Investigation of the Effect of the Homogenization Regime on Energy Costs and Shelf Life of Yogurt with Dogberry Puree

Full Text

Введение

Механические воздействия на молочное сырье играют значительную роль в формировании потребительских свойств конечного молочного продукта. Так, величина давления гомогенизации оказывает значимое воздействие на качественные показатели конечных молочных продуктов, например, йогурта, сметаны [1–3]. Необходимо также отметить, что такие механические воздействия на молочное сырье, как сепарирование (очистка), перемешивание, перекачивание, воздействие бактофугированием, существенно влияют на стабильное состояние жировой фазы и степень ее дисперсности. Наиболее подвержена влиянию из всех физических и химических свойств – вязкость, величина которой повышается после прохождения рабочей зоны гомогенизатора [4–6]. Гомогенизация вызывает изменение свойств и структуры белка. Из-за распада мицелл на субмицеллы и, как следствие, снижения размеров происходит их осаждение на жировых шариках. Повышение давления и усиление воздействия на продукт вызывают нарастание дисперсности жира. Средний диаметр жировых частиц снижается.

Целью данной работы является обоснование комплексных технических, технологических параметров гомогенизации, обеспечивающих снижение затрат мощности на привод при обеспечении максимальной сохранности качественных показателей.

Обзор литературы

По данным Всесоюзного научно-исследовательского и конструкторского института молочной промышленности, при давлении около 15 МПа размер жировых частиц молока находится в пределах 1,42–1,44 мкм, а эффективность гомогенизации составляет 72–75 %. Повышение давления до 20 МПа ведет к снижению среднего диаметра жировых частиц до 0,95–0,98 мкм, а эффективность гомогенизации при этом достигает 78–80 % [7–9]. Рекомендуемая авторами величина давления гомогенизации находится в пределах 10–20 МПа. Выбор конкретного значения зависит от вида готового продукта, его состава, характеристик [10–12]. В то же время гомогенизация требует высоких энергетических затрат на реализацию процесса [13–15]. Повышение содержания жира в молоке, а также сухих веществ, представляет возможным снижение рабочего давления до нижнего уровня указанного диапазона. Гомогенизатор производительностью 4–5 т/ч потребляет более 25 кВт·ч электроэнергии. Поэтому особенно важно подходить дифференцированно к выбору режима работы для каждого конкретного случая [16–18]. Например, при гомогенизации сливок процесс образования новых жировых оболочек идет гораздо медленнее, чем в молоке. Образование новой поверхности жировых оболочек в оптимальных условиях для сливок проходит при отношении сухого обезжиренного молочного остатка к жиру выше 0,80–0,85 [19–21].

Материалы и методы

Проведено изучение влияния давления гомогенизации на технические показатели процесса. Задача исследований – сокращение энергетических затрат на производство молочных продуктов при обеспечении условий максимального сохранения качества продукта.

Скорость потока, проходящего через рабочий орган гомогенизатора:

где $\mathrm{\Delta }p=p_2-p_1$ – разность значений давления продукта до клапанной щели и после нее, Н/м²;  – объемная масса жидкости, в данном случае молока, кг/м³.

где ρ – плотность молока, кг/м³.

Скорость прохождения молока через рабочую зону клапана гомогенизатора достигает 200 м/с. Для повышенной надежности работы в современной практике применяют гомогенизатор с двухступенчатым рабочим органом, обеспечивающим более надежную работу, меньшие затраты на обслуживание и лучшие качественные показатели процесса. На каждой ступени представляется возможным регулировка давления, как и при проведении экспериментов на лабораторно-промышленной гомогенизационной установке (рис. 1, 2). Общее давление гомогенизации складывается из суммы двух значений [1; 4]. Преимущество двухступенчатой гомогенизации заключается в том, что вследствие возможности снижения абсолютной величины давления предотвращается образование налипания дробленых жировых частиц на выходе из клапанной щели. На второй ступени продолжается дробление частиц жира, недостаточно измельченных на первой ступени. Таким образом, двухстадийный процесс проходит в более мягких условиях, разность давлений существенно снижается, повышается надежность работы в целом.

