Влияние технологических факторов на структурно -механические свойства пищевых продуктов

В основе производства кисломолочных продуктов лежит кислотная коагуляция казеина, в результате которой в конечном итоге образуется пространственная структура геля. Качество продукта во многом обусловлено интенсивностью формирования структуры и реологическими свойствами системы.

Для определения вязкостных свойств кисломолочных продуктов применяется вискозиметр М.П. Воларовича и прибор типа «Реотест».

В литературе мало данных, характеризующих такие реологические свойства кисломолочного сгустка, как упругость и эластичность, хотя показано, что их определение позволяет полнее характеризовать свойства кислотного геля молока.

Для установления упругих и эластичных свойств кисломолочного сгустка в зависимости от режимов пастеризации молока, вида заквасок и рецептурного состава сырья С. Урбене и Р. Раманаускас использовали метод, основанный на определении кинетики деформации при тангенциальном смещении пластинки внутри неразрушенной системы. Нагрузка была постоянной для отдельных серий опытов и не превышала значений, соответствующих появлению признаков разрушения системы. Деформация определялась как для нагруженной, так и для разгруженной пластины. Сгусток подвергался исследованию в конце сквашивания при достижении активной кислотности рН 4,4-4,6. Были установлены реологические показатели кисломолочного сгустка в зависимости от температуры пастеризации, применения ступенчатого режима пастеризации в производстве кефира.

Вследствие пастеризации молока при 90 0С мгновенная упругая деформация уменьшается в 4,6 раза, а медленная эластичная деформация – в 7,5 раза. При этом условно-мгновенный модуль упругости (Е1) увеличивается на 21326 Па, модуль эластичности (Е2) – в 7,5 раза. Время релаксации (Θ) уменьшается от 1855 с в сгустке из сырого, до 756 с – из пастеризованного при 90 0С молока.

Пастеризация молока при 87 0С с последующим понижением температуры на 10 0С и повторным ее доведением до 87 0С способствует усилению денатурации сывороточных белков и увеличению дисперсности казеиновых частиц. Создаются условия для интенсивного образования новых контактов между белковыми частицами. Вследствие этого повышается упругость, эластичность и вязкость η сгустка. Е1 повышается на 335 Па, Е2 – на 4334 Па по сравнению с контрольным образцом, полученным из молока, пастеризованного только при 87 0С. Характерно, что с повышением упругости и эластичности повышалась вязкость.

Установлено также изменение упругих и эластичных свойств пахты, кефира и сметаны в зависимости от повышения содержания сухих веществ в них. Пастеризация во всех случаях производилась при 85 0С. Анализ полученных данных показывает, что добавление белков приводит к значительному изменению реологических свойств продуктов. С увеличением концентрации белка образуется больше контактов между элементами структуры. С увеличением СОМ до 2 % в диетической пахте мгновенно-упругая деформация уменьшается в 2 раза, а эластичная – на 30,9 %. Это приводит к увеличению Е1от 649 до 1135 Па.

При постоянной нагрузке эластичная деформация развивается незначительно. Очевидно, это связано с образованием более прочных фазовых контактов между структурными элементами. Вязкость увеличивается в 6 раз.

Возрастает время релаксации. Это объясняется наличием в системе сравнительно большего количества структурных элементов по сравнению с образцом без добавления СОМ.

Аналогичным образом меняются реологические показатели сквашенной пахты.

При изготовлении кефира содержание белков в нем с добавлением казеина (КН) повышается. КН способствует образованию большего количества контактов на единицу объема дисперсионной среды по сравнению с добавлением 2 % СОМ. Это приводит к большему изменению мгновенно-упругой и эластичной деформации. Модуль упругости в кефире в 4 раза выше по сравнению с пахтой. КН способствует значительному повышению Е2 и Е. Вязкость увеличивается в 2,6 раза.

Добавление КН в сметану разной жирности приводит к увеличению Е2 в 2,6-3,0 раза и Е – в 3,6-4 раза. Е2 в сметане с повышением жирности с 20 % до 36 % увеличивается от 1089 до 3891 Па. В образцах с добавлением КН этот показатель изменялся соответственно от 4540 до 9080 Па, причем время релаксации в опытных образцах увеличивается интенсивнее, чем в контрольных без добавления КН. Аналогично меняется вязкость и модули, характеризующие эластичность и упругость системы.

