Substantiation of the Parameters of the Production Technology for Yoghurt with the Addition of Ziziphus Fruits

Full Text

Введение

Кисломолочные продукты (кефир, простокваша) относят к вязким (псевдопластичным) жидкостям. До скоростей сдвига 300 с⁻¹ они имеют ярко выраженную аномалию вязкости, а при более высоких скоростях сдвига ведут себя, как ньютоновские жидкости¹. Консистенция молочного продукта (сметана, йогурт, кефир) – очень важный критерий, влияющий на спрос потребителя. Кроме того, все более актуален вопрос о лечебно-профилактическом, оздоровительном действии молочных продуктов.

Цель исследования – разработать технологию производства молочного продукта с заданной консистенцией, сбалансированным витаминным составом, необходимыми микроэлементами, антиоксидантами и оптимизировать параметры процессов пастеризации и дробления косточек без попадания частиц скорлупы в продукт.

Обзор литературы

Предшествующие исследователи определили, что на реологические свойства молочных продуктов (вязкость, пластичность) большое влияние оказывает тепловая обработка. Определена оптимальная температура пастеризации: не более 90 °С. Эксперименты показали, что при повышении температуры показатели реологических параметров снижаются. На текучесть и вязкость молочных продуктов существенное влияние оказывает продолжительность и механическое воздействие в период технологического цикла производства продукта. Было выявлено, что наибольшие разрушения структуры молочных продуктов происходят на начальном этапе деформирования структуры².

В качестве универсального контролируемого реологического параметра молочных продуктов принята величина эффективной вязкости. Для молочных продуктов, имеющих вязкопластичный характер течения, важно контролировать предельное напряжение сдвига и пластическую вязкость³.

Многолетними исследованиями подтверждено, что консистенция является важным элементом в общей органолептической оценке качества молочных продуктов. Регулировать консистенцию молочных продуктов можно структурообразователями, а также с помощью параметров основных технологических процессов переработки: пастеризация, гомогенизация, нагрев и перемешивание при внесении закваски в линиях производства молочных продуктов, в частности кефира и йогурта [1; 2]. При производстве кисломолочных продуктов получается жидкий неоднородный продукт с отстоем сыворотки [1]. 

На консистенцию кисломолочных продуктов также оказывают влияние механические воздействия на сырье и полуфабрикат и наличие структурообразователей. Пониженная плотность сырья, а также недостаточное содержание белка не позволяют получить вязкий продукт без отделения сыворотки. Огромное воздействие на консистенцию кисломолочных продуктов оказывают режимы работы технологического оборудования. Вязкость кисломолочных напитков зависит от напряжения и скорости сдвига, температуры, содержания жира и кислотности молочного напитка [1; 2].

Консистенция кисломолочных продуктов также зависит от технологических параметров гомогенизации молока. При увеличении дисперсности шариков жира и мицелл казеина получается готовый продукт с однородной консистенцией и устойчивой структурой. Для того чтобы готовый кисломолочный напиток имел заданную консистенцию и структуру, необходимо правильно подбирать технологические параметры производства, такие как тепловые и механические [2].

Для достижения заданной консистенции и структуры готового продукта перспективным решением является добавление в кисломолочный продукт в качестве компонента измельченных плодов зизифуса, содержащих значительное количество пектина.

Основной проблемой производственной реализации такого способа является сложность отделения мякоти плодов от косточки. Поэтому использовать серийную установку для отделения косточек, например зизифуса, сливы, абрикоса, не представляется возможным. Поэтому необходимо проведение исследований для обоснования конструкции и параметров устройства для отделения косточки зизифуса от мякоти.

Попытка применить типовую технологию к переработке косточковых плодов сталкивается с проблемой выбора дробилки. Использование существующих дробилок, которые были разработаны для измельчения овощей и семечковых культур (валковой, ножевой, барабанной), приводит к повреждению косточек. В связи с этим нежелательные компоненты ядер косточек попадают в полуфабрикат и отрицательно влияют на качество пищевого продукта. Фрагменты косточек закупоривают отверстия перфорации протирочной машины и уменьшают ее производительность. Разрушение косточек не позволяет использовать их как вторичное сырье [3].