Согласно результатам исследований [1; 4] общее давление в случае двухступенчатой гомогенизации складывается из давлений на первой и второй ступенях. Наилучший результат, по мнению авторов, получен при соотношении давления второй ступени к давлению первой ступени около 0,20. Численное соотношение значений Р₁ и Р₂ при производстве сгущенного молока рекомендовано авторами в следующих пределах: на первой ступени – 11,80…12,50 МПа; второй ступени – 2,8…3,0 МПа. Для сравнения, в случае использования одноступенчатого гомогенизатора, давление составляет 12,0…15,0 МПа.

Для проведения эксперимента использовалось молоко коровье жирностью 2,5 %, температурой 55 °С.

Для технологий производства молочных продуктов с низким содержанием жира, например, йогуртов, такие исследования ранее не проводились. В связи с этим для определения влияния величины отношения давлений гомогенизации на второй и первой ступенях ε = Р₂/Р₁ на суммарные энергетические затраты при производстве указанного выше молочного продукта проведен эксперимент на гомогенизаторе МПГ 3000 (рис. 1, 2).

 

Рис. 1. Гомогенизатор. Узел регулировки давления: 1 – винт второй ступени; 2 – винт первой ступени

Fig. 1. The homogenizer. Pressure control unit: 1 – second stage screw; 2 – first stage screw

Источник: фотография сделана при проведении исследований процесса гомогенизации в учебно-технологической лаборатории по переработке молока Института «Агротехнологическая академия» Н. С. Киян (17.05.2024).
Source: the photo was taken by N. S. Kiyan while conducting the study of the homogenization process in the educational and technological laboratory for milk processing of the Institute “Agrotechnological Academy” (May 17, 2024).

Рис. 2.  Гомогенизатор. Рабочая зона, манометр контроля давления

Fig. 2.  The homogenizer. Working area, pressure monitoring gauge

Источник: фотография сделана при проведении исследований работы гомогенизатора в учебно-технологической лаборатории по переработке молока Института «Агротехнологическая академия» А. В. Гавриловым (17.05.2024).
Source: the photo was taken by A. V Gavrilov while conducting the study of the homogenizer work in the educational and technological laboratory for milk processing of the Institute “Agrotechnological Academy” (May 17, 2024).

Конструкция агрегата предусматривает регулировку как первой, так и второй ступени гомогенизации с помощью штатных винтовых устройств.

Для изучения зависимостей были отобраны четыре пробы молока при различном давлении гомогенизации: 12, 14, 16, 18 МПа.

Мощность, требуемую на привод гомогенизатора, рассчитывали по формуле: 

где Q – производительность, кг/с; P_г – давление жидкости (молока) до гомогенизирующего клапана, Па; η – механический КПД привода гомогенизатора.

В ходе проведения эксперимента величина давления изменялась в диапазоне от 12 до 18 МПа. Мощность двигателя определяли по потребляемому им току. Измерение силы тока проводили токоизмерительными клещами Fluke 302+, которые имеют погрешность измерения до 1,5 %; погрешность измерения переменного тока – 1,8 %. Шкалу выбора режимов и пределов измерений устанавливали на переменное напряжение с пределом в 750 В. Клемму красного цвета присоединяли к гнезду напряжения, сопротивления и силы тока до 10 А, а черного цвета – к гнезду, обозначенному COM. Замеры выполняли между клеммами U1–V1, V1–W1 или U1–W1.

Затем подавали напряжение на двигатель, который работал в режиме номинальной нагрузки заданный период времени. Установили предел измерений на значение 200 А и токовыми клещами выполнили измерение потребляемого тока на одной из фаз. Далее замеряли напряжение на обмотках с помощью клемм, входящих в комплект измерительного прибора.

