ФОРМИРОВАНИЕ ПЕННОЙ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИЙ СМЕСЕЙ СУХОГО ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОЧНОГО ОСТАТКА И ЯИЧНОГО БЕЛКА С ФРУКТОВО-ОВОЩНЫМИ ДОБАВКАМИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлена методика проведения исследований. Указаны факторы и условия, влияющие на формирование структуры композиций смесей сухого обезжиренного молочного остатка и яичного белка с фруктово-овощными пюре, вязкость и устойчивость системы: соотношение компонентов, температура смеси, режимы нагрева и охлаждения, рН среды и другие. Проведены исследования по повышению пенообразующих свойств композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка. Выявленные пенообразующие свойства сухого обезжиренного молочного остатка дают основания использовать молочные растворы в приготовлении продуктов питания с пенной структурой.

ABSTRACT

The article presents the research methodology. Factors and conditions influencing the formation of the structure of compositions of mixtures of dry skimmed milk residue and egg white with fruit and vegetable purees, the viscosity and stability of the system are indicated: the ratio of components, the temperature of the mixture, heating and cooling modes, pH of the medium and others. Research has been carried out to increase the foaming properties of  mashed apple and carrot compositions with mixtures of dry skimmed milk residue and egg white. The identified foam-forming properties of dry skim milk residue provide grounds for using milk solutions in the preparation of food products with a foamy structure.

Ключевые слова: пена, вязкость, белок, кислотность среды, степень взбитости, устойчивость пены, дисперсионная среда, дисперсная фаза, коалесенция, дисперсия, денатурация.

Keywords: foam, viscosity, protein, acidity of the medium, degree of overrun, foam stability, dispersion medium, dispersed phase, coalescence, dispersion, denaturation.

Молоко и молочные продукты, сухой обезжиренный молочный остаток (СОМО) и яичный белок регулярно используются при производстве пищевых продуктов с пенной структурой. Эти продукты содержат белковые вещества с высокой поверхностной активностью [1, 2, 3, 4]. Белки обладают пенообразующим свойством, и устойчивость образующейся при их участии пенной структуры может быть низкой. Для повышения устойчивости структуры в качестве добавки целесообразно использовать фруктовые и овощные пюре, содержащие поверхностно-активные вещества. Использование СОМО, яичного белка, фруктово-овощных добавок в смесях, изучение влияния технологических факторов на этот процесс, повышение устойчивости пены, позволяет использовать их при разработке технологии новых пищевых продуктов с пенной структурой [5, 6, 7, 8].

К технологическим факторам, влияющими на формирование структуры пены, относятся концентрация пенообразователя, температура, вязкость смеси, дисперсность и кислотность среды, продолжительность и скорость вбивания. Мы сочли целесообразным изучить влияние этих технологических факторов на пенообразующие свойства композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка.

Изучив оптимальные условия пенообразования смесей СОМО и яичного белка, мы изучили влияние на них яблочного и морковного пюре. Для этого к смеси 20 % ной СОМО и яичного белка добавляли яблочное и морковное пюре в количестве от 2 до 10 % на сухое вещество. Для того чтобы приготовленные смеси созрели, хранили их в холодильном шкафу при температуре 4 ± 0,5 °С. Продолжительность созревания смесей определяли путем измерения изменения эффективной вязкости при скорости сдвига 243 с-1 каждые 5 минут. Было замечено, что эффективная вязкость композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка существенно не изменилась через 10 минут.

Кислотность среды системы изменялась с увеличением количества фруктово-овощных добавок в приготовленных смесях СОМО и яичного белка с яблочным и морковным пюре. Кислотность среды в композициях яблочного и морковного пюре со смесью СОМО изменилась с 4,3 до 6,4, а в композициях яблочного и морковного пюре со смесью яичного белка изменилась с 8,8 до 6,6.

В композициях показатель кислотности среды системы мы выравнивали к изоэлектрической точке основных белков сырья, добавляя 0,1 % ный растворы HCl и NaOH. При этом кислотности среды системы яблочного и морковного пюре со смесью СОМО составил 4,6 ± 0,1, а яблочного и морковного пюре со смесью яичного белка 8,4 ± 0,1. Подкисленные композиции охлаждали до температуры 4 ± 0,5 °С и затем взбивали при скорости 200 и 500 об/мин в течение 9 минут.

Определяли пенообразующие свойства композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка. Пенообразующие свойства композиций оценивали по степени взбивания и устойчивости пены.

Степень пенообразования определяли по отношению высоты пенной структуры к высоте смеси в процентах. Устойчивость пены определяли по отношению высоты исходной структуры пены к высоте пены оставшийся через 30 минут [1, 9].

Установлено, что пенообразующие свойства композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка зависят от количества вносимых в систему фруктово-овощных добавок.

По мере увеличения количества фруктово-овощных добавок в состав композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка степень взбивания системы снижался, а устойчивость пены увеличивался. При этом также наблюдалось снижение тенденции к увеличению стабильности пены в композициях.