Если подвергать тепловой обработке целые фрукты, то приходится увеличивать продолжительность тепловой обработки. Опыты показывают, что при этом теряется до 70 % витамина С и других полезных веществ, а пищевая ценность конечного продукта снижается.

Эффективным направлением решения этой проблемы является усовершенствование и использование в технологической линии переработки косточковых плодов роторной дробилки [3]. Для этого необходимо научно обосновать конструкцию, режимы работы и методы расчета такой дробилки.

Материалы и методы

Выявлено, что с изменением кислотности (рН) среды изменяется структурно-механическая характеристика (СМХ) кисломолочного продукта. При изменении рН от 3,8 до 5,5 вязкость Н (Па∙с), измеренная с помощью вискозиметра Гепплера, уменьшается по экспоненциальному закону:

H = 2 000exp(−2,5 pH).       (1)

При рН более 5,3 вязкость составляет 3,6 ∙ 10^–3 Па∙с. Для получения кисломолочного напитка с нужным вкусом и консистенцией его необходимо перемешивать при рН 4,3–4,6. Тогда готовый продукт будет иметь прочную структуру и сохранит положительные свойства при дальнейшем технологическом процессе, а именно при воздействии механического оборудования. В результате у продукта будет увеличен срок хранения. Вязкость кефира (йогурта) заданного качества составляет 2,8–3,3 Па∙с при касательном напряжении 970 Па или 1,7–1,8 Па∙с при касательном напряжении 1 980 Па. Таким образом, чтобы получить высококачественный кисломолочный продукт (например йогурт, кефир), необходимо в технологическом процессе контролировать показатель рН и вязкость⁴.

Также на структуру и консистенцию кисломолочных продуктов, наряду с режимами тепловой обработки, влияет закваска⁵. Во время пастеризации при пониженных температурах сгусток вялый, а при повышении температуры и увеличении времени нагрева сгусток становится плотным и прочным⁶ [1; 4; 5]. Это связано с повышением степени гидратации и дезагрегации мицелл казеина и увеличением содержания денатурированных сывороточных белков, что в конечном итоге приводит к тому, что жесткость продукта и способность влагоудержания увеличивается  [2; 6–8]. При тепловой обработке выше t = 90 °С не получается приготовить кисломолочный напиток с требуемой консистенцией. Он получается жидким⁷.

Этап, при котором закваска внесена в сырье, и влияние технологических параметров этого процесса на качество продукта изучены. В научной литературе существуют необходимые рекомендации⁸. Этап, при котором закваска не внесена в сырье, на данный момент не исследован⁹.

Чтобы подтвердить гипотезу о влиянии тепловой обработки (температуры пастеризации) исходного сырья на консистенцию готового продукта, был поставлен эксперимент. Его результаты позволяют предложить производству оптимальные параметры работы пастеризационно-охладительной установки для производства кисломолочных напитков (йогурт, кефир) [2; 9–11].

При выборе конструктивно-режимных параметров дробилки для измельчения мякоти зизифуса без повреждения косточек в качестве компонента йогурта необходимо выполнить условие, при котором мякоть измельчается, а косточки остаются неповрежденными [3; 12–15].

Ставится задача изучить процесс измельчения плодов зизифуса и проанализировать влияние процессов на качество измельченной мякоти плода и целостность косточки [16–19].

Исследования проводились в условиях лаборатории переработки молока КФУ имени В. И. Вернадского. Для экспериментов использовали исходное сырье при производстве йогурта. Молоко подавалось на подогрев в пластинчатый пастеризатор (рис. 1).

