Наукове обґрунтування технологій напівфабрикатів на основі молочної сировини, одержаних шляхом реалізації потенціалу лактокальцію: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.16 – Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено теоретичному та експериментальному обґрунтуванню технологій стабілізованих та структурованих сфероподібних напівфабрикатів на основі молочної сировини, одержаних шляхом реалізації потенціалу лактокальцію, що забезпечується керуванням динамічною рівновагою між його міцелярним та іонним станом. Виробництво розроблених напівфабрикатів дозволило підвищити ефективність технологічних процесів переробки молочної сировини, розробити широкий асортимент конкурентоспроможної продукції з високими споживними властивостями та експортним потенціалом. На основі теоретичних та експериментальних досліджень сформульовано й доведено наукову концепцію дослідження – керовані зміни вмісту іонного лактокальцію ( ) у складі технологічних рідких середовищ на основі молочної сировини шляхом коригування розчинності кальційвміщуючих солей та утворення альгінат-лактокальцієвих комплексів дозволять забезпечити колоїдну стабільність і структурування харчових систем з одержанням напівфабрикатів із новими споживними властивостями. Введено нове поняття – «технологічне рідке середовище» (ТРС), яке дозволяє здійснити ідентифікацію молочної сировини (молоко сире та молоко знежирене – ТРСм, сироватка молочна – ТРСс та їх суміші – ТРСсум) як складної за складом, станом та структурою системи та є методологічним підґрунтям організації наукових досліджень, які дозволили розширити науково-практичне уявлення про роль хімічних, термодинамічних та технологічних потенціалів ТРС, у тому числі складу сольової системи (ССС), в побудові та реалізації нових сучасних технологічних процесів. Розроблено та перевірено на адекватність феноменологічну модель динамічної рівноваги міцелярного та іонного лактокальцію в межах технологічного ланцюга ТРСм ТРСс. Модель базується на оцінці термодинамічного потенціалу ССС та забезпечує реалізацію науково-практичного напряму зі створення стабілізованих та структурованих сфероподібних напівфабрикатів. Визначено, що реалізацію наявних і новоутворених потенціалів ТРС підпорядковано керованим структурним перетворенням харчових систем. Визначено, що під час переробки сировини для забезпечення стану рівноваги та вирівнювання потенціалів, що є умовою термодинамічної та технологічної стабільності продукту, необхідне подолання певного енергетичного бар’єра – енергії активації (Еа) (для ТРСм – хімічного потенціалу), величина якого визначається станом речовин та етапом технологічного процесу. Це дозволяє спрогнозувати напрями переробки молочної сировини з одержанням питомої цінності кінцевого продукту, утворення якої супроводжується витратами сумарної енергії системи. Зниження загального потенціалу системи на величину енергії активації цього технологічного впливу є умовою утворення питомої цінності. Для одержання продукту з додатковою питомою цінністю із сировини, за відсутності потенціалу, який забезпечує , , є доцільною зміна вектора технологічного впливу та реалізації накопичених у технологічному потоці потенціалів. Із розуміння, що масова частка лактокальцію у ТРСм є величиною постійною й у певний проміжок часу співвідношення не буде змінюватися, є очевидним, що умовами термодинамічної та технологічної стабільності є зменшення масової частки . Теоретично та експериментально доведено, що термодинамічно та технологічно стабільний стан продукту може бути одержано двома шляхами – пасивним (трансформацією ТРСм за реалізації традиційних технологічних впливів) та інтенсивним (як результат утворення ТРСсум). Доведено, що ТРСсум характеризується вищими значеннями ентальпії відносно ТРСм за рахунок зростання концентрації . За умови, що у ТРСсум відсутній потенціал, здатний компенсувати новий хімічний потенціал , а традиційні методи технологічного впливу є малоефективними, прийнято рішення щодо використання альгінату натрію (AlgNa) як ефективного сорбенту . Визначено, що дозоване введення розчину AlgNa у ТРС або навпаки супроводжується компенсацією потенціалів . Це призводить до зменшення ентальпії ТРС за вмістом і виникнення нового рівня рівноваги системи «ТРС-AlgNa». Результатом досягнення рівноваги є утворення нової фази – альгінату кальцію ( ). Виявлено, що за високого потенціалу гідрофобізація AlgNa буде стрімко зростати з втратою спорідненості його з розчинником, що призведе до деформації ланцюгів макромолекул. Структура макромолекул AlgNa в розчині впорядковуватиметься у бік утворення замкнутих енергетично вигідних просторових структур – капсул. За низького потенціалу утворення капсул не можливе, а в системі матимуть місце низькокінетичні процеси з утворенням гранул. Експериментальне підтвердження вищезазначених