компонентного состава молочной среды при ультразвуковом воздействии на нее. Что, в свою очередь, позволяет отказаться от отдельного этапа гомогенизации при производстве молочных продуктов

Это подтверждают проведенные нами исследования.

Ультразвуковая обработка внедрялась на различных этапах восстановления сухого молока:

• 1)    до внесения сухого молока (только воды);

• 2)    после внесения сухого молока (совместная обработка воды и сухого молока).

Результаты представлены на рис. 1–4.

Сравнительный анализ данных по дисперсному составу образцов восстановленного молока-сырья свидетельствует о влиянии ультразвука на активацию процесса восстановления с гомогенизацией состава частиц по размерным признакам. С увеличением длительности обработки диаметр частиц снижается (рис. 5).

Все образцы характеризуются двухфазным составом частиц, относящихся к различным размерным рядам, что свидетельствует о гетерогенности структуры восстановленного молока-сырья. Это влияет как на степень усвояемости молочного продукта, так и на пригодность его для сквашивания при дальнейшем использовании в качестве сырьевого компонента кисломолочной продукции. Обработка воды ультразвуковым воздействием снижает диаметр частиц молока и в целом гомогенизирует состав по размерным признакам, положительное воздействие ультразвуковой кавитации на систему молока-сырья прослеживается уже с первой минуты обработки и в дальнейшем во взаимосвязи с увеличением временем обработки. В контрольном образце треть состава (32,5 %) приходится на крупные частицы диаметром в среднем 507,0 нм; 67,5 % состава представлено частицами размером 176,1 нм, что характеризует большие колебания по диаметру частиц. Обработка в течение одной минуты приводит к изменению размерных фаз частиц в среднем на 10,7 – 15,9 %, 3 минуты – на 19,3 %, 5 минут – на 23,8 – 30,6 %, что в целом характеризует способность обработанной воды активизировать процессы растворения агломератов сухого молока.

Согласно данным рисунков третьей серии образцов, обработка на этапе механического смешивания компонентов [сухое молоко + вода] оказывает большее гомогенизирующее воздействие на дисперсный состав с выравниваем размерных характеристик частиц молока-сырья, причем степень воздействия определяется временем (рис. 6–8).

Также отмечено, что обработка в одну минуту снижает средние пофазные размеры частиц на 42,3 и 53,1 %, 3 и 5 минут выравнивают структуру молока-сырья до частиц одного размерного ряда (см. рис. 8), что в последствии может оказывать влияние на усвояемость вырабатываемого молочного продукта.

Сопоставляя данные, полученные при одинаковой длительности обработки (3 минуты) на разных этапах технологического цикла, можно в качестве приоритетной выделить совместную обработку механической смеси [сухое молоко + вода] на этапе восстановления (рис. 9).

Кавитационное воздействие усиливается механическим и способствует формированию однородной структуры с уменьшением размеров частиц: 202,2…243,10 нм. Данные рис. 10 конкретизируют полученные результаты в размерных рядах.

Таким образом, серией опытов установлено, что обработка механической смеси [сухое молоко + вода] при восстановлении имеет более выраженную тенденцию в положительную сторону, когда размер частиц уменьшается в среднем до (202 ± 30) нм. Увеличение времени обработки увеличивает степень дисперсности и гомогенизирует состав восстановленного молока-сырья.

Рис. 1. Кривая распределения частиц дисперсной системы восстановленного молока-сырья, полученного по традиционной технологии ( контроль )

Рис. 2. Кривая распределения частиц дисперсной системы молока-сырья, восстановленного водой УЗ (1 мин воздействия)

Рис. 3. Кривая распределения частиц дисперсной системы молока-сырья, восстановленного водой УЗ (3 мин воздействия)

Рис. 4. Кривая распределения частиц дисперсной системы молока-сырья, восстановленного водой УЗ (5 мин воздействия)

Рис. 5. Долевое соотношение размерных фракций в образцах восстановленного молока-сырья, нм%

Рис. 6. Кривая распределения частиц дисперсной системы восстановленного молока-сырья, обработанного УЗ (1 мин воздействия)

Рис. 7. Кривая распределения частиц дисперсной системы восстановленного молока-сырья, обработанного УЗ (3 мин воздействия)

Рис. 8. Кривая распределения частиц дисперсной системы восстановленного молока-сырья, обработанного УЗ (5 мин воздействия)

восстановленное молоко-<ьфье обработанное УЗ (5 ТПШ>

восстановленное молоко-тьтрье обработанное УЗ 13 пинт

восстановленное мопою-скфке. обработанное УЗ 11 или.)

нолот.о-тьфье, восстановленное по традпцтонной технологии (контроль)

Рис. 9. Долевое соотношение размерных фракций в образцах восстановленного молока-сырья, обработанного УЗ, нм%

Рис. 10. Размер дисперсных частиц и их объемное распределение в фракциях восстановленного в разных условиях молока-сырья, нм%

В дальнейшем это отражается и на органолептических характеристиках молочного напитка, полученного на основе восстановленного молока-сырья.

