MAIN ASPECTS OF PRODUCING WHEY BEVERAGES WITH THE ADDITION OF PLANT POLYSACCHARIDES BASED ON THE USE OF ULTRAFILTRATION
Rubrics: FOOD PRODUCTION TECHNOLOGY
Authors:
1.
Technological Institute of Service (branch) in Stavropol, Don State Technical University
2.
Stavropol State Agrarian University
3.
Technological Institute of Service (branch) in Stavropol, Don State Technical University
4.
Institute of Construction, Transport and Engineering, North Caucasus Federal University
5.
Institute of Construction, Transport and Engineering, North Caucasus Federal University
Type:
Article
Pages:
from 5
to 10
Status:
Published
Received:
30.09.2015
Accepted:
30.09.2015
Published:
30.09.2015
Subject area:
UDK 635.24:637.344:66.081.63
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Inulin-and-pectin concentrate, whey, milk beverage, ultrafiltration
Abstract (English):
The urbanization of modern society against the background of the negative changes in environmental conditions, resulting in changes in the structure and composition of food products, strongly dictates the need to develop new types of foods notable for functionality. Modern foodstuffs should not only meet people demand for energy and basic nutrients, but also have curative and preventive properties. This is achieved by the introduction of dietary supplements into food and drinks, natural polysaccharides of plant origin being included. Most of them have a high degree of complex formation, which results in their ability to bind heavy metals ions and radionuclides in the body, followed by natural clearance. The disadvantages of the existing production methods for natural whey beverages are their high caloric content due to large amounts of sugar or sugar substitutes, which excludes their use in diabetic, dietetic food. Milk beverage production using polysaccharides is studied, which allows to fundamentally reduce sugar content in the formulation; to improve the physical and chemical properties, organoleptic properties and appearance of the finished products, and also to settle whey proteins before conducting the ultrafiltration process.
The urbanization of modern society against the background of the negative changes in environmental conditions, resulting in changes in the structure and composition of food products, strongly dictates the need to develop new types of foods notable for functionality. Modern foodstuffs should not only meet people demand for energy and basic nutrients, but also have curative and preventive properties. This is achieved by the introduction of dietary supplements into food and drinks, natural polysaccharides of plant origin being included. Most of them have a high degree of complex formation, which results in their ability to bind heavy metals ions and radionuclides in the body, followed by natural clearance. The disadvantages of the existing production methods for natural whey beverages are their high caloric content due to large amounts of sugar or sugar substitutes, which excludes their use in diabetic, dietetic food. Milk beverage production using polysaccharides is studied, which allows to fundamentally reduce sugar content in the formulation; to improve the physical and chemical properties, organoleptic properties and appearance of the finished products, and also to settle whey proteins before conducting the ultrafiltration process.
Keywords:
Inulin-and-pectin concentrate, whey, milk beverage, ultrafiltration
Inulin-and-pectin concentrate, whey, milk beverage, ultrafiltration