Этот процесс объясняется увеличением количества фруктово-овощных добавок в композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка, также увеличивается количества азотистых и пектиновых веществ повышающих пенообразующие свойства системы. В результате высокомолекулярные вещества образуют прочный адсорбционный слой в дисперсных фазах системы. Снижается поглощение сравнительно крупными пузырьками воздуха мелких пузырьков воздуха, т. е. уменьшается процесс коалесценции и увеличивается их дисперсность. Увеличение количества сухих веществ повышает вязкость дисперсионной среды и замедляет ее течение в межфазном пространстве, что, в свою очередь, увеличивает эффективную вязкость системы.

Изменение эффективной вязкости (при скорости сдвига 243 с-1) композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка в зависимости от количества пюре представлено на рис.1.

На рисунке видно, что эффективная вязкость системы увеличивается с повышением количества пюре в композициях. Установлено, что эффективная вязкость композиций морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка выше эффективной вязкости композиций яблочного пюре с этими смесями.

Рисунок 1. Влияние количества пюре на эффективную вязкость композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка

1 - композиция яблочного пюре со смесью СОМО; 2 - композиция морковного пюре со смесью СОМО; 3 - композиция яблочного пюре со смесью яичного белка; 4 - композиция морковного пюре со смесью яичного белка.

Установлено, что степень взбивания композиций морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка ниже, чем степень взбивания композиций яблочного пюре с этими смесями, а устойчивость пены выше (рис.2).

Представленные на рисунке результаты объясняются тем, что количество азотистых и пектиновых веществ в морковном пюре больше по сравнению с яблочным при одинаковом количестве сухих веществ в пюре.

Пектиновые вещества повышают вязкость дисперсионной среды и образуют с белками системы белково-полисахаридный комплекс, что повышает прочность межфазного адсорбционного слоя, образующегося на поверхности пузырьков воздуха. Высокая склонность морковного пектина к образованию белково-полисахаридного комплекса объясняется его средним уровнем метоксилирования.

Рисунок 2. Влияние содержания пюре на степень взбивания (А) и устойчивость пены (Б) композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка

1 - композиция яблочного пюре со смесью СОМО; 2 - композиция морковного пюре со смесью СОМО; 3 - композиция яблочного пюре со смесью яичного белка; 4 - композиция морковного пюре со смесью яичного белка.

Известно, что белки и кислые полисахариды являются полиэлектролитами. Благодаря полиамфотерному свойству белков макромолекулы белков и кислых полисахаридов имеют противоположные заряды в определенной области кислотности среды. В этой области происходит электростатическое взаимодействие между макроанионами белков и макрокатионами кислых полисахаридов с образованием белково-полисахаридного комплекса. Устойчивость полимерного комплекса объясняется большим количеством связей между макромолекулами, обусловленными большим количеством присутствующих в их структуре противоположно заряженных ионогенных групп.

Согласно этой теории, вероятность образования белково-полисахаридного комплекса может быть высокой в ​​среде с кислотностью, которая ниже показателя изоэлектрической точки белковых макромолекул, содержащихся в сырье исследуемых композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка.

На основании вышеизложенной информации нами были проведены исследования по повышению пенообразующих свойств композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка.  

В предыдущих исследованиях было установлено, что пенообразующая способность системы оптимальна при количестве пюре в композициях яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка 4÷8 % на сухое вещество. Поэтому мы исследовали композиции, в которых количество пюре составлял 6 % на сухое вещество. Кислотность среды в композициях яблочного и морковного пюре со смесью СОМО составила 4,6, а в композициях яблочного и морковного пюре со смесью яичного белка составила 8,4. За счет добавления в систему 1,0 % ного раствора лимонной кислоты планировали изменить кислотность среды композиций яблочного и морковного пюре со смесью СОМО с 4,6 до 4,1, а композиций яблочного и морковного пюре со смесью яичного белка с 8,4 до 7,4.

Приготовленные смеси СОМО и яичного белка охлаждали до 4 ± 0,5 °С в холодильном шкафу, затем взбивали при скорости 200 об/мин в течение 3 минут и при скорости 500 об/мин в течение 9 минут. В процессе взбивания смесей в течение 9 минут изменяли кислотность среды и добавляли охлажденное до температуры 4 ± 0,5 °С пюре в количестве 6 % на сухое вещество. Результаты исследования представлены на рисунках 3, 4.

Рисунок 3. Влияние кислотности среды на степень взбивания композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО (А) и яичного белка (Б)

1 - композиция яблочного пюре со смесью СОМО; 2 - композиция морковного пюре со смесью СОМО; 3 - композиция яблочного пюре со смесью яичного белка; 4 - композиция морковного пюре со смесью яичного белка.

Рисунок 4. Влияние кислотности среды на устойчивость пены композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО (А) и яичного белка (Б)

1 - композиция яблочного пюре со смесью СОМО; 2 - композиция морковного пюре со смесью СОМО; 3 - композиция яблочного пюре со смесью яичного белка; 4 - композиция морковного пюре со смесью яичного белка.