положень знайшло віддзеркалення в науково обґрунтованих технологіях стабілізованих і структурованих сфероподібних напівфабрикатах. На підставі узагальнення результатів досліджень науково обґрунтовано технологію виробництва ТРСм з регульованим ССС із підвищеними термо- та кислотостійкістю. Вона є базовою для розробки технологій напівфабрикатів десертної продукції та з сиру кисломолочного. Методом молекулярно-масового розподілу фракцій систем « » та ІК-спектроскопії доведено зв’язування іонного лактокальцію AlgNa в альгінат-лактокальцієві комплекси. Підтверджено можливість використання в технологічному процесі виробництва напівфабрикатів десертної продукції соків або пюре, які за умов реалізації моделі виконують роль коректорів розчинності та є одночасно рецептурними компонентами, що визначають асортимент нової продукції. Визначено, що за масової частки соку концентрованого смородини – 10–30% або пюре персикового – 30–50 % у складі суміші з ТРСм забезпечується зниження рН систем до 5,0–5,5, що дозоляє вилучити до 10,0–15,0 % до первинного вмісту. Запропонований підхід дає можливість інтенсифікувати процеси накопичення та сорбції із забезпеченням колоїдної стабільності напівфабрикатів у широкому інтервалі температур і рН. Науково обґрунтовано та розроблено технологію напівфабрикатів десертної продукції (ТУ У 15.8-01566330-264:2013 «Напівфабрикати для солодких страв на основі молочної та плодово-ягідної сировини», Зміна 1:2018 до ТУ У 15.8-01566330-264:2013). З урахуванням сформульованих положень теоретичної моделі розроблено технологію напівфабрикатів з сиру кисломолочного на основі ТРСм з регульованим ССС. Установлено, що зменшення вмісту лактокальцію у ТРСм призводить до зниження щільності ферментованого згустку та його вологовиділяючої здатності. Одночасно спостерігається підвищення масової частки розчиненого білка в сироватці, що пояснюється переходом субміцел казеїну в розчинний стан. Доведено, що результатом керованого регулювання ССС ТРСм шляхом видалення з нього 25,0–30,0% лактокальцію до первинного вмісту є одержання сиру кисломолочного, який характеризується покращеними технологічними властивостями, що підтверджується підвищенням пластичності, а також однорідною дрібнодисперсною структурою та відсутністю відділення вологи за рН 4,5–4,7. Виражена здатність білків сиру кисломолочного, одержаного з ТРСм з регульованим ССС, до додаткової солюбілізації дозволила модифікувати його структуру в область більш гомогенних систем шляхом зсуву рН у бік нейтральних значень за рахунок буферної ємності ТРСм з регульованим ССС. Це дозволило одержати на основі цих сумішей напівфабрикати з сиру кисломолочного у вигляді прямої емульсії. Рецептурний склад, технологічний процес виробництва, показники якості та безпечності нової продукції відображено в ТУ У 10.5-01566330-324:2017 «Напівфабрикати з сиру кисломолочного», ТУ У 10.5-01566330-330:2018 «Напівфабрикати з сиру кисломолочного “СИРНА ЛІНІЯ”» та технологічних інструкціях з їх виробництва. Науково обґрунтовано технологічні параметри виробництва структурованих сфероподібних напівфабрикатів на основі ТРСс, ТРСсум. Установлено закономірності накопичення іонного лактокальцію залежно від рН ТРСм (7,0–4,0). Визначено, що концентрація (20,0±0,1) мг%, яка відповідає коефіцієнту форми капсул 1,0, досягається за рН=5,5±0,1. Зі зниженням рН до значень 4,5–4,0 вміст підвищується до 50,0–88,0 мг%, що дозволяє використовувати ТРСс для створення ТРСсум за співвідношення ТРСс:ТРСм як 1:(2,5–4,4). На підставі дослідження коефіцієнту форми напівфабрикатів на основі ТРСс, динаміки приросту маси капсул обґрунтовано раціональні вміст рецептурних компонентів та технологічні параметри капсулоутворення. Використання накопиченого надлишкового для капсулоутворення потенціалу лактокальцію у складі ТРСс дозволяє створювати на його основі суміші: з ТРСм із відповідним фактором згущення (1,0<Ф<4,0), сиром кисломолочним, іншими пастоподібними чи рідкими компонентами в кількостях, які забезпечують вміст не менше (20,0±0,1) мг%. Дослідження закономірностей процесу капсулювання залежно від технологічних чинників: концентрації AlgNa (1,0%≤СAlgNa≤2,0 %) та іонного лактокальцію (7,0≤ ≤88,0 мг%), фактор згущення (1,0≤Ф≤4,0), тривалість капсулювання (0,560 ≤≤15,060 с), рН середовища (4,0≤рН≤7,0) – дозволили експериментально обґрунтувати раціональні параметри технологічного процесу одержання напівфабрикатів капсульованих на основі ТРСс і ТРСсум. Науково обґрунтовано технології напівфабрикатів капсульованих на основі сироватки молочної, молочних та кисломолочних, які характеризуються вираженим ефектом ресурсозбереження (ТУ У 10.5-38128375-007:2018 «Продукти молочні та кисломолочні капсульовані», ТУ У 10.5-38128375-008:2018 «Продукти на основі сироватки молочної капсульовані»). Комплексно досліджено харчову цінність, показники