Управление процессами влагопереноса при хранении кондитерских изделий студнеобразной консистенции

Кондитерские изделия студнеобразной консистенции при хранении подвержены, преимущественно, физическим изменениям, таким как черствение или увлажнение, однако, есть отдельные случаи их «плесневения» или брожения, причиной которых являются процессы влагопереноса, а движущей силой – градиент активности воды [2–4].

Скорость перехода воды из одной фазы в другую зависит от разности равновесной и рабочей концентраций, физических свойств системы и «гидродинамической обстановки» процесса. Связь между факторами устанавливается при помощи уравнений диффузной кинетики.

Важнейшей характеристикой упаковочных материалов является их паропроницаемость. Коэффициент паропроницаемости по своей сути является индикатором барьерных характеристик полимерной упаковки по отношению к парам воды, который для полипропиленовой пленки составляет 340 см3·см/м3·сут·атм [5, 6].

В соответствии с первым законом Фика скорость молекулярной диффузии пропорциональна градиенту концентраций:

„ _n dc c² - c ¹

F = - D ≈ dx      l

где F – скорость потока (расход) проникающего вещества.

Скорость влагопереноса F определяется количеством влаги q, перемещаемой через единицу поверхности А за время t, т. е. F = q/At. Скорость влагопереноса может быть определена и как отношение количества вещества dQ, продиффундировавшего через единицу поверхности в единицу времени и зависит от градиента концентраций dc/dx [1]:

F = ^dQ

AdT ’

где A – площадь поверхности, нормальной к направлению диффузии.

Преобразуя уравнения 1 и 2, получим:

^dQ _ _£)c 2 c l

Ad τ        l

Из зависимости (3) получаем формулу расчета коэффициента молекулярной диффузии:

D ≈-    ^{Δ Q × l}     ,         (4)

A xNt x ( c - c )

Важнейшим фактором управления такими процессами является использованная упаковка.

Правильное обоснование вида использованного полимера и толщины пленки позволяет минимизировать скорость процессов влагопере-носа и обеспечить стабильность качественных характеристик кондитерских изделий в процессе их хранения.

При высвобождении капиллярно-связанной влаги в результате деградации крахмала, на поверхности изделий формируются благоприятные условия для развития микроорганизмов. При дальнейшем хранении таких изделий свободная влага мигрирует через упаковку в окружающую среду, а изделия быстро черствеют.

С целью увеличения срока годности, уменьшения скорости процессов влагопереноса в кондитерских изделиях используют различные влагоудерживающие добавки. Важнейшими сырьевыми компонентом, позволяющими управлять соотношением связанной и свободной воды в изделиях, являются различные наименования модифицированного крахмала. Такие виды крахмала различаются внутренним химическим строением, которое формирует физикохимические свойства кондитерских изделий и их срок годности.

Для сравнения влагоудерживающей способности, влияющей на риск микробиологической порчи (плесневение), проведены исследования процессов влагопереноса желейно-фруктового мармелада, изготовленных с использованием различных наименований модифицированного крахмала.

В работе представлены результаты исследования влияния различных видов модифицированного крахмала на свойства желейно-фруктового мармелада при различной температуре хранения. Поскольку изменение качества кондитерских изделий студнеобразной консистенции при хранении обусловлены процессами миграции влаги, то закономерности протекания таких процессов могут быть использованы для прогнозирования и увеличения срока годности этих изделий.

Материалы и методы

Объектами исследования являлись изготовленные упакованные в полипропиленовую плёнку с толщиной 40 мкм образцы желейнофруктового мармелада с массовой долей влаги 22,0–22,5% с содержанием яблочного пюре 15% без внесения модифицированного крахмала и с добавлением 2% модифицированного крахмала с этерифицированными фосфатными группами Е1412, с ацетильными группами Е1422, с комбинацией фосфатных и гидроксипропильных групп Е1442 и обработанный соляной, серной ортофосфорной, кислотами Е1401.

Образцы мармелада хранили в контролируемых условиях при температуре 18 °С и 28 °С при относительной влажности окружающего воздуха 40% в климатической камере «Climacell 404» (Чехия).

Органолептические показатели исследованы в соответствии с ГОСТ 6442–2014 «Мармелад. Общие технические условия».