Расчет мощности электродвигателя выполнялся по формуле:

где N_дв – полная мощность, кВт; I – сила тока, А; U – значение линейного напряжения, кВт.

Результаты исследования

При соотношении давлений ε = 0,2 получили результаты замеров. Зависимость мощности на привод гомогенизатора N, кВт от создаваемого давления Р, МПа: Р = 12 МПа, то N = 19,48 кВт; Р = 14 МПа, то N = 22,73 кВт; Р = 16 МПа, то N = 25,98 кВт; Р = 18 МПа, то N = 29,22 кВт.

После этого устанавливали различное соотношение давлений ε: 0,15; 0,20; 0,25. Увеличивая общее значение давления гомогенизации, замеряли потребляемую мощность по вышеуказанной методике. Сравнительные графики зависимости мощности от величины давления для различных значений ε приведены на рисунке 3. Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что изменение соотношения давлений на двух ступенях ε с 0,15 до 0,25 повышает мощность на привод гомогенизатора на 11,5…13,5 %, что существенно отражается на суммарных энергетических затратах и указывает на необходимость воспользоваться этим технологическим параметром для оптимизации процесса.

Рис. 3.  Зависимость мощности на привод гомогенизатора N от давления Р

Fig. 3.  Dependence of the drive power of the homogenizer N on the pressure Р

Источник: здесь и далее графики построены авторами статьи на основании исследований процесса гомогенизации.
Source: hereinafter in this article the diagrams are compiled by the authors based on studies of the homogenization process.

 

В сочетании с тепловой обработкой гомогенизация позволяет увеличить срок хранения йогурта без изменения качества, так как в результате этого процесса достигается раздробление жировых шариков примерно в 10 раз (размер 1,0 мкм) и равномерное распределение их по всему объему, что способствует улучшению качества, а именно консистенции и вкуса. Изучение влияния параметров гомогенизации на срок хранения йогурта предложенной нами рецептуры изготовления также было задачей проведенных исследований.

Для определения длительности хранения продукта были проведены исследования микробиологических показателей качества полученных образцов йогурта, обогащенного пюре из кизила и пробиотическими микроорганизмами в процессе хранения.

Определен химический состав пюре из кизила. Установлено, что содержание фенольных веществ составляет 983 мг %, из них антоцианов – 160 мг %, водорастворимого пектина – 3,0 %, клетчатки – 3,1 % к массовой доле сухих веществ пюре. Определено, что пюре из кизила содержит аскорбиновую кислоту в количестве 122,2 мг %. Выяснено, что низкая карбоксильная и ацетильная составляющие и высокая метоксильная составляющая пектина кизила обуславливают высокую студнеобразующую способность пектиновых веществ.

Определив химический состав кизила, выделим следующие функционально-технологические свойства компонентов пюре из кизила: аскорбиновая кислота является консервантом, фенольные вещества обогащают продукт, антоцианы являются природными красящими веществами.

На этапе экспериментальных исследований влияния вкусового наполнителя на качество йогурта, обогащенного пюре из кизила обыкновенного, было изучено влияние дозы внесения наполнителя на органолептические показатели исследуемых образцов, а также изучено влияние вкусового наполнителя на формирование качественных показателей (активная и титруемая кислотность, условная вязкость и степень синерезиса) йогурта. В результате экспериментальных исследований пришли к выводу, что наиболее целесообразной дозой внесения наполнителя пюре из кизила в количестве 20 % к массе йогурта.

Произведенные образцы йогурта хранили при температуре 4 ± 2 °С в течение 14 суток, органолептические показатели (табл. 1) и активную кислотность (рис. 4) определяли через каждые сутки.