якості та безпечності нової продукції та їх зміни під час зберігання. Установлено, що напівфабрикати характеризуються високою поживною та біологічною цінністю. Визначено умови та строки зберігання напівфабрикатів, які за температури 0…6 оС та відносної вологості повітря не більше 75% становлять: для напівфабрикатів десертної продукції – не більше 14 діб, на основі сиру кисломолочного – 15 діб; структурованих сфероподібних – 90 діб. Доведено, що органолептичні, фізико-хімічні та мікробіологічні показники, а також хімічних склад напівфабрикатів є сталим впродовж зберігання. Науково обґрунтовано рекомендації з використання розроблених напівфабрикатів у технології кулінарної та кондитерської продукції. Доведено, що використання одержаних напівфабрикатів у закладах ресторанного господарства дозволяє розширити асортимент, запропонувати продукцію з новими споживними властивостями та сталими показниками якості, підвищити ефективність функціонування закладів ресторанного господарства. Реалізовано комплекс заходів з упровадження результатів дослідження у виробництво на підприємствах молочної промисловості, ресторанного господарства України, Іспанії, Польщі та в освітній процес ХДУХТ. Базуючись на концепції теорії стейкхолдерів, оцінено ефективність впровадження розроблених технологій із використанням сукупності характеристик, які відображають науковий, науково-технічний, соціально-економічний та екологічний ефект розробок. Визначено, що прибуток від виробництва та реалізації нової продукції становить 7985,40 грн та 9947,50 грн для напівфабрикатів десертної продукції та з сиру кисломолочного відповідно, 5571,72 грн та 8006,48 грн для напівфабрикатів структурованих сфероподібних на основі сироватки та молочних відповідно на кожні 1000 кг реалізованої продукції. Доведено, що за критеріями «інноваційність», «комерційність» та «конкурентоспроможність» в площині визначених основних стейкхолдерів (розробник / виробник, держава, споживач, інвестор) розроблені технології є ефективними.

The thesis is devoted to the theoretical and experimental substantiation of technologies for stabilized and structured sphere-like semi-finished products based on dairy raw materials, obtained by realizing the potential of lactocalcium, which is ensured by controlling the dynamic equilibrium between its micellar and ionic states. The production of the developed semi-finished products has made it possible to increase the efficiency of technological processes for the processing of raw milk, to develop a wide range of competitive products with high consumer properties and export potential. On the basis of theoretical and experimental studies, the scientific concept of the study is formulated and proved – controlled changes in the content of ionic lactocalcium ( ) in the composition of technological liquid media based on raw milk by adjusting the solubility of calcium inducing salts and the formation of alginate-lactocalcium complexes will ensure colloidal stability and structuring food systems to obtain semi-finished products with new consumer properties. A new concept has been introduced – “technological liquid medium” (TLM), which allows identification of dairy raw materials (raw milk and skimmed milk – TLMm, whey milk – TLMw and their mixtures – TLMmix) as complex in composition, state and structure of the system and is methodological the basis of the organization of scientific research, which allows to expand the scientific and practical understanding of the role of chemical, thermodynamic and technological potentials of the TLM, including the salt system composition (SSC), in the construction and implementation of new modern technological processes. A phenomenological model of the dynamic equilibrium of micellar and ionic lactocalcium within the technological chain of the ТLMm ТLMw is developed and tested for adequacy. The model is based on the evaluation of the SSC thermodynamic potential and provides for the implementation of a scientific and practical direction for the creation of stabilized and structured sphere-like semi-finished products. It is determined that the implementation of existing and formed TLM potentials is subordinated to controlled structural transformations of food systems. It is determined that during the processing of raw materials to ensure the state of equilibrium and equalization of potentials, which is a condition for the thermodynamic and technological stability of the product, it is necessary to overcome a certain energy barrier – activation energy (Ea) (for TLMm – chemical potential), the value of which is determined by the state of substances and the process step. This allows to predict the direction of processing of raw milk with obtaining the specific value of the final product, the formation of which is accompanied by the cost