 

 

 

 

Рис. 1. Пастеризатор-охладитель «Альфа Лаваль» с измерительным блоком температуры ИТ-8ТП

Fig. 1. Alfa Laval pasteurizer-cooler with measuring unit temperature IT-8TP

 

Была поставлена задача найти оптимальную температуру процесса пастеризации. Диапазон значений температуры пастеризации, согласно техническим условиям, составляет от 74 до 90 °С. Технические данные установки «Альфа Лаваль» позволили соблюсти указанный интервал. Температурный режим контролировался с помощью изменения количества включенных теплоэлектронагревательных элементов в пастеризационной установке. Температуру выставляли на щите управления, входящем в комплект пастеризационно-охладительной установки «Альфа Лаваль» (рис. 2). Точное значение температуры пастеризации фиксировали с помощью измерительного восьмиканального блока «Тэра».

 

 

 

Рис. 2. Измерительный блок температуры ИТ-8ТП

Fig. 2. Measuring unit of temperature IT-8TP

 

Результаты исследования

Датчики температуры были установлены на различных секциях пастеризатора, в том числе в зоне секции нагрева, где фиксировалась рабочая температура пастеризации (табл.).

 

Таблица Данные качественных показателей исследуемого продукта при различных значениях температуры пастеризации по показателю условной вязкости, с

Table Data of qualitative indicators of the investigated product at different values of pasteurization temperature in terms of conditional viscosity, s

 

Температура сквашивания йогурта, °C / Yogurt mixing temperature, °C	Вариант / Option
	1	2	3	4	5
	Температура пастеризации йогурта,  °С / Yogurt pasteurization temperature, °C
	74,0	78,0	82,0	86,0	90,0
30,0	77,5	97,0	147,0	100,0	68,5
35,0	75,0	90,0	130,0	85,0	64,5
40,0	67,0	78,0	100,0	70,0	60,0

 

Для проведения экспериментов по режимам дробления косточковых плодов использовалась лабораторно-экспериментальная установка (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Схема роторной дробилки: 1 – ротор; 2 – корпус; 3 – подвижное ребро;
4 – неподвижное ребро; 5 – плод

Fig. 3. Diagram of a rotary crusher: 1 – rotor; 2 – case; 3 – movable rib;

4 – fixed rib; 5 – fetus

 

Таким образом, учитывая полученные данные, диапазон нагрева 82–85 °С является оптимальным при пастеризации для обеспечения требуемой структуры и оптимизированных энергетических затрат.

Ингредиентом для производства кисломолочного продукта выбран плод зизифус. Плоды зизифуса богаты витаминами C, А, В1, В2, В5, К, Р-активными соединениями, каротиноидами, калием, кальцием, фосфором, магнием, железом, содержат жирное масло. Благодаря витаминам и флавоноидам он обладает антиоксидантными свойствами.
Также зизифус содержит сапонины, являющиеся натуральными противовоспалителями, пектиновые вещества (около 0,5–0,6 % по массе), аскорбиновую кислоту (65–70 мг на 1 000 г). Согласно Т. Ю. Брановицкой, степень этерификации пектина (СЭ) 44 % [9].

Для измельчения плодов зизифуса предлагается применить дробилку с подвижными и неподвижными ребрами. Дробилка состоит из ротора 1, корпуса 2 с зазором между ребрами шириной е_р-к и высотой Н (рис. 3). На роторе крепятся вращающиеся ребра 3, а на корпусе – неподвижные ребра 4. Ротор вращается с окружной скоростью v. Плоды 5 поступают в корпус 2 и попадают в зазор между ротором и корпусом, подвергаются ударным воздействиям. Также происходит их защемление между подвижными и неподвижимыми ребрами, вследствие чего происходит их измельчение. Под действием силы тяжести плоды и частицы измельчения проходят через рабочую зону машины и выгружаются.

После проведенного анализа механических свойств плодов и косточек зизифуса было определено, что из воздействующих сил в качестве единицы выбрана наименьшая из них, то есть сила тяжести косточки зизифуса, которая составляет 0,02 Н. На рисунке 4 в логарифмическом масштабе представлено, во сколько раз другие силы превосходят выбранную минимальную силу.