В образовании структуры сметаны более высокой жирности проявляется суммарный эффект, обусловленный возрастающей ролью жира в этом процессе.

Также исследованию подверглись следующие закваски: кефирная, ацидофильная, типов «К» и «Л». Наиболее выраженными эластическими свойствами отличается закваска типа «Л». Она характеризовалась самым высоким удельным содержанием активной по кислотообразованию микрофлоры, представленной в основном штаммами Str.lactis. Закваска из ацидофильной палочки также обладает выраженными эластичными свойствами. Кефир имел менее выраженные упругие свойства. Модуль упругости его был на 265 Па меньше, чем у ацидофильного молока. Очевидно, это связано с образованием углекислого газа, который в некоторой степени разрушает структуру. Закваска типа «К» имела наименьшую вязкость. Ее эластичная деформация была наибольшей.

Об этом свидетельствует и время релаксации, изменение которого показывает, что при деформации подвижность структурных элементов выше. С увеличением энергии кислотообразования отдельных штаммов повышается прочность, эластичность и вязкость кисломолочного сгустка. Это достигается за счет формирования большего количества прочных структурных связей при уменьшении эластичных свойств структуры. Неактивные продуценты молочной кислоты образуют нежную структуру, обладающую более выраженными эластичными свойствами.

Исследования показывают, что кисломолочный гель можно отнести к твердообразным системам. Изменение упругости всегда сопровождается изменением вязкости. Она довольно чувствительно характеризует влияние разных технологических факторов. Поэтому вязкость можно отнести к наиболее важным показателям, характеризующим консистенцию кисломолочных продуктов. Белковые добавки увеличивают упругость и вязкость молочного геля. Повышение содержания СОМ, по сравнению с добавлением КН, не вызывает в кисломолочных продуктах прироста величины Е2.

Влияние дисперсной фазы на свойства кисломолочного сгустка. Б. Малакаускене (Вильнюс) и др. были исследованы влияние содержания жира и его дисперсности на реологические свойства кисломолочного сгустка.

Дисперсность жировой фазы варьировалась с помощью гомогенизации исходных образцов молока и сливок. Реологические свойства исследовались с помощью ротационного вискозиметра «Реотест-2» Градиент скорости составлял 473,4 с-1, температура – (13,5±0,1) 0С.

Результаты исследования влияния концентрации и дисперсности жировой фазы на вязкость кисломолочного сгустка, показывают, что при увеличении жирности от 0 до 10 вес, %, вязкость образцов, полученных из раздельно гомогенизированного молока практически не изменяется. Увеличение давления гомогенизации от 0 до 14 + 2 МПа также не влияет на величину вязкости кисломолочного сгустка в в исследованном диапазоне жирности. Вязкость сгустка, полученного из негомогенизированного обезжиренного молока, отличается от вязкости образца жирностью 10 вес.% и гомогенизированного даже при давлении 14 + 2 МПа всего на 3,6 10-3 Па с, что не превышает погрешности определения величины вязкости.

Вязкость сгустка из полностью гомогенизированного молока (давление 20 МПа), при увеличении жирности в интервале 0-10 вес.% нарастает незначительно: всего на (10-15) 10-3 Па с. При полной гомогенизации происходит еще больший рост величины вязкости, максимальное значение которой – 101·10-3 Па·с.

Установленный характер зависимости величины вязкости от давления гомогенизации и жирности кисломолочного сгустка можно объяснить следующим образом. При невысокой жирности (0-10 вес.%) из-за относительно малого числа жировых шариков и, следовательно, достаточно больших расстояний между ними влияние взаимодействия частиц дисперсной фазы на значение вязкости кисломолочного сгустка, вероятно, незначительно. Поэтому вязкость сгустка в основном определяется структурными связями белкового каркаса, сформировавшимися в результате сквашивания. Это подтверждается как неизменностью величины вязкости сгустка, сформированного из раздельно гомогенизированного молока, так и незначительным ее ростом для образцов, полученных из полностью гомогенизированного молока. Различие величин вязкости сгустков, образованных из раздельно и полностью гомогенизированного молока, вероятно, обусловлено неодинаковыми изменениями дисперсности жировой фазы при разных способах гомогенизации. Заметим, что в полностью гомогенизированном молоке, когда очевидно, что дисперсионная среда содержит большее количетво белка, чем в раздельно гомогенизированном молоке, адсорбционные оболочки, формирующиеся вокруг жировых шариков, могут отличаться от оболочек, сформированных при раздельно гомогенизированном молоке в условиях «нехватки» поверхностно-активного белкового вещества. Это обстоятельство также в определенной степени влияет на значение вязкости сгустка.