of the total energy of the system. Reducing the total potential of the system by the amount of activation energy of this technological impact is a condition for the formation of specific value. To obtain a product with additional specific value from raw materials, in the absence of potential, which ensures , , it is advisable to change the vector of technological impact and realize the potential accumulated in the technological flow. From understanding that the mass fraction of lactocalcium in the TLMm is a constant value and in a certain period of time the ratio will not change, it is obvious that in conditions of thermodynamic and technological stability there is a decrease in the mass fraction. It is theoretically and experimentally proven that the thermodynamically and technologically stable state of the product can be obtained in two ways – passive (by transforming TLMm when implementing traditional technological influences) and intensive (as a result of forming TLMmix). It is proved that TLMmix is characterized by high values of enthalpy relative to TLMm due to an increase in concentration. It is provided that there is no potential in TLMmix capable of compensating for the new chemical potential , and traditional methods of technological impact are ineffective, a decision is made to use sodium alginate (AlgNa) as an effective sorbent. It is determined that the dosed introduction of AlgNa solution into TLM or vice versa is accompanied by compensation of potentials . This leads to a decrease in the TLM enthalpy in content and the emergence of a new level of equilibrium of the «TLM-AlgNa» system. The result of achieving equilibrium is the formation of a new phase – calcium alginate ( ). It is found that at high potential the AlgNa hydrophobization will rapidly grow with the loss of its relationship with the solvent, which will lead to deformation of the chains of macromolecules. The structure of AlgNa macromolecules in solution is ordered towards the formation of closed energetically favorable spatial structures – capsules. With a low potential the formation of capsules is impossible, and in the system there will be low-kinetics processes with the formation of granules. Experimental confirmation of the above provisions is reflected in the scientifically based technologies of stabilized and structured sphere-like semi-finished products. Based on the generalization of the research results, the technology of TLMm production with adjustable SSC and high thermal and acid resistance is scientifically substantiated. It is the basis for the development of technologies for semi-finished dessert products and from cottage cheese. By the method of molecular mass distribution of fractions of systems " " and IR spectroscopy the binding of the ionic lactocalcium AlgNa in alginate-lactocalcium complexes is proved. A possibility of using dessert juices or purees in the process of production of semi-finished products, which in the conditions of the implementation of the model act as solubility correctors and are both prescription components that determine the range of new products is confirmed. It is determined that with a mass fraction of concentrated currant juice – 10–30% or peach puree – 30–50% in a mixture with TLMm, the pH of the systems is reduced to 5,0-5,5, which should be removed from the dosimeter to 10,0–15, 0% to initial content. The proposed approach allows to intensify the processes of accumulation and sorption with the provision of colloidal stability of semi-finished products in a wide range of temperatures and pH. The technology of semi-finished dessert products is scientifically substantiated and developed (TU U 15.8-01566330-264:2013 “Semi-finished products for sweet dishes based on milk and fruit raw materials”, Change 1:2018 to TU U 15.8-01566330-264:2013). Taking into account the formulated provisions of the theoretical model, a technology is developed for semi-finished products made from cottage cheese on the basis of TLMm with adjustable SSC. It is established that a decrease in the lactocalcium content in TLMm leads to a decrease in the density of the fermented clot and its moisture release ability. At the same time, an increase in the mass fraction of the dissolved protein in serum is observed, which is explained by the transition of submicellar casein to a soluble state. It is proved that the result of controlled regulation of the TLMm SSC by removing from it 25,0–30,0% lactocalcium to the primary content is the production of cottage cheese, which is characterized by improved technological properties, as evidenced by increased plasticity, as well as a uniform fine structure and lack of moisture separation in pH 4,5–4,7. The pronounced ability of cottage cheese proteins obtained from TLMm with controlled SSC to