Введение Регулярное употребление инулин-пектиновых концентратов при сахарном диабете повышает чувствительность организма к гормону инсулину, что способствует снижению уровня сахара в крови. Кроме того, инулин, снижая в крови уровень глюкозы, нормализует выработку клетками поджелудочной железы собственного инсулина. Однако применение различных БАД, содержащих в том числе и природные полисахариды, не решает проблему дефицита в пищевых продуктах белков животного происхождения, без которых невозможно обеспечить полноценность рациона питания человека. С другой стороны, предприятия пищевой, в том числе и молочной, промышленности являются основным источником биологического загрязнения городских очистных сооружений, куда с производственными стоками и попадают эти дефицитные белки. Целью исследования являлось определение основных аспектов технологии получения напитков из молочной сыворотки с добавлением растительных полисахаридов на основе использования процесса ультрафильтрации. Объекты и методы исследований В качестве объекта исследования были использованы образцы молочной сыворотки (ГОСТ Р 53438-2009), полученной в производстве зерненного творога, и инулин-пектиновый концентрат. Предметом исследования являласьтехнология производства молочного напитка из молочной сыворотки с добавлением растительных полисахаридов. Исследования проводились в ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», в Технологическом институте сервиса (филиал) в г. Ставрополе ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и в ОАО МК «Ставропольский». В соответствии с целью исследования были разработаны общая схема и методология проведения теоретической и экспериментальной работы. Априорная информация собрана из открытых для массового пользования фондов библиотек РГБ, СКФУ, СтГАУ, ТИС филиалаДГТУ в г. Ставрополе, а также глобальной сети Интернет. При определении физико-химических параметров молочного напитка, ретентата и пермеата, их органолептических оценок применялись общепринятые и стандартные методы. Для подбора полимерных мембран и проверки их основных эксплуатационных параметровиспользоваласьмалогабаритная лабораторная установка плоскорамного типа. Экспериментальное исследование процесса баромембранного разделения молочной сыворотки проводилось на опытно-промышленной установке рулонного типа с использованием стандартных мембранных элементов ЭРУ100-1016. Организация экспериментальных исследований на такой установке позволяет исключить процедуру масштабирования, что необходимо при разработке рекомендаций для промышленных установок на основе обработки результатов экспериментальных исследований процесса на лабораторном оборудовании. Обработка результатов экспериментов проведена с применением стандартных приложенийMicrosoftExcel, Statistica 10.0. На основе анализа литературных данных и патентной документации [7], результатов собственных предварительных исследований для ультрафильтрации молочной сыворотки могут быть использованы следующие марки мембран: УПМ-П, УПМ-20,(50),(67) и УАМ-150 (500). При выборе мембран, предназначенных для ультрафильтрации молочной сыворотки,придерживались тех же критериев, которые предложены для баромембранного разделения жидких высокомолекулярных полидисперсных систем [3], что и обусловило использование полимерных синтетических мембран. Результаты и их обсуждение Одной из основных проблем современной молочной промышленности является использование ресурсосберегающих технологических процессов в производстве новых молочных напитков в контексте полного использования вторичного молочного сырья, к которому следует отнести прежде всего молочную сыворотку. В российской молочной отрасли пищевого производства ежегодно образуется до 2,2 млн т сыворотки, но промышленной переработке подвергается только около 30 % [6]. Следует отметить, что в непереработанном виде ее загрязняющая способность превышает соответствующий показатель бытовых сточных вод более чем в 100 раз. Молочная сыворотка - вторичный продукт переработки молока, образующийся в производстве зерненного творога, по своим физико-химическим и биологическим показателям может быть отнесена к ценному пищевому сырью, переработка которого позволяет получать различные полуфабрикаты и напитки функционального назначения [4]. В соответствии с данными Milkportal [1] в первом квартале 2014 года именно на этот