Существенное увеличение вязкости сгустка, содержащего 20 вес.% жировой фазы, возможно, связано с ростом числа жировых шариков, уменьшением расстояния между ними и, соответственно, увеличением влияния взаимодействия частиц дисперсной фазы на структурную вязкость кисломолочного сгустка. Сопоставление значений вязкости обезжиренного сгустка и сгустка, содержащего 20 вес.% жира, позволяет определить влияние взаимодействия частиц жировой фазы на вязкость сгустка и утверждать, что при высокой жирности процесс формирования струтуры и ее структурно-механические свойства определяют взаимодействие жировых шариков. Предполагается, что повышение жирности усиливает влияние коагуляционных контактов на структуру сгустка по сравнению со связями, возникающими в результате действия бактериальных заквасок. Это обстоятельство проявляется, вероятно, в усилении тиксотропных свойств структуры кисломолочного сгутска.

Следует отметить, что представленные результаты исследования имеют важное значение для производства кисломолочных продуктов. Известно, что гомогенизация молока улучшает вкусовые качества молочных продуктов и повышает их пищевую ценность, однако может вызвать и нежелательные эффекты, в частности уплотнение сгустка. Полученные данные свидетельствуют, что при раздельно гомогенизированном молоке не меняются реологические свойства кисломолочного сгустка, а вкусовые качества улучшаются. Все это позволяет утверждать, что применение раздельной гомогенизации молока в производстве кисломолочных продуктов целесообразно.

Исследование влияния температуры и времени выдержки расплавленной сырной массы на реологические свойства и консистенцию плавленых сыров. Важным показателем качества плавленого сыра является консистенция, которая формируется на протяжении всего технологического цикла его изготовления и зависит от комплексного влияния многих факторов технологического характера (сырье, вид соли-плавителя, температура и продолжительность плавления, температура хранения и др.)

Процесс формирования структуры и консистенции плавленого сыра сложен и, в основном, имеет физико-химическую природу явлений, вызывающих глобальные преобразования структуры сычужного сыра во время его плавления со специальными химическими реагентами - солями-плавителями. Под действием высокой температуры при интенсивном перемешивании грубодисперсная механическая смесь компонентов преобразуется в однородную мелкодисперсную коллоидную систему, которая при последующем охлаждении в состоянии покоя переходит в гель.

Процесс плавления достаточно хорошо изучен и регламентирован в технической документации по производству плавленых сыров. В частности, установлено, что консистенция плавленого сыра зависит от температуры плавления, а также от времени выдержки расплавленной сырной массы при температуре плавления. Увеличение продолжительности теплового воздействия на расплавленную сырную массу может стать причиной получения излишне плотной консистенции плавленого сыра. Эта зависимость в наибольшей степени проявляется в случае использования незрелого сырья.

При производстве плавленых сыров между операциями плавления и фасовки расплавленная сырная масса, находящаяся в вязкотекучем состоянии, может выдерживаться разное время в зависимости от согласованности работы оборудования. В этом случае одним из приемов сохранения вязкотекучего состояния расплава до фасовки может быть термостатирование в специальных обогреваемых емкостях. Следует ожидать, что различная продолжительность выдержки расплава при высокой температуре отразится на особенностях формирования структуры продукта, а следовательно, и на его консистенции. Экспериментальные исследования, проведенные Н.П. Захаровой и др. подтвердили существование такой зависимости.