additional solubilization allows modifying its structure to the region of more homogeneous systems by shifting the pH towards neutral values due to the TLMm buffer capacity with adjustable SSC. This makes it possible to obtain on the basis of these mixtures semi-finished products from cottage cheese in the form of a direct emulsion. Prescription composition, technological process of production, quality and safety indicators of new products are reflected in TU U 10.5-01566330-324:2017 "Semi-finished products from cottage cheese", TU U 10.5-01566330-330:2018 "Semi-finished products from cottage cheese "CHEESE LINE"" and technological instructions for their production. Technological parameters are scientifically proved for the production of structured sphere-like semi-finished products based on TLMw, TLMmix. The patterns of accumulation of ionic lactic calcium are established depending on TLMm PH (7,0–4.0). It is determined that concentration (20,0±0,1) mg%, which corresponds to a capsule shape factor of 1.0, is achieved at pH = 5,5±0,1. With a decrease in pH to values of 4,5–4,0, content rises to 50,0–88,0 mg%, which allows the use TLMw to create a TLMmix to the adequacy of the adequacy of TLMw: TLMm as 1:(2,5–4,4). Based on the study of the coefficient of the form of TLMw-based semi-finished products, the dynamics of the weight gain of the capsules, the reasonably rational content of the prescription components and the technological parameters of capsule formation are substantiated. The use of the accumulated excess for encapsulation-forming potential of lactic calcium in the TLMw composition makes it possible to create mixtures based on it: with TLMm with an appropriate thickening factor (1,0 <F <4,0), sour-milk cheese, then paste-like or liquid components in amounts not less than (20,0±0,1) mg%. Study of the patterns of encapsulation depending on technological factors: AlgNa concentration (1,0%≤ СAlgNa ≤2,0%) and ionic lactocalcium (7,0≤ ≤88,0 mg%), the thickening factor (1,0≤F≤4,0), the duration of encapsulation (0,560≤≤15,060 s), pH of the medium (4,0≤рН≤7,0) – allows to experimentally substantiate the rational parameters of the technological process of obtaining semi-finished products encapsulated on the basis of TLMw and TLMmix. The technology of semi-finished products encapsulated on the basis of whey of dairy, dairy and fermented milk, which are characterized by a pronounced resource saving effect (TU U 10.5-38128375-007:2018 ""Encapsulated dairy and fermented milk products ", TU U 10.5-38128375-008:2018 "Encapsulated whey milk-based products"). The nutritional value, quality and safety indicators of new products and their changes during storage are comprehensively studied. It is established that semi-finished products are characterized by high nutritional and biological value. The conditions and shelf life of semi-finished products are determined, at a temperature of 0 ... 6 °C and a relative humidity of no more than 75% are: for semi-finished dessert products – no more than 14 days, based on cottage cheese – 15 days; structured sphere-like – 90 days. It is proved that organoleptic, physico-chemical and microbiological indicators, as well as the chemical composition of semi-finished products is constant during storage. The recommendations for the use of the developed semi-finished products in the technology of culinary and confectionery products are scientifically proved. It is proved that the use of the obtained semi-finished products in the restaurant industry establishments allows to expand the range, offer products with new consumer properties and constant quality indicators, improve the efficiency of the institutions of the restaurant industry. A set of measures is implemented to implement the research results into production at the enterprises of the dairy industry, the restaurant industry of Ukraine, Spain, Poland, and into the educational process of Kharkiv State University of Food Technology and Trade. Based on the concept of the stakeholder theory, the effectiveness of the implementation of the developed technologies is evaluated using a combination of characteristics reflecting the scientific, scientific and technical, socio-economic and environmental effect of the developments. It is determined that the profit from the production and sale of new products is 7985.40 UAH and 9947.50 UAH for semi-finished dessert products and from cottage cheese, respectively, 5571.72 UAH and 8006.48 UAH for semi-finished products based on whey and dairy, respectively 1000 kg of sales. It is proved that according to the criteria of “innovation”, “commercial advantage” and “competitiveness” in the plane of certain key stakeholders (developer/producer, government, consumer, investor), the developed technologies are effective.