 

Таблица 1. Изменение органолептических показателей йогурта в процессе хранения

Table 1. Changes in the organoleptic parameters of yogurt during storage

Наименование показателя / The name of the indicator	Продолжительность хранения, сут / Storage duration, days	Значение показателя / The value of the indicator
		Йогурт без наполнителя / Yogurt without filler	Йогурт с наполнителем (пюре кизила) / Yogurt with filling (dogberry puree)
Вкус и запах / Taste and smell	0 ... 7	Чистый кисломолочный, с ярко выраженным ароматом, присущим данному виду продукта / Pure fermented milk, with a pronounced aroma inherent in this type of product	Кисломолочный вкус и аромат, в меру ощутимый аромат кизилового наполнителя и едва заметный сладковатый привкус / Sour-milk taste and aroma, moderately noticeable aroma of dogberry filler and a barely noticeable sweet taste
	7 ... 14	Несколько кисловатый вкус, едва ощутимый дрожжевой аромат / Slightly sour taste, barely noticeable yeast flavor	Кисломолочный вкус и аромат, в меру ощутимый аромат кизилового наполнителя / Sour-milk taste and aroma, moderately noticeable aroma of dogberry filler
Консистенция и внешний вид / Consistency and appearance	0 ... 7	Однородная, плотный сгусток / Homogeneous, dense clot	Однородная, плотная, с наличием ягодного наполнителя по всей массе йогурта / Homogeneous, dense, with the presence of berry filling throughout the yogurt mass
	7 ... 14	Незначительное отделение сыворотки на поверхности продукта / Slight separation of serum on the surface of the product	Однородная, плотная, с наличием ягодного наполнителя по всей массе йогурта / Homogeneous, dense, with the presence of berry filling throughout the yogurt mass
Цвет / Colour	0 ... 14	Молочный оттенок / Milky shade	Красивый розовый цвет с вкраплениями наполнителя / Beautiful pink color with inclusions of filler

 

 

В процессе хранения йогурта до 14 суток активная кислотность нарастала (рис. 4), что обусловлено активным развитием лактобактерий. На 14-е сутки хранения кислотность йогурта без наполнителя достигает значения 4,2 ед. рН, йогурта с наполнителем – 3,8 ед. рН, что соответствует значению 140 °Т. По ГОСТ 31981-2013 «Йогурты. Общие технические условия» кислотность йогурта не должна превышать 140 °Т.

Рис. 4.  Изменение активной кислотности йогурта при хранении

Fig. 4.  The change in the active acidity of yogurt during storage

 

В течение 14 суток хранения органолептические показатели йогурта с наполнителем существенно не ухудшились, в образце йогурта без наполнителя на 7-е сутки появился кисловатый вкус (рис. 4), на поверхности продукта начала отделяться сыворотка.

Согласно требованиям ТР ТС 033/2013 нормируются допустимые уровни содержания микроорганизмов при выпуске готовой продукции. По микробиологическим показателям разработанный обогащенный йогурт удовлетворяет гигиеническим требованиям (табл. 2).

 

Таблица 2. Микробиологические показатели йогурта, обогащенного пюре из кизила

Table 2. Microbiological indicators of yogurt enriched with dogberry puree

Наименование показателя / Indicator name	Требования ТР ТС 033/2013 / Requirements TR TS 033/2013	Фактически / Actually
Количество молочнокислых бактерий (Lactobacillus Bulgaricus и Streptococcus Thermophilus), КОЕ /см3 (г) / Number of lactic acid bacteria (Lactobacillus Bulgaricus and Streptococcus Thermophilus), CFU/cm3 (g)	Молочнокислых микроорганизмов не менее 1 ∙ 107 / Lactic acid microorganisms no less 1 ∙ 107	9,4 ∙ 108
Масса продукта, в которой не допускаются микроорганизмы, г Weight of product in which microorganisms are not allowed, g
БГКП (колиформы) / Coliforms (coliforms)	0,01	не обнаружено / not found
Дрожжи, КОЕ/см3 (г), не более / Yeast, CFU/cm3 (g), no more	50	не обнаружено / not found
Плесени, КОЕ/см3 (г), не более / Mold, CFU/cm3 (g), no more	50	не обнаружено / not found

 

Микробиологические исследования показали, что количество молочнокислых бактерий (Lactobacillus Bulgaricus, Streptococcus Thermophilus) в обогащенном йогурте не менее 9,4 ∙ 10⁸ КОЕ в 1 см³ продукта. Таким образом, йогурт, обогащенный пюре из кизила, является пробиотически обогащенным, а потому полезным для питания.