 

 

 

Рис. 4. Диаграмма относительных сил, действующих на плоды и косточки в рабочей зоне
дробилки при переработке плодов: 1 – зизифус; 2 – слива; 3 – абрикос

Fig. 4. Diagram of the relative forces acting on fruits and seeds in the working area of the crusher
during fruit processing: 1 – ziziphus fruits; 2 – plum; 3 – apricot

 

 

Установлено, что исследуемые величины сил отличаются друг от друга в 100 000 раз. Определен рабочий диапазон сил, который реализуется в дробилке. Он должен быть больше предела упругости плодов, чтобы измельчить мякоть, и меньше предела упругих деформаций косточек, чтобы сохранить косточки целыми. Из рисунка 4 видно, что при анализе процесса измельчения мякоти плодов зизифуса силами тяжести плодов и косточек можно пренебречь.

Определены силы, которые приводят к измельчению мякоти и повреждению косточек – это силы упругости плодов и косточек.

При столкновении плода (косточки) с подвижными и неподвижными ребрами дробилки примем, что плоды зизифуса и его косточки имеют свойства упругого тела, а ребро машины – абсолютно твердое тело, и его масса превосходит массу плода (косточки).

Рассмотрим следующие показатели:

– скорость плодов v_Еп, при которой кинетическая энергия плода m_п равняется предельному значению его упругой деформации Е_упр.п.:

$v_{E_{П}}=\sqrt{\frac{2E_{упр.п.}}{m_{П}};}$                (2)

– скорость косточки v_Ек, при которой кинетическая энергия косточки m_к равна предельному значению упругой деформации косточки Е_упр.к.

$v_{E_{К}}=\sqrt{\frac{2E_{упр.к.}}{m_{К}}.}$                (3)

В итоге конструкцию дробилки можно выразить скоростью v_g, которую приобретает частица в результате свободного падения на высоту ротора Н:

$v_g=\sqrt{2gH.}$                     (4)

В результате проведенного эксперимента определено, что если нормальная составляющая скорости плода меньше характерной скорости плода относительно ребер, то плод отскакивает от твердой поверхности, если наоборот, то кожица плода повреждается, отделяется частица мякоти, а если скорость больше, то мякоть измельчается, а косточка отделяется. Если относительная скорость косточки меньше характерной скорости косточки, то косточка отскакивает от ребра без повреждений скорлупы. В противном случае возможно разрушение косточки.

На рисунке 5 представлены уровни скоростей дробилки, высота ротора Н = 0,16 м.

 

 

 

Рис. 5. Анализ скоростного режима измельчения косточковых плодов:
1 – зизифус; 2 – слива; 3 – абрикос

Fig. 5. Analysis of the speed regime of crushing stone fruits:

1 – ziziphus; 2 – plum; 3 – apricot

 

Для того чтобы измельчить мякоть плодов зизифуса и при этом сохранить косточку неповрежденной, скорость ротора дробилки должна составлять от 4,5 до 10,5 м/с (рис. 5).

Обсуждение и заключение

В результате проведенных экспериментов можно сделать заключение, что основными показателями готового кисломолочного напитка являются вязкость и консистенция. Вязкость готового продукта напрямую зависит от температурного режима пастеризации. Установлено, что максимальная вязкость готового продукта достигается при температуре пастеризации 82–85 °С. Если значения температуры превышают указанный диапазон, продукт будет жидкий и иметь структуру в виде крупинок.

Ингредиентом для кисломолочного продукта выбраны плоды зизифуса, которые содержат 8–10 % дубильных веществ, кумарины, флавоноиды, смолы, органические кислоты, среди которых преимущественно яблочная, винная и янтарная кислоты, фолиевая кислота, до 30 % сахаров.

