Технологія напівфабрикатів з сиру кисломолочного на основі молока з регульованим складом сольової системи: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.16 - Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню технології напівфабрикатів з сиру кисломолочного на основі молока знежиреного з регульованим складом сольової системи. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень науково обґрунтовано технологію напівфабрикатів з сиру кисломолочного на основі молока знежиреного з регульованим складом сольової системи (ССС). Вперше встановлено закономірності впливу ССС молока на формування органолептичних, фізичних, фізико-хімічних та структурно-механічних показників сиру кисломолочного як білкового коагуляту, який є структурною основою напівфабрикатів на його основі; обґрунтовано технологічні параметри одержання стійких у часі емульсійних пастоподібних систем на основі сирно-молочних сумішей, технологічні властивості яких сформовано шляхом зміни їх сольового складу; з використанням методів системного аналізу науково обґрунтовано та розроблено технологію напівфабрикатів з сиру кисломолочного, досліджено її функціонування як технологічної системи; комплексно досліджено показники якості (органолептичні, фізико-хімічні, структурно-механічні, хімічний склад) та безпечності (мікробіологічні, токсикологічні) напівфабрикатів з сиру кисломолочного, визначено їх харчову та біологічну цінність, встановлено закономірності їх змін під впливом технологічних чинників та під час зберігання. Набуло подальшого розвитку та узагальнення уявлення щодо ролі кальцію у формуванні технологічних властивостей сиру кисломолочного та напівфабрикатів на його основі. На основі теоретичних та експериментальних досліджень визначено інноваційний задум нової продукції, досліджено закономірності впливу ССС молока знежиреного на органолептичні, фізичні, фізико-хімічні та технологічні властивості сиру кисломолочного, визначено емульгуючу ємність сирно-молочних сумішей та стійкість емульсійних систем на їх основі, розроблено модель технологічної системи виробництва напівфабрикатів з сиру кисломолочного та визначено раціональні параметри її функціонування. Задля встановлення траєкторії розвитку проблемного елементу дослідження здійснено експертну оцінку зразків сиру кисломолочного нежирного провідних виробників України за органолептичними, фізико-хімічними та технологічними показниками. Доведено, що навіть за умов відповідності сиру кисломолочного вимогам діючої нормативної документації, він не задовольняє в повній мірі потреби закладів ресторанного господарства за органолептичними (крихкість, сухість) та фізико-хімічними (вологоутримуюча здатність, дисперсність) показниками. Для формування необхідних показників сиру кисломолочного як структурної основи напівфабрикатів прийнято регулювання ССС молока знежиреного шляхом його декальцифікації – керованого видалення іонів кальцію. Як комплексоутворювач використано альгінат натрію (AlgNa) у вигляді водних розчинів, який за рахунок перебігу реакції заміщення здатен зв’язувати іони кальцію та переводити їх у нерозчинний стан. Це є рушійною силою, яка сприятиме зміні сольової рівноваги у молоці: частина колоїдних солей кальцію перейде в іонно-молекулярний стан, фосфати кальцію набудуть кращої розчинності і вищого ступеня дисоціації. Тож кероване виведення іонів кальцію буде впливати на колоїдну дестабілізацію структурних елементів молока, що в свою чергу призведе до формування нових технологічних властивостей сиру кисломолочного. Досліджено закономірності впливу ССС молока на органолептичні та фізико-хімічні властивості молока знежиреного, сироватки, білкового згустку та сиру кисломолочного. Доведено, що виведення з молока знежиреного кальцію у кількості 10…52 % до початкового вмісту призводить до зміни його хімічного складу, зниження активної кислотності та оптичної густини. Визначено властивості білкового згустку та сироватки, одержаних за різного вмісту кальцію у молоці знежиреному. Встановлено, що зменшення вмісту кальцію призводить до зниження щільності ферментованого згустку та його вологовиділяючої здатності. Одночасно спостерігається підвищення масової частки розчиненого білка у сироватці, що пояснюється переходом субміцел казеїну у розчинний стан. Під час ферментації молока та утворення білкового згустку відбувається зниження рН системи з