Обсуждение и заключение

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

– повышение давления с 12,0 до 17,5 МПа при обработке молока на гомогенизаторе МПГ 3000 вызывает увеличение мощности на 53,8 %, что указывает на необходимость более точного обоснования давления с целью оптимизации энергетических затрат для конкретной технологической линии переработки молока;

– изменение соотношения ε с 0,15 до 0,25 повышает мощность на привод гомогенизатора на 11,5…13,5 %;

– общие рекомендации по выбору оптимального режима гомогенизации с целью минимальных энергетических затрат содержат значения общего давления, а также соотношения давлений на первой и второй ступенях;

– рекомендации для каждого конкретного вида молочного продукта могут быть получены только после соответствующих исследований.

Учитывая приведенные результаты экспериментальных исследований, можно утверждать, что в течение 14 суток йогурт имеет высокие органолептические, пробиотические свойства, нормированные физико-химические и микробиологические показатели, поэтому предельный срок хранения йогурта при температуре 4 ± 2 °С не должен превышать 14 суток.

Таким образом, в результате проведенных исследований была усовершенствована технология изготовления йогурта, достигнуто улучшение его качества (технологических свойств), что обусловлено оптимизацией давления гомогенизации при обработке молока-сырья и определением факторов, влияющих на качество конечных продуктов предложенной рецептуры на молочной основе. Контроль качества продукта осуществляется путем прослеживания по каждой операции технологического процесса.

В результате изучения технологического процесса производства и показателей качества йогурта проведен анализ гомогенизации молока и сквашивания продукта. Установлено, что рекомендованным давлением гомогенизации для производства кисломолочных продуктов является обработка молока при 14 МПа.

Повышение пищевой и биологической ценности продукции достигнуто использованием консорциума заквасочных культур: термофильных молочнокислых (Streptococcus Thermophilus) и пробиотических, а также применением наполнителя из пюре кизила, что придало продукту функциональные свойства.

 

Дополнительная информация

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Заявленный вклад авторов:
Ю. Б. Гербер – общая идея, обоснование цели и задач проведения эксперимента, проведение исследований. 
Т. В. Калиновская – проведение исследований.
А. В. Гаврилов – техническое обеспечение проведения экспериментов.
Н. С. Киян – проведение исследований.

About the authors

Yuriy B. Gerber

Agrotechnology Academy V. I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: gerber_1961@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3224-6833
ResearcherId: B-6690-2019

Dr.Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Technology and Equipment
for the Production and Processing of Livestock Products

Russian Federation, 1a Nauchnaya St., Agrarian, Simferopol 295492

Tatiana V. Kalinovskaya

Agrotechnology Academy V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: kalinovskaya_88@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4421-7522

Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department
of Technology and Equipment for the Production and Processing of Livestock Products

Russian Federation, 1a Nauchnaya St., Agrarian, Simferopol 295492

Alexander V. Gavrilov

Agrotechnology Academy V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tehfac@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3382-0307
SPIN-code: 9848-4398
ResearcherId: AAH-5137-2019

Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department
of Technology and Equipment for the Production and Processing of Livestock Products

Russian Federation, 1a Nauchnaya St., Agrarian, Simferopol 295492

Natalia S. Kiyan

Agrotechnology Academy V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Author for correspondence.
Email: natashik_1993@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7043-8962
ResearcherId: AAH-5147-2019

Laboratory Assistant of the Department of Technology and Equipment for the
Production and Processing of Livestock Products

Russian Federation, 1a Nauchnaya St., Agrarian, Simferopol 295492

References

Supplementary files