Объектом исследования был плавленый сыр «Колбасный копченый», содержащий 30 % жира в сухом веществе, выработанный из незрелого сырья с динатрийфосфатом. Смесь компонентов, составленную в соответствии с рецептурой, плавили при температуре 85 0С. Сразу после плавления, а также в процессе последующего охлаждения расплава в моменты достижения им температуры 75, 65 и 55 0С отбирали пробы (по 100 г) и помещали их в термостаты, настроенные на температуру отбора проб (85, 75, 65, 55 0С). Пробы выдерживали в термостатах в течение 15, 30, 45, 60 мин, после чего охлаждали до температуры холодильной камеры (+4 0С). Через трое суток в готовых плавленых сырах определяли модуль упругости (G*) и динамическую вязкость (η*) с помощью реогониометра Вайссенберга модели R-19. Измерения проводили в режиме периодического сдвигового деформирования при частоте 1 Гц.

Из полученных данных следует, что с увеличением времени теплового воздействия на плавленый сыр происходит рост модуля упругости и динамической вязкости. Причем изменения абсолютных показателей моделя упругости превышают темп роста вязкости.

В процессе обработки данных, представленных в табл. 2.74, методами регрессионного анализа были установлены зависимости G* (t), η*(t), описываемые уравнением вида:

 

Y = exp (А + В* t),(2.55)

 

где Y – реологические показатели (G*, η*) образцов; t – длительность выдержки, мин.

Оценку вляиния температурного воздействия на изменение реологических показателей опытных образцов проводили с помощью двухфакторного дисперсионного анализа основных групп. В результате была установлена значимость влияния данного фактора на реологические показатели, а следовательно, и на консистенцию плавленого сыра.

Таким образом, вынужденное выдерживание расплавленной сырной массы перед фасовкой при высокой температуре может стать причиной получения плавленого сыра с излишне плотной, упругой консистенцией.

Роль влаги в процессе физико-химического формирования структуры сыра. Большое влияние на структуру и консистенцию сыров оказывает их влажность. Она, как один из основных компонентов сыра, непосредственно влияет на реологические свойства и выступает также как фактор, от которого зависит интенсивность развития в сыре микробиологических, биохимических и физико-химических процессов и обусловленный ими характер формирования консистенции сыра в процессе его созревания.

П.Ф. Крашенининым и В.П. Табачниковым проводились исследования экспериментально-статистическим методом. Для исключения сырьевого фактора и факторов, связанных с созреванием сыра по реологическим показателям, сравнивались сыры из-под пресса и зрелые сыры, примерно одинаковой степени зрелости, а также сыры разных видов, выработанные из одного и того же молока.

Оказалось, что связь между реологическими свойствами сыра и содержанием в нем влаги и сухих веществ не имеет аддитативного характера. При повышении содержания сухих веществ сыра его основные реологические показатели (твердость, вязкость и равновесный упруго-эластичный модуль) повышаются в более высокой степени.

Это объясняется тем, что влага сыра с растворенными в ней веществами играет роль не только наполнителя, снижающего в сыре объемную концентрацию сухого вещества, но также оказывает влияние на силы взаимодействия между его частицами. При понижении влажности сыра частицы сухого вещества или их элементы сближаются, что усиливает взаимодействие между ними и способствует возникновению новых силовых связей, экранированных раннее прослойками влаги. Это сопровождается повышением вязкости, модулей сдвига и прочности структуры сыра. Увеличение содержания влаги, наоборот, ослабляет силы взаимодействия частиц сухого вещества и понижает механические показатели структуры сыра.

От влажности сыра зависит не только величина его реологических показателей, но и соотношение между ними.

Исследования показали, что с увеличением содержания влаги в сыре его модули упругости и эластичности понижаются в большей степени, чем величина вязкости. Отсюда следует, что влага оказывает большее влияние на силы взаимодействия между звеньями гелевой структурной сетки сыра, чем на силы, действующие между отдельными частицами в этих звеньях. Поэтому при повышении содержания влаги в сыре, прежде всего, ослабляется взаимодействие звеньев друг с другом, вследствие чего наблюдается повышение выраженности эластических свойств продукта по сравнению с его пластическими и прочностными свойствами.

Следовательно, влага сыра с растворенными в ней веществами является не только пластификатором, но и эластификатором структуры сыра.

Исследованиями установлено, что с повышением содержания сухих веществ, а следовательно и твердости сыров, период релаксации напряжения в них не увеличивается, как это должно бы быть в свете современных представлений о твердообразных и жидкообразных структурах, а даже уменьшается.