Массовая доля влаги измерена по ГОСТ 5900 – 2014 «Изделия кондитерские. Методы определения массовой доли влаги и сухих веществ» с использованием сушильного лабораторного шкафа Sanyo Mir 262 (Япония).

Активность воды определена по ГОСТ Р ИСО 21807–2015 «Микробиология пищевых продуктов и кормов для животных. Определение активности воды» (AquaLab 3ТЕ, США).

Реологические показатели мармелада измерены на Структурометре СТ-2 (Россия).

Результаты и обсуждение

Изготовленные образцы соответствовали требованиям ГОСТ 6442–2014 «Мармелад. Общие технические условия» (таблица 1).

Таблица 1.

Физико-химические показатели желейно-фруктового мармелада

Table 1.

Physicochemical indicators of jelly-fruit marmalade

Определяемые показатели | Defined indicators	Результаты, % Results, %	ГОСТ 6442–2014, %	Методы Methods
Массовая доля влаги, % | Moisture content, %	22,0–22,5	15–22	ГОСТ 5900–2014
Массовая доля редуцирующих веществ, % Reducing substances, %	11–13	–	ГОСТ 5903–89
Прочность, г/см 2 | Strength, g/cm 2	550–700	–	МВИ № 16–00334675–2003
Активность воды | Water activity	0,72–0,74	–	ГОСТ ISO 21807–2015

Производство кондитерских изделий группы мармелада связано с проблемами управления структурно-механическими, реологическими, органолептическими свойствами путем изменения химического состава студнеобразующего сырья. Изготовление желейного мармелада является сложным технологическим процессом вследствие наличия в рецептуре большого количества рецептурных компонентов, влияющих на свойства готового изделия, таких как сахар, патока, пектин, модифицированный крахмал и другие структурообразователи [7–9].

Соотношение свободной и связанной влаги оказывает значительное влияние на текстуру и срок годности. Высокое содержание влаги может стать причиной «отмокания» поверхности, а низкое содержание, наоборот, приводит к образованию сахарной «корочки» на поверхности мармелада [10, 12, 13].

Коэффициент молекулярной диффузии через полипропиленовую плёнку служит для прогнозирования скорости влагопереноса и влияет на срок годности кондитерских изделий студнеобразной консистенции и определяется по формуле (5): молекулярной диффузии:

D ^ ^ Q x l ----,         (5)

A xA r x ( c ₂ - c )

где l – толщина упаковки, мкм; ΔQ – количество продиффундировавшей влаги, г; A – единица поверхности, м2; Δτ – длительность исследований, с.

Для прогнозирования скорости влагопе-реноса и срока годности кондитерских изделий студнеобразной консистенции предложено использовать коэффициенты молекулярной диффузии между поверхностью упаковки желейно-фруктового мармелада и окружающей средой (таблица 2).

Таблица 2.

Коэффициенты молекулярной диффузии желейно-фруктового мармелада

Table 2.

Molecular diffusion coefficients of jelly-fruit marmalade

Желейно-фруктовый мармелад Jelly-fruit marmalade	Коэффициент молекулярной диффузии, ×10 –13 м 2 /с Molecular diffusion coefficien t, × 10 –13 m 2 /s
	18 °С	28 °С
без модифицированн ого крахмала without modified starc h	0,94	2,04
с модифицированным крахмалом Е1412 with modified starch E1412	0,56	0,75
	0,56	0,94
	1,12	1,49

Коэффициенты молекулярной диффузии мармелада зависят от свойств структурообразо-вателей, температуры хранения, свойств упаковочных материалов и находятся в диапазоне от 0,56×10-13 м2/с до 2,04×10-13 м2/с.

При увеличении температуры хранения желейно-фруктового мармелада, изготовленного без добавления модифицированного крахмала, до 28 °С наблюдалась наибольшая скорость влагопе-реноса, что подтверждено наибольшим коэффициентом молекулярной диффузии 2,04×10-13 м2/с.

Однако, при температуре хранения 18 °С наибольшая скорость влагопереноса установлена для мармелада, изготовленного с использованием 2% Е1442.

Таким образом, используя различные виды модифицированного крахмала, можно управлять скоростью процессов влагопереноса желейно-фруктового мармелада, тем самым изменять срок годности изделий.