вид приходится более половины всего полученного в РФ объема молочной сыворотки. Ограниченное ее применение в пищевой промышленности, обусловленное невысокими органолептическими показателями (кислый привкус и зеленовато-желтый цвет), и соответственно низкая цена приводят к явному или завуалированному сбросу в городскую канализационную сеть. С другой стороны, это создает экономические предпосылки к разработке технологии ее рационального использования с целью получения конкурентоспособной по цене и качеству продукции в виде молочных напитков функционального назначения. В сухих веществах молочной сыворотки содержатся лактоза (около 70 %), белки, жир, минеральный и витаминный комплексы (табл. 1) [3, 4]. Микроэлементы и минеральные соли способствуют поддержанию водно-солевого баланса организма. За счет большого содержания лактозы творожная сыворотка представляет собой биологически ценный продукт. Таблица 1 Сравнительный химический состав молочной сыворотки [7] Показатель Содержание в 100 г сыворотки цельного молока Вода, г 94 87 Сухое вещество, г 6 13 Белки, г 0,8 3,2 Жиры, г 0,2 3,5 Углеводы, г 3,5 4,5 Макроэлементы, мг: калий 130 146 кальций 60 120 магний 8 14 натрий 42 50 фосфор 78 90 хлор 67 110 Микроэлементы, мкг: железо 60 67 йод 8 9 кобальт 0,1 0,8 медь 4 12 молибден 12 5 цинк 500 400 Витамины, мг: Е 0,03 0,09 С 0,50 1,50 В6 0,12 0,05 В12,мкг 0,29 0,40 биотин, мкг 2,00 3,20 пантотеновая кислота 0,34 0,38 рибофлавин 0,11 0,15 тиамин 0,03 0,04 фолацин, мкг 1,00 5,00 холин 14,00 23,60 По сравнению с другими углеводами замедленный гидролиз лактозы ограничивает в кишечнике человека процессы брожения, что способствует нормализации жизнедеятельности микрофлоры. Кроме того, сывороточные белки по аминокислотному составу оптимально сбалансированы. Регулярное употребление натуральной сыворотки способствует улучшению работы почек и нормализации функции печени человека, стимулированию деятельности кишечника, уменьшению остроты воспалительных процессов в желудке [3]. Энергетическаяценность (около 20 ккал на 100 г) молочной сыворотки, полученной при производстве зерненного творога, в 3,5 раза ниже цельного молока, что позволяет рассматривать ее как биологически полноценное сырье с диетическими свойствами. На основе анализа представленных втабл. 1 данных можно заключить, что похимическому составу сыворотку следует отнести к ценному сырью. Промышленная ее переработка на основе принципов безотходной технологии позволит не только увеличить ресурсы производства полноценных молочных напитков, но и повысить экономическую эффективность использования цельного молока, одновременно исключить или значительно снизить уровень загрязнения окружающей среды [2-5]. В настоящее время широкое применение в пищевой, в том числе и молочной, промышленности нашли ингредиенты, изготавливаемые на основе полисахаридов растительного происхождения. Они обладают противовирусной, антибиотической, противоядной, противоопухолевой и антисклеротической активностью, что обусловлено их способностью образовывать комплексы с липопротеидами и белками плазмы крови [2]. В зависимости от исходного сырья полисахариды растительного происхождения можно условно разделить на две группы: - из морских растений (агар-агар, каррагинаны, альгинаты, фурцелларан и др.); - из наземных растений (крахмал, инулин, пектин, галактоманнан, камедь и др.). В производстве агар-агара в нашей стране используют в основном беломорскую и дальневосточную анфельцию, содержание агар-агара в сырье зависит от его вида, возраста, района произрастания и сезона добычи. Коммерческое использование и ценовая доступность полисахаридов этой группы определяются в основном удаленностью районов добычи природного сырья. Отличительной характеристикой каррагинанов является их способность при низкой норме внесения реагировать с белками. В молочных напитках каррагинаны формируют водорастворимый низковязкостный гель, захватывающий жировые шарики, мицеллы казеина