одночасним накопиченням іонного кальцію. Достовірно встановлено, що зі зменшенням масової частки кальцію у молоці тривалість досягнення граничного значення рН 4,65±0,05 зменшується. Виявлено, що ступінь декальцифікації молока впливає на процес ферментації: кероване зниження вмісту кальцію у молоці знежиреному інтенсифікує накопичення іонного кальцію у системі, й, відповідно, впливає на властивості згустку, що утворюється. Залежно від ступеню декальцифікації тривалість накопичення граничного значення Са2+ (28,1±0,1 мг%) коливається від 7,8602с (вміст кальцію 132…137 мг%) до 4,0602с (вміст кальцію 65…72 мг%). Процес ферментації призводить до перерозподілу міцелярної та іонної форм кальцію у системі й зміщує рівновагу в бік накопичення іонного кальцію. Досліджено фізико-хімічні показники сиру кисломолочного, одержаного з молока знежиреного за різного вмісту кальцію в молоці. Доведено, що за регулювання ССС молока зміна технологічних та фізико-хімічних показників білкового коагуляту має екстремальний характер. Встановлено, що виведення кальцію у кількості до 25% його початкового вмісту призводить до підвищення масової частки вологи, ВУЗ, незначного зменшення масової частки білка. Виведення кальцію з молока у кількості 45…52 % до початкового вмісту суттєво погіршує вищеозначені показники: спостерігається зменшення ВУЗ до 33,5±1,0 %, виходу – до 11,6±0,5 %. Експериментально доведено, що з підвищенням ступеня декальцифкації молока збільшується дисперсність білкових частинок сиру кисломолочного. У зразках сиру кисломолочного, виготовлено з молока знежиреного декальцифікованого, спостерігається перерозподіл еквівалентного діаметра білкових частинок у бік підвищення їх дисперсності. Порівняльним аналізом мікроструктури зразків сиру кисломолочного визначено відмінності характеру розподілу дисперсної фази у вигляді конгломератів білкових часток, макропорожнеч у контрольному та дослідних зразках. Зменшення вмісту кальцію у молоці знежиреному призводить до одержання сиру кисломолочного, який має більш однорідну дрібнодисперсну структуру без прошарків та порожнеч, складається з білкових зерен однакової форми, характеризується більш рівномірним їх розподілом за всім об’ємом. Узагальнення результатів дослідження дозволило визначити, що регулювання ССС молока шляхом видалення з нього 20…25 % кальцію до початкового вмісту призводить до утворення сиру кисломолочного, який характеризується мазкою консистенцією, однорідною дрібнодисперсною структурою без відділення сироватки. Вищеозначений зразок сиру кисломолочного порівняно з контрольним зразком характеризується більшим в 1,2 рази показником ВУЗ (52,2±1,0 % проти 42,0±1,0 %), більшою масовою часткою вологи (76,8±0,1 % проти 75,3±0,1 %), що збільшує вихід готового продукту. Оскільки основний білок сиру кисломолочного – казеїн – знаходиться у нерозчинному вигляді, є очевидним, що переведення його у розчинний стан є передумовою створення на основі сиру кисломолочного напівфабрикатів з емульсійною пастоподібною структурою. З урахуванням зазначеного досліджено вплив рН на накопичення розчинного білка у системах на основі сиру кисломолочного, який виготовлено з молока знежиреного декальцифікованого, порівняно з контрольним зразком Установлено, що зміна рН водно-сирних сумішей призводить до суттєвого підвищення вмісту розчинного білка у дисперсійному середовищі – з 0,50±0,01 % до 19,0±1,0 % та з 0,60±0,01 % до 52,2±1,0% для водно-сирних сумішей з молока знежиреного (контроль) та декальцифікованого відповідно. Ґрунтуючись на одержаних результатах до реалізації прийнято створення сирно-молочних сумішей, до складу яких входить сир кисломолочний з декальцифікованого молока (СКД) та молоко знежирене декальцифіковане (МЗД) за визначених співвідношень. Задля встановлення раціональних параметрів одержання напівфабрикатів з сиру кисломолочного досліджено емульгуючу ємність систем на основі декальцифікованої молочної сировини (СКД, МЗД) порівняно з системами на основі сиру кисломолочного, який виготовлено за традиційною технологією. Експериментально встановлено, що введення до сиру кисломолочного молока знежиреного декальцифікованого, наслідком чого є підвищення рН та вмісту розчинного білка, призводить до збільшення емульгуючої ємності систем. Так, для систем, що містять СКД та МЗД за співвідношення як 80:20 та 70:30, точка інверсії фаз емульсій