Из данных, представленных на рисунках, видно, что при кислотности среды в интервале от 4,6 до 4,4 в композициях яблочного и морковного пюре со смесью СОМО и при кислотности среды в интервале от 8,4 до 8,0 в композициях яблочного и морковного пюре со смесью яичного белка степень взбивания и устойчивость пены систем повышается, после снижается.

Этот процесс можно объяснить следующим образом. Наличие лимонной кислоты в композициях приводит к изменению кислотности среды и создает условия для образования белково-пектинового комплекса. Перед взбиванием этот процесс необязателен, поскольку белково-пектиновый комплекс обладает низкими пенообразующими свойствами. В результате изменения кислотности среды в системах ослабляется электростатическое отталкивание между белками СОМО и яиц и пектинами яблочного и морковного пюре на разных границах межфазного адсорбционного слоя, при этом обеспечивается максимальное притяжение пектиновой макромолекулы этому слою. В конце взбивания, то есть после формирования пенной структуры, целесообразно образование белково-пектинового комплекса, поскольку комплексы, образующиеся между межфазными адсорбционными слоями выполняют функцию стабилизации структуры. При этом за счет частичного сжижения системы и оптимальной вязкости дисперсионной среды улучшается степень взбивания.

Изучали, как улучшение пенообразующих свойств композиций повлияло на дисперсность дисперсных фаз воздушных пузырьков в системе, поскольку дисперсность дисперсных фаз в системе напрямую влияет на стабильность структуры пены. С этой целью были подготовлены, в указанных выше условиях, и исследованы композиции яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка, количестве пюре составил 6 % на сухое вещество.

В композициях яблочного и морковного пюре со смесью СОМО в диапазоне кислотности среды от 4,6 до 4,4, в композициях яблочного и морковного пюре со смесью яичного белка в диапазоне кислотности среды от 8,4 до 8,0 выявлено высокая дисперсность воздушных пузырьков.

При этом диапозоне кислотности среды системы средний диаметр воздушных пузырьков в композициях яблочного и морковного пюре со смесью СОМО составлял 60-63 мкм, а в композициях яблочного и морковного пюре со смесью яичного белка средний диаметр составлял 53-56 мкм. Дисперсность воздушных пузырьков была выше в композициях пюре со смесью яичного белка по сравнению с композициями пюре со смесью СОМО. Эти показатели показывают, что существует корреляционный связь между пенообразующими свойствами композиций и дисперсностью их воздушных пузырьков.

Таким образом, оптимизация пенообразующих свойств на основе исследования композиций яблочного и морковного пюре со смесями СОМО и яичного белка разработаны рецептуры и технологии новых продуктов питания с пенной структурой.

Список литературы:

1. Иванова, С. А. Пенообразующие свойства концентрата белков обезжиренного молока/С. А. Иванова // Техника и технология пищевых производств. – 2018. – Т. 48, № 4. – С. 12–21. DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2018-4-12-21.
2. Dickinson, E. Food emulsions and foams: Stabilization by particles / E. Dickinson // Current Opinion in Colloid and Interface Science. – 2010. – Vol. 15, № 1–2. – P. 40–49. DOI: https://doi. org/10.1016/j.cocis. 2009.11.001.
3. Designing Multiscale Structures for Desired Properties of Ice Cream / J. F. Crilly, A. B. Russell, A. R. Cox [et al.] // Industrial and Engineering Chemistry Research. – 2008. – Vol. 47, № 17. – P. 6362–6367. DOI: https://doi.org/10.1021/ie701773z.
4. Formation and stability of food foams and aerated emulsions: Hydrophobins as novel functional ingredients / A. J. Green, K. A. Littlejohn, P. Hooley [et al.] // Current Opinion in Colloid and Interface Science. – 2013. – Vol. 18, № 4. – P. 292–301. DOI: https://doi.org/ 10.1016/ j.cocis. 2013.04.008.
5. Physico-chemical factors controlling the foamability and foam stability of milk proteins: Sodium caseinate and whey protein concentrates / K. G. Marinova, E. S. Basheva, B. Nenova [et al.] // Food Hydrocolloids. – 2009. – Vol. 23, № 7. – P. 1864– 1876. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j.foodhyd.2009.03.003.
6. Foaming properties of skim milk powder fortified with milk proteins / L. P. Martínez-Padilla, V. García-Mena, N. B. Casas-Alencáster [et al.] // International Dairy Journal. – 2014. – Vol. 36, № 1.– P. 21–28. DOI: https://doi.org/10.1016/j. idairyj. 2013.11.011.
7. The influence of temperature on the foaming of milk / S. Kamath, T. Huppertz, A. V. Houlihan [et al.] // International Dairy Journal. – 2008. – Vol. 18, № 10–11. – P. 994–1002. DOI: https://doi. org/10.1016/j.idairyj. 2008.05.001.
8. New fruit and vegetable sauces with functional properties. To cite this article: Nasullo Kuliev 2022 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 981 022080 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/981/2/022080/pdf.
9. Кулиев Н.Ш. Технология мягкого мороженого на основе фруктово-овощных добавок: Монография. /Н.Ш.Кулиев. – Б.: Издательство “UMID”, 2020. – 98 с.