и другие растворенные вещества, что обеспечивает суспендирование готового продукта. Путем подбора подходящего типа каррагинана можно создавать различные текстуры напитков: от свободно текучей и легкой до насыщенной. Это позволяет, манипулируя вкусовыми ощущениями потребителя, сохранять требуемое качество продукта [2]. Основные типы напитков, содержащие эти полисахариды растительного происхождения, представлены в табл. 2. Пектинами и инулинами богаты плоды яблони, клюквы, боярышника, черной смородины, корни лакрицы, трава стевии и др. Больше всего инулина содержится в клубнях топинамбура, много его и в цикории. Промышленное производство пектинов использует в качестве сырья обычно кожуру цитрусовых. Использование полисахаридов растительного происхождения (в особенности пектинов и инулинов) в рецептуре напитков, в том числе и молочных, позволяет [6]: - снизить в готовом продукте содержание сахара, но при этом сохранить вкусовые ощущения; - без значительного повышения вязкости восстановить тело напитка, ухудшающееся при удалении сахара; - обеспечить стабилизацию молочно-соковых белковых напитков в диапазоне рН 3,8-4,2 даже при тепловой обработке. Таблица 2 Типы напитков, содержащие полисахариды растительного происхождения [2] Основные типы напитков Пектин/ инулин Каррагинан Фруктовые / соковые + - Газированные + - Подкисленные / сквашенные с низким рН (йогурт-сок, молоко-сок, смуси и т.п.) + - С нейтральным рН (молочные, соевые, белковые) - + Кофейные + + Чайные / энергетические / спортивные + + Концентраты / сиропы + - Алкогольные / спиртные + + Быстрорастворимые + + При низкой калорийности такие напитки могут иметь органолептические показатели аналогов с обычным содержанием сахара. Особый интерес как ингредиент молочных напитков представляют экстракты лакрицы и стевии. Корни солодки голой (лакрицы) содержат углеводы (глюкоза 0,6-15,2%, фруктоза 0,3-4,1 %, сахароза 0,3-20,3 %, мальтоза 0,1-0,6%), полисахариды (крахмал до 34%, целлюлоза до 30%), глицирризиновую кислоту 1,8-14,6%, смолы (1,8- 4%), стероиды (β-ситостерин), фенолкарбоновые кислоты, кумарины (2,59% - герниарин, умбеллиферон и др.), дубильные вещества (8,3-14,2%), флавоноиды (ликвиритин, изоликвиритин, ликвиритозид, кверцетин, кемпферол, апигенин и др.), высшие алифатические углеводороды и спирты, высшие жирные кислоты, алкалоиды. Лакрицу традиционно применяют для подслащивания напитков, к тому же раствор глицирризина хорошо пенится и его добавляют как пенообразователь в различные квасы. Лакрица может не только заменять сахар, но и способствовать сохранению напитков, поскольку обладает фунгицидным и бактерицидным действием. В этом качестве ее применяют везде, где нужна сладость без сахара, особенно в лечебном питании большинства больных диабетом [6]. В качестве подсластителя растительного происхождения, содержащего полисахариды, может быть использован экстракт стевии. Комплекс сладких веществ стевии представлен несколькими тетрациклическими дитерпеновыми гликозидами, отличающимися как по количественному содержанию в листьях растения, так и по степени сладости. Кроме стевиозида, трава стевии содержит и другие сладкие гликозиды с различной степенью сладости (от 50 до 450) по отношению к сахарозе: ребаудиозиды (А, В, С, Д и Е), стевиолбиозид и дулиобиозид. Самый сладкий из них -ребаудиозид А (350-450). В сухих листьях стевии его содержится около 3 %. По сравнению со стевиозидом он более растворим в воде, а его послевкусие менее интенсивно. Кроме этого, в листьях стевии содержатся пектины, флавоноиды, аминокислоты, эфирные масла, минеральный комплекс (К, Са, Р, Zn, Mg, Fe), витамины группы А, Е, С, Р, бета-каротин [3]. Исследования последних лет [1-3], в том числе клинические, показали возможность использования нерастворимых полисахаридов (альгинат натрия, хитозан) в технологии продуктов питания, обладающих гастропротекторным действием и стимулирующих заживление язвенных поражений. Введение в