спостерігається за вмісту жирової фази 17,5±0,5 см3 та 28,1±0,5 см3 відповідно, що відповідає масовій частці жирової фази 62,3 % та 73,7 % відповідно. Досліджено показники кінетичної та агрегативної стабільності емульсій на основі молочної декальцифікованої сировини. Встановлено, що емульсії на основі сирно-молочних сумішей у всьому діапазоні вмісту жирової фази характеризуються достатньою стійкістю (масова частка незруйнованої емульсії коливається в межах 79…92 %). Зі збільшенням вмісту МЗД у системі масова частка водної та жирової фази, що відділилися, зменшується. На підставі узагальнення експериментальних досліджень як раціональні прийнято співвідношення складових СКД:МЗД у інтервалі (90:10)…(70:30). З урахуванням одержаних результатів розроблено модель технологічної системи виробництва напівфабрикатів з сиру кисломолочного та визначено раціональні параметри її функціонування. Досліджено вплив технологічних чинників (рецептурних інгредієнтів – сіль кухонна, цукор білий), високо- й низькотемпературної обробки на структурно-механічні та технологічні властивості напівфабрикатів з сиру кисломолочного. Встановлено, що залежно від співвідношення складових сирно-молочних сумішей та масової частки жиру їх в’язкість коливається в достатньо широких межах – від 0,8±0,01 Па×с до 3,0±0,01 Па×с. З урахуванням існуючих технологічних (масова частка сиру кисломолочного у складі напівфабрикатів, в’язкість та формостійкість продукції на їх основі), органолептичних (виражений смак та запах сиру кисломолочного) та інших (харчова та біологічна цінність) обмежень рекомендовано до впровадження: – напівфабрикати з сиру кисломолочного (співвідношення СКД:МЗД – від 90:10 до 80:20, масова частка жирової фази – 5…15 %) використовувати для виробництва запіканок, пудингів, сирників, сирних закусочних паст, печива, капкейків, тортів, чизкейків; – напівфабрикати з сиру кисломолочного (співвідношення СКД:МЗД –70:30, масова частка жирової фази – 5…15 %) використовувати для виробництва соусів для піци, салатів, других страв. На підставі узагальнення аналітичних та експериментальних досліджень розроблено технологічні схеми виробництва напівфабрикатів з сиру кисломолочного та продукції на їх основі, обґрунтовано рецептурний склад та параметри окремих технологічних операцій. Досліджено органолептичні, фізико-хімічні, мікробіологічні та токсикологічні показники напівфабрикатів з сиру кисломолочного, визначено їх хімічний склад. Встановлено, що залежно від масової частки жиру напівфабрикати з сиру кисломолочного містять 12,9…14,4 % білка, 5,0…15,0 % жиру, 1,94…2,17 % лактози, є джерелом мінеральних речовин (0,95…1,07 %) та органічних кислот (0,65…0,86 %). Доведено, що напівфабрикати з сиру кисломолочного характеризуються високою харчовою та біологічною цінністю. У їх складі ідентифіковано та кількісно визначено 18 амінокислот, 42,8% з яких припадає на незамінні. Розрахунками амінокислотного скору, «триптофанового» та «треонінового» індексів підтверджено, що розроблений продукт є збалансованим за амінокислотним складом. Перетравлюваємість білків напівфабрикатів з сиру кисломолочного протеолітичними ферментами in vitro є більшою у 1,3 рази порівняно з сиром кисломолочним, який виготовлено за традиційною технологією. Визначено закономірності зміни органолептичних, фізико-хімічних та мікробіологічних показників напівфабрикатів з сиру кисломолочного під час зберігання. Обґрунтовано умови та строк зберігання напівфабрикатів – не більше ніж 15 діб за температури 0…6 °С та відносної вологості повітря не більше ніж 75 % за умов пакування в модифікованому газовому середовищі BIOGON NС 20. На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено рецептурний склад, технологію напівфабрикатів з сиру кисломолочного, кулінарної та кондитерської продукції на їх основі. За результатами дослідження розроблено та затверджено нормативну (ТУ У 10.5-01566330-324:2017 «Напівфабрикати з сиру кисломолочного») та технологічну (ТІ до ТУ У 10.5-01566330-324:2017 «Напівфабрикати з сиру кисломолочного»; ТІ з виготовлення кулінарної продукції на основі напівфабрикатів з сиру кисломолочного) документацію на нову продукцію. На основі загальноприйнятих методик визначено відпускну ціну напівфабрикатів з сиру кисломолочного – 56,65…58,20 грн за 1 кг продукції; прибуток, що отримає підприємство, складатиме 2,25…2,31 тис. грн на кожні 1000 кг реалізованого напівфабрикату. За результатами порівняльного аналізу технологічних та споживчих переваг продукції на основі напівфабрикатів з сиру кисломолочного зроблено висновок про більш високу цінність нових продуктів для споживачів сегментів В2В та В2С порівняно з продуктами-аналогами.