Для органолептической оценки применялась разработанная на основе экспертного метода балловая шкала, в которой основное внимание уделяется характеристике единичных показателей качества, коэффициентам весомости показателей, принципам дифференцирования качества товаров по результа-

там балловых оценок. Оценивая каждое свойство по балльной системе, использовали цифровую дискретную интервальную пятибалльную шкалу с учетом отклонения от установленных заранее требований к органолептическим свойствам продукта. Результаты оценки представлены как средние значения по группе [12].

Для облегчения представления и анализа данных принята следующая система обозначений:

– объект 3.1 – восстановленное молоко-сырье, полученное по традиционной технологии (контроль);

– объект 3.2 – восстановленное молоко-сырье, полученное посредством обработки ультразвуком мощностью 120 Вт в течение 3 минут смеси воды и сухого молока сразу после его внесения, с последующей выдержкой (обозначение: «молоко-сырье, обработанное УЗ»).

– объект 3.3 – восстановленное молоко-сырье, полученное посредством восстановления сухого молока на воде, предварительно обработанной ультразвуковым воздействием мощностью 120 Вт в течение 3 минут (обозначение «молоко-сырье, восстановленное водой УЗ»).

– объект 3.4 – восстановленное молоко-сырье, полученное двухэтапной обработкой ультразвуком: на первом этапе обработке подвергнута вода, на втором – механическая смесь сухого молока и обработанной воды, с последующей выдержкой (обозначение «молоко-сырье двухэтапной обработки УЗ»).

Результаты органолептической оценки свидетельствуют, что по показателям «консистенция», «внешний вид» и «цвет» образцы были практически идентичны, с небольшими различиями. Все молочные напитки представляли собой непрозрачные жидкости, имели однородную, не тягучую или слегка тягучую консистенцию, без хлопьевидных включений, лишь в контрольном образце и образце молочного напитка, восстановленном водой УЗ (3.3*), отмечены в осадке частицы нераство-рившегося сухого молока. Цвет образцов молочного напитка – равномерный по всему объему, молочно белый, с синеватым оттенком большей или меньшей интенсивности (рис. 11).

Наличие в двух образцах (контрольном и 3.3*) видимых нерастворившихся частиц сухого молока способствовало снижению их баллов по показателям «внешний вид» до значений 4,1 и 4,3 и «консистенция» – до 4,2 и 4,8 соответственно. По показателю «цвет» все образцы получили наибольшее значение – 5 баллов – вследствие отсутствия посторонних оттенков в цвете.

--Молочный напиток (контроль)

— • Молочный напиток (на основе молока-сырья 3.2*)

----Молочный напиток (на основе молока-сырья 3.3*)

.......Молочный напиток (на основе молока-сырья 3 4*)

Рис. 11. Профилограмма органолептических показателей молочных напитков (по усредненным значениям показателей)

Разница в образцах отмечена по вкусу и запаху молочных напитков. Контрольный образец (традиционная технология восстановления - без УЗ обработки) имел выраженный запах, сладковатый, без посторонних оттенков (4 балла), вкус выраженный, с явным привкусом тепловой обработки молока, водянистый (3,7 балла). Молочный напиток, обработанный УЗ (3.2*): запах хорошо выраженный, без посторонних оттенков, едва уловимый запах кипячения слабой интенсивности (5,0 баллов); вкус - полный, хорошо выраженный, без посторонних оттенков, не водянистый. Сглаженный вкус сладости (4,9 баллов).

Молочный напиток, восстановленный водой УЗ (3.3*): запах слабовыраженный, со слабыми ароматами сладости и кипячения (4,5 балла); вкус маловыраженный, излишне сладковатый, слегка водянистый (3,9 балла).

Молочный напиток двухэтапной обработки (3.4*): запах маловыраженный с легкими лактонными оттенками (4,0 балла); вкус -слабовыраженный, с послевкусием горечи (3,6 балла).

Обобщение результатов органолептической оценки указывает на выраженное влияние ультразвукового воздействия на органолептические показатели, и в большей степени на вкус и запах. Самые высокие значения показателей качества были у молочного напитка, полученного на основе УЗ обработки механической смеси сухого молока и воды. В совокупности образец получил (24,9 ± 0,2) балла, что соответствует высшей градации качества (25 - 22 балла), приближенной была оценка молочного напитка, полученного на основе обработанной ультразвуком воде ((22,5 ± 0,2) балла), что указывает на повышение растворяющей способности кавитационно обработанных жидких сред. Фактически ультразвуковое воздействие выступает катализатором процесса экстракции вкусоароматических веществ и при правильном выборе режима обработки позволяет регулировать органолептические характеристики молочного продукта.

Таким образом, так как ультразвуковая обработка обладает диспергирующими свойствами, то использование ее в технологиях производства молочных продуктов на этапе механической смеси сухого молока и воды (уже после растворения сухого молока) позволяет отказаться от этапа гомогенизации, что положительно влияет на потребительские свойства молочных напитков и интенсифицирует процесс их производства.