Образец желейно-фруктового мармелада, изготовленный с использованием модифицированного крахмала Е1412, при хранении оказался наиболее стабильным.

Для прогнозирования сохранности кондитерских изделий студнеобразной консистенции на примере желейного и желейно-фруктового мармелада целесообразно представление процесса влагопереноса в виде совокупности подсистем. Это позволяет представить процедуру построения указанной модели как совокупность операций по составлению математических моделей отдельных подсистем.

Представление математической модели процесса в виде совокупности подсистем (блоков) позволяет представить процедуру построения указанной модели как совокупность операций по составлению математических моделей отдельных подсистем, т. е. реализовать блочный принцип построения математической модели.

Каждый блок может иметь различную степень детализации математического описания. Входные и выходные переменные блоков должны находятся во взаимном соответствии (рисунок 1).

Рисунок 1. Алгоритм прогнозирования сохранности кондитерских изделий студнеобразной консистенции

Figure 1. Algorithm for predicting the safety of confectionery products of jelly-like consistency

При практическом использовании блочного принципа в математическом описании каждого блока на разных уровнях детализации применяются эмпирические соотношения. Обоснование вида и толщины упаковочной пленки позволяет уменьшить скорость процессов влагопереноса.

Для дополнения математической модели процессов влагопереноса в желейно-фруктовом мармеладе на основе различных видов модифицированного крахмала в составе целого изделия исследованы процессы влагопереноса (рисунки 2–4).

Использование модифицированного крахмала в рецептурном составе мармелада позволяет уменьшить скорость влагопереноса в 1,2–3 раза, что, соответственно, приводит к увеличению срока годности изделий (рисунок 2) [11, 14, 16,17].

Например, использование 2,0% модифицированного крахмала Е1412 в рецептуре желейнофруктового мармелада приводит к уменьшению скорости влагопереноса в 2,8 раза.

(Modified starch)

Рисунок 2. Скорость влагопереноса в желейнофруктовом мармеладе, содержащем различные модифицированы. крахмалы

Figure 2. The dynamics of the rate of moisture transfer in jelly-fruit marmalade containing various modified. starches

Таким образом, использование модифицированного крахмала даёт возможность управления потерями влаги при хранении мармелада. Увеличение температуры хранения приводит к значительному увеличению скорости влагопереноса (рисунок 3).

Рисунок 3. Динамика скорости влагопереноса при заданных температурах хранения

Figure 3. Dynamics of the rate of moisture transfer at specified storage temperatures of samples of jelly-fruit marmalade

При увеличении температуры хранения образцов желейно-фруктового мармелада на 10 °С скорость влагопереноса увеличивается в 2,0–2,5 раза.

Температура хранения также является важнейшим фактором управления процессами влагопереноса.

Заключение

Таким образом, установлены закономерности процессов влагопереноса кондитерских изделий студнеобразной консистенции, в том числе состоящих из нескольких полуфабрикатов. Получены фактические данные о влиянии

Исследовано влияние различных факторов на процессы влагопереноса кондитерских изделий студнеобразной консистенции на примере желейнофруктового мармелада. Показано, что увеличение температуры хранения на 10 °С приводит к увеличению скорости влагопереноса желейнофруктового мармелада, изготовленного без использования модифицированного крахмала, в 2,2 раза.

Использование 2% различных видов модифицированного крахмала позволяет уменьшить скорость влагопереноса желейно-фруктового мармелада в 1,3–1,7 раза. Использование модифицированного крахмала Е1412 позволяет уменьшить скорость влагопереноса в 1,7 раза по сравнению с контрольным образцом мармелада без добавления модифицированного крахмала. Использование модифицированного крахмала Е1401 при изготовлении желейного мармелада прогнозирует повышение сохранности изделий (отсутствие «корочки» при хранении).

Для прогнозирования потерь влаги при хранении кондитерских изделий студнеобразной консистенции предложено использовать коэффициент молекулярной диффузии, который позволяет обосновать вид структурообразователя, толщину используемой упаковки и температуру хранения изделий с заданным сроком годности без проведения длительных и трудоёмких исследований.

Петровой Наталье Александровне и Пестереву Михаилу Алексеевичу за помощь в исследованиях.