The thesis is devoted to providing evidence for technology of quark semi-finished products based on skimmed milk with regulated salt system ingredients. Following theoretical and experimental research the evidence was provided for the technology of quark semi-finished products based on skimmed milk with regulated salt system ingredients (SSI). This work for the first time established the rules of SSI milk impact on forming quark organoleptic, physical, physical-chemical and structural-mechanical indicators as a protein coagulate, which is the structural base of quark semi-finished products; confirmed technological parameters of producing stable emulsion paste-like systems based on quark-dairy mixes, whose technological properties are formed by changing their salt ingredients; provided evidence and developed the technology of quark semi-finished products using system analysis methods, its functioning as a technological system was studied; studied comprehensively quark semi-finished products quality indicators (organoleptic, physical-chemical, structural-mechanical, chemical composition) and safety (microbiological, toxicological), identified their food and biological values were specified, the rules of their changes under the influence of technological factors and storage. The research work further developed and summarized understanding the role of calcium in forming technological properties of quark and quark-based semi-finished products. Theoretical and experimental studies enabled to specify the innovative idea of the new products, the rules of the SSI milk influence on quark organoleptic, physical, physical-chemical and technological properties, identify emulsifying capacity of quark-dairy mixes and the stability of quark-dairy mix emulsion systems, develop a model of the production process system for the quark semi-finished products and determine rational parameters of their functioning. For the purpose of the development pathway of the research problem element expert’s examination of fat-free quark samples of the leading Ukrainian manufacturers was performed under organoleptic, physical-chemical and technological indicators. It was proven that even if the quark meets all valid regulatory requirements, it does not fully meet the needs of restaurant industry by its organoleptic (crumbling, dryness) and physical-chemical (moisture-keeping ability, particle size) indicators. To achieve quark required indicators as the structural basis for semi-finished products it is generally accepted to regulate skimmed milk SSI by decalcification – controlled extraction of calcium ions. The central atom was sodium alginate (AlgNa) in aqueous solutions, which can bind calcium ions and transfer them into the insoluble form using substitution reaction. This is a driving force promoting the change in the milk salt balance: a part of calcium colloid salts will transit to ion-molecular state, calcium phosphates will become more soluble and dissociative. Therefore, controlled removal of calcium ions will influence colloid destabilization of milk structural elements, which, in turn, will lead to quark new technological properties. The thesis considered the rules of SSI milk influence on organoleptic and physical-chemical properties of skimmed milk, whey, protein coagulum and quark. It was proven that the removal of calcium from skimmed milk within 10…52 % of the original content changes its chemical composition, lowers active acidity and optical density. The study specified the properties of protein coagulum and whey, produced from skimmed milk with different calcium content levels. It was found out that the reduction of calcium content leads to lower density of the fermented coagulum and its moisture-releasing capacity. At the same time there is higher content of dissolved protein in whey, which is explained by the transition of casein submicelles to the soluble state. During milk fermentation and protein coagulum formation the рН system is skimmed along with ionized calcium accumulation