Такое аномальное различие в релаксационных свойствах более твердых и менее твердых видов сыра можно частично объяснить уже рассмотренным выше различным влиянием влаги на силы взаимодействия между частицами и звеньями структурной сетки сыра, а также различной частотой этой сетки у разных видов сыра. Сыры, по своей структуре близки к сетчатым полимерным системам. Поэтому у них, как и у полимеров, период релаксации должен зависеть от частоты пространственной структурной сетки. Чем чаще сетка, тем меньше длина отдельных белковых звеньев между узлами сетки и тем меньше должен быть период релаксации напряжений. И, наоборот, чем реже структурная сетка, тем длиннее ее отдельные звенья и тем длительнее в результате теплового движения должны рассасываться внесенные в структурную сетку механические возмущения, т.е. тем больше должен быть период релаксации. Вполне естественно, что у сыров с большим содержанием влаги структурная сетка является менее частой, чем у сыров с меньшим содержанием влаги. Этим в основном и объясняется та кажущаяся аномалия реологического поведения сыров, когда продукт с большим содержанием влаги имеет более высокий период релаксации, чем продукт с меньшим содержанием влаги.

Исследование некоторых свойств солей-плавителей. Сырье и соли-плавители являются основными факторами, определяющими качество плавленых сыров. В последнее время все шире применяются новые фосфатные соли-плавители.

При плавлении сычужного сыра необходимо иметь среду с определенным значением рН, поэтому очень важно, чтобы соли-плавители обладали буферной емкостью. Наибольшей буферной емкостью обладают одно- и двузамещенный натрий фосфорнокислый, а также смесь пирофосфатов. Лимоннокислый натрий имеет наименьшую буферную емкость.

Ортофосфаты имеют самую низкую способность связывать ионы кальция, а соль Грахама самую высокую способность. Другие соли занимают промежуточные места

Такой же порядок соли-плавители занимают по способности растворять белки.

Изучено влияние солей-плавителей на качество плавленых сыров. Вкус сыра, плавленого с триполитфосфатом натрия, оценивается наравне со вкусом сыра, плавленого с лимоннокислым натрием. Самым низким качеством обладают сыры, плавленые с фосфорнокислым натрием двузамещенным.

Воздействие солей на смесь мороженого. Весьма подробно изучались два важных воздействия неорганических солей, находящихся в смеси мороженого. Смесь изготовленная из молочных продуктов, относительно богатых солями натрия, имеет низкую вязкость и легко взбивается, в то время как высокое содержание растворимых кальциевых солей характеризуется противоположным действием. Ионы кальция увеличивают группирование жировых частиц и уменьшают устойчивость белка. Добавление кальциевых осадителей, например солей лимонной кислоты, снижает слипание жировых частиц и вязкость и повышает устойчивость белка. Необычный вид, то есть пятнистость или частичное створаживание мороженого при таянии, может быть вызван избытком ионов кальция, что может быть предотвращено добавлением долей процента лимоннокислого натрия или динатрийводородфосфата. Высокие гомогенизационные давления и высокое содержание жира по отношению к сухому веществу плазмы молока могут также вызвать этот порок, который бывает в основном в результате частичной денатурации белка смеси во время замораживания.

Влияние рН фарша. Изучение проводилось в интервале значений рН фарша от 3 до 10. Исследованиями установлено, что при значении рН фарша, равном около 5,0, он имеет наибольшую текучесть, т. е. вязкость и предельное напряжение сдвига имеют наименьшие значения. При изменении рН на единицу в сторону увеличения или уменьшения от данного значения, соответствующего минимуму вязкости, ее величины могут увеличиться до 4-5 раз.

Влияние температуры. Исследования проводились в диапазоне температур от 2 до 35 ºС с помощью прибора РВ-8. В качестве объекта исследования выбрали фарши русских сосисок и докторской колбасы. Исследованиями

установлено, что повышение температуры фарша от 2 до 35 ºС ведет к снижению значений всех реологических характеристик, а именно: предельного напряжения сдвига, вязкости и эффективной вязкости при единичной скорости, за исключением темпа разрушения структуры.

Влияние влажности. Исследования проводили на фаршах при изменении относительной влажности W от 0,55 до о,8 кг на 1 кг общей массы сырого фарша. До необходимой влажности фарш доводили путем добавления воды при куттеровании, либо разбавлением его после куттерования при тщательном перемешивании. Исследованиями установлено, что повышение влажности фарша ведет к значительному снижению структурно-механических свойств - предельного напряжения сдвига, вязкости и эффективной вязкости при единичной скорости.