Подготовка зизифуса к внесению в йогурт включает следующие основные операции: приемка, мойка, дробление без повреждения косточек, дозирование, перемешивание. Отделить мякоть плодов от косточек предлагается с помощью роторной дробилки оригинальной конструкции.

В предлагаемой дробилке для измельчения плодов зизифуса происходит разрушение мякоти вследствие ударного действия и сжатие между ребрами корпуса и ребрами вращающегося ротора дробилки. Для того чтобы измельчить мякоть плодов зизифуса и при этом сохранить косточку неповрежденной, скорость ротора дробилки должна составлять от 4,5 до 10,5 м/с.

 

 

¹           Меркулов М. Ю. Совершенствование и использование методов инженерной реологии для прогнозирования и контроля физико-химических характеристик молочных продуктов в процессе их разработки и производства : дис. ... канд. техн. наук. М., 2003. 226 c. URL: https://www.dissercat.com/content/sovershenstvovanie-i-ispolzovanie-metodov-inzhenernoi-reologii-dlya-prognozirovaniya-i-kontr (дата обращения: 20.12.2021).

²           Там же.

³           Табакаева О. В., Мелькунов В. В. Обоснование использования биологически активного сырья в технологии производства йогурта // Материалы XXI Междунар. науч.-практ. конф. «21 век: фундаментальная наука и технологии». 2019. С. 124–128. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41340218 (дата обращения: 20.12.2021).

⁴           Там же ; Меркулов М. Ю. Совершенствование и использование методов инженерной…

⁵           Серазетдинова Ю. Р., Дышлюк Л. С. Разработка технологии производства йогурта, обогащенного экстрактом мяты перечной // Сборник тезисов IX Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые инновации и биотехнологии» в рамках III Международного симпозиума «Инновации в пищевой биотехнологии». Кемерово, 2021. С. 243–245. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=46598094&pff=1 (дата обращения: 20.12.2021).

⁶           Ермолаев В. А., Гриценко Д., Юрченко В. В. Анализ влияния способа подвода теплоты на процесс вакуумного обезвоживания молочных продуктов // Сборник трудов Международного симпозиума «Инновации в пищевой биотехнологии» ; под общ. ред. А. Ю. Просекова. Кемерово, 2018. С. 290–296. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=35042068 (дата обращения: 20.12.2021).

⁷           Gabor D., Colombo U., King A. S. Beyond the Age of Waste: A Report to the Club of Rome. 2^nd ed. Pergamon, 1981. 258 p. URL: https://www.elsevier.com/books/beyond-the-age-of-waste/gabor/978-0-08-027303-7 (дата обращения: 20.12.2021).

⁸           Кригер О. В., Сюй В. Разработка поликомпонентного пробиотика на основе лактобактерий, выделенных из национальных кисломолочных продуктов // Сборник трудов Международного симпозиума «Инновации в пищевой биотехнологии» ; под общ. ред. А. Ю. Просекова. Кемерово, 2018. С. 44–47. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=35041989 (дата обращения: 20.12.2021).

⁹           Козлова О. В., Тултабаева Т. Ч. Совершенствование технологии получения молочно-белковых концентратов, оценка состава и технологических свойств // Сборник трудов Международного симпозиума «Инновации в пищевой биотехнологии» ; под общ. ред. А. Ю. Просекова. Кемерово, 2018. С. 33–44.

 

About the authors

Yuriy B. Gerber

Agrotechnological Academy of the V. I. Vernadsky Crimean Federal University

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

Deputy Director, Head of the Chair of Technology and Equipment for Producing and Processing Livestock Products

Russian Federation, Agrarnoye, Simferopol 295492

Aleksandr V. Gavrilov

Agrotechnological Academy of the V. I. Vernadsky Crimean Federal University

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

Acting Dean of the Faculty of Mechanization of Production and Processing Technology of Agricultural Products, Cand.Sci (Engr.)

Russian Federation, Agrarnoye, Simferopol 295492

References

Supplementary files