молочную сыворотку такого полисахарида, как хитозан, может положительно повлиять на физико-химические свойства готовых напитков. Этот биополимер обладает бактерицидным и антиокислительным действием, позволяющим увеличить сроки хранения готовой товарной продукции за счет ингибирования процесса ее скисания. Для этих целей может быть использован «ПолиХит» - отечественный лечебно-профилактический препарат. Он представляет собой комплекс хитозана пищевого (до 67%) и ламинарии. «ПолиХит» в дозе до 3 г на 100 г молочного напитка способствует снижению уровня холестерина в крови и нормализации функции щитовидной железы. Имеет показания к применению при гипертонической болезни, ишемии сердца, варикозном расширении вен и атеросклерозе. В среде желудка,преобразуясь в гель, обволакивает его слизистую оболочку и тем самым оказывает противовоспалительное действие [4]. Технология получения молочных напитков с хитозаном включает следующие операции [7]: молоко (0,5% жирности) нормализуют по жирности сливками 3,5% жирности, вносят альгинат натрия (0,3%), оставляют для набухания до 40 мин, затем нагревают до температуры 50-60°С, добавляют раствор хитозана в количестве 3% и подсластитель фруктозу, перемешивают смесь в течение 3 мин при 650 об/мин. Затем смесь пастеризуют (80°С, 5 мин), добавляют вкусовые наполнители, перемешивают и охлаждают. Определяющим критерием при выборе наполнителя (ТУ 9163-014-40975881-04 «НаДо») стала его способность маскировать послевкусие и аромат, свойственные хитозану. В рецептуре напитка на основе молочной сыворотки [7] может быть использован полисахарид растительного происхождения - гель Алоэ Вера в количестве 21-23% на 1 л сыворотки с добавлением подсластителя (фруктоза), лимонной кислоты, натуральных ароматизаторов (виноград или гранат). Напиток обладает высокими пищевыми качествами и профилактическим действием. Технология получения этого молочного напитка включает следующие операции [7]: неосветленную творожную сыворотку с кислотностью 65-70°Т нагревают до 74-78°С, выдерживают до комнатной температуры. Затем фильтруют и вносят полисахарид растительного происхождения - гель Алоэ Вера в количестве 22-22,5%, фруктозу 0,45-0,5%, лимонную кислоту 0,3-0,35%, натуральные ароматизаторы 0,6-0,08% на 1 л сыворотки. Полученную смесь при температуре 74-76°С пастеризуют в течение 18-20 с, охлаждают до (6±2) °С и разливают в пакеты емкостью 0,5 л. Срок хранения при температуре 4-6°С не более 48 ч. Полученный напиток обладает приятной сладостью и ароматом, оптимальной кислотностью. Переработка свежесобранного растения и пастеризация геля выполняются вручную. Основной компонентный состав растительного сырья (геля Алоэ Вера): целлюлоза, галактоманнаны, ацеманнан, лигнин, глюкоза, манноза, галактоза, глюкуроновая кислота и др. Аналогичный способ выработки напитка на основе молочной сыворотки предусматривает следующее [7]: изомеризованную (с содержанием пребиотикалактулозы) молочную сыворотку нагревают до 75-78 °C, выдерживают до температуры (23±2) °C. Траву мелиссы заливают частью полученной сыворотки и после выдержки фильтруют. Затем основную часть сыворотки купажируют с полученным экстрактом мелиссы, лимонной кислотой, яблочным пектином, соком манго и сахарным сиропом. Смесь пастеризуют, охлаждают и разливают в тару. Содержание исходных компонентов в напитке, мас.%: сок манго 17-18, экстракт мелиссы 13-14, сахарный сироп 11-12, пектин 0,6-0,7, лактулоза 0,6, лимонная кислота 0,35-0,5. Изобретение направлено на получение напитка с высокими органолептическими свойствами и уровнем пищевой ценности. Изобретение относится к молочной промышленности [7] и предусматривает: подготовку сыворотки, последующее в течение 10-30 мин в ней отваривание ламинарии японской, которая может составлять 1-25% от объема сыворотки, охлаждение, фильтрацию, а затем внесение в фильтрат вкусовой добавки (соль, сахар) и пастеризацию. Похожий в своей сути способ [7] предусматривает: отваривание