Влияние продолжительности выдержки. С целью восстановления структуры, после механических воздействий колбасные изделия подвергают осадке, т. е. выдержке в течение определенного времени. Для определения влияния продолжительности осадки на структурно-механические свойства, предварительно нашприцованные колбасные батоны подвергали выдержке от 0 до 125 час.

В первые 2-3 час выдержки фарша величины его сдвиговых характеристик практически неизменны. При выдержке 4-10 час (второй период) сдвиговые характеристики увеличиваются до максимума, Таким образом, время выдержки 4-6 час является критическим, когда заканчивается процесс самопроизвольного восстановления структуры. Дальнейшая выдержка вызывает уменьшение значений всех характеристик, т.е. ведет к ослаблению структуры фарша.

Влияние степени измельчения. Исследования проводили на говядине высшего сорта, путем многократного пропускания мяса (до 25 раз) через мясорубку с решеткой диаметром отверстий 3 мм.

Исследованиями установлено, что с увеличением степени (кратности) измельчения сырья предельное напряжение сдвига существенно изменяется. При кратности измельчения п,равного 7-8, предельное напряжение сдвига уменьшаясь, достигает минимального значения, а при дальнейшем увеличении кратности измельчения ее величина постепенно увеличивается и к концу достигает величины, превышающей ее первоначальное значение.

Влияние продолжительности измельчения. Одной из основных технологических операций при приготовлении колбасного фарша является его механическая обработка, т.е. продолжительность измельчения мяса. Продолжительность измельчения мяса определяет глубину технологической обработки и влияет на форму связи влаги, изменяя структурно-механические свойства.

Изучение влияния продолжительности измельчения на структурно-ме-ханические характеристики проводили путем непрерывного измельчения сырья на куттере в течение 25 мин. По результатам исследований установлено, что измельчение сырья в течение первых 5 мин приводит к резкому снижению значений величин всех характеристик сырья, которые к 5 мин достигают наименьших значений. В дальнейшем и m возрастают, и к 14 мин достигают максимальной величины. Значения величин В и уменьшаются менее интенсивно и к 14 мин достигают наименьших значений. Дальнейшее измельчение сырья более 14 мин, приводит к снижению значений величин всех характеристик.

Влияние давления. В колбасном производстве большое значение имеют технологические процессы, связанные со шприцеванием, дозированием, формованием, транспортировкой по трубам и т.д. Продукт подвергается действию давления, которое достигает 1·106 Па. Поэтому необходимо учитывать влияние давления на структурно-механические свойства продукта.

Объектом исследований являлся фарш русских сосисок, который подвергали в первой серии опытов однократному воздействию давления, а во второй - на одной закладке фарша определяли структурно-механические свойства при последовательном возрастании давления от 0,1 до 1 МПа.

Анализ полученных данных показывает что, в первом случае наблюдается некоторое увеличение величины , хотя практически ее можно принять за постоянную. Величины , В, m в обеих сериях возрастают, хотя во второй их числовые значения ниже по сравнению с первой. Пластичность фарша для обоих случаев оставалась постоянной.

Из рассмотренных материалов видно, что перечисленные технологические факторы оказывают существенное влияние на структурно-механические свойства продуктов. Поэтому во время проведения технологических процессов необходимо их контролировать, а если требуется, то и корректировать с целью получения качественной продукции.

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое вязкость, и в каких единицах она измеряется?

2. Что характеризует вязкость молока и молочных продуктов?

3. От каких технологических факторов зависит коэффициент вязкости жидкостей?

4. Изменяется ли вязкость молока и сливок с повышением температуры до 60 0С?

5. Что характеризует предельное напряжение сдвига и в каких единицах измеряется?

6. Что такое консистенция?

7. Какие молочные продукты относят к условно-ньютоновским и к неньютоновским (аномально-вязким) жидкостям?

8. Влияние технологических факторов на реологические свойства кисломолочных продуктов и на вязкость плавленых сыров

9. Каким методом оценивают компрессионные свойства сыров?

10. От каких технологических параметров зависят адгезия (липкость) и внешнее трение?