молочной сыворотки в течение 0,8-1,2 мин при 95-96 °С, охлаждение до 5-10 °С со скоростью не менее 7,5 °С/мин, фильтрацию, внесение сахарного сиропа и цитрусовой эссенции. Одновременно в отфильтрованную сыворотку вносят сухую, размолотую до получения порошка кожуру цитрусовых в количестве 0,5-1% масс. и компоненты перемешивают. Таким образом, большинство традиционных способов производства напитков из натуральной молочной сыворотки предусматривают в своей рецептуре обязательное наличие различных ароматизаторов, подсластителей и пищевых консервантов [5, 6]. Кроме того, в технологии их приготовления обязательно предусматривается нагрев молочной сыворотки, выдержка, охлаждение и часто фильтрация. Как правило, недостатками готовой продукции являются либо ее высокая калорийность, либо использование сахара (синтетических сахарозаменителей), что исключает ее использование в диабетическом, детском и геронтологическом диетическом питании. Кроме того, традиционной технологии свойственны большие энергетические затраты, не считая расходов материальных средств на приобретение всех вносимых компонентов. Анализ основных аспектов разрабатываемой технологии получения напитков из молочной сыворотки с добавлением растительных полисахаридов позволяет сделать следующие выводы. 1.Внесение в молочную сыворотку полисахаридов природного, в том числе и растительного, происхождения позволяет в той или иной мере осадить сывороточные белки, что улучшает физико-химические свойства, органолептические показатели и товарный вид готовых молочных напитков. Однако это не исключает из технологии их приготовления операции нагрева и выдержки для инактивации микрофлоры. Для увеличения сроков хранения таких напитков требуется добавление в рецептуру пищевых консервантов. 2. Термообработка позволяет, с одной стороны, инактивировать микрофлору, а с другой, способствовать частичному осаждению белковых компонентов, которые затем удаляются с помощью фильтрации. Осветленный этим способом напиток приобретает более привлекательный для потенциального покупателя товарный вид. 3. Внесение ароматизаторов и прочих ингредиентов в молочную (особенно творожную) сыворотку имеет свой целью замаскировать ее специфический вкус и запах, которые обусловлены наличием в ней прежде всего сывороточных белков.
1. Babenyshev, S.P. Pereraspredelenie chastic dispersnoy fazy zhidkih polidispersnyh sistem pri ul'trafil'tracionnom razdelenii / S.P. Babenyshev, I.A. Evdokimov // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. - 2007. - № 7. - S. 77-79.
2. Babenyshev, S.P. Tehnologicheskie i ekologicheskie predposylki primeneniya membrannyh tehnologiy razdeleniya zhidkih polidispersnyh sistem / S.P. Babenyshev, I.A. Evdokimov // Maslozhirovaya promyshlennost'. - 2004. - № 4. - S. 20.
3. Intensifikaciya processa razdeleniya molochnogo syr'ya/S.P. Babenyshev[i dr.]// Nauchnoe obozrenie. - 2012. -№ 2. - S. 238-246.
4. Teoreticheskie aspekty prognozirovaniya proizvoditel'nosti baromembrannyh ustanovok dlya razdeleniya zhidkih polidispersnyh sistem/ D.S. Mamay[i dr.] // Nauchnoe obozrenie. - 2012. -№ 5. - S. 465-467.
5. Mamay, D.S. Pererabotka topinambura na osnove obratnoosmoticheskogo i ul'trafil'tracionnogo razdeleniya ego zhidkih ekstraktov / D.S. Mamay, S.P. Babenyshev // Vestnik APK Stavropol'ya. StGAU. - 2011. - № 1. - S. 36-39.
6. Utkin, V.P. Molochnyy napitok dlya bol'nyh saharnym diabetom // Sbornik nauchnyh trudov Vserossiyskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta ovcevodstva i kozovodstva. -Stavropol', 2013. -T. 3. -№ 6. - S. 276-278.
7. Pat. 2489891 Rossiyskaya Federaciya, MPK A23C 21/00. Sposob polucheniya molochnogo fruktovo-ovoschnogo napitka / S.P. Babenyshev, D.S. Mamay, P.S. Chernov, M.V. Skorohodova, V.P. Utkin; zayavitel' i patentoobladatel' Stavropol'skiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet (RU). - № 2012114580/10; zayavl. 12.04.2012; opubl. 20.08.2013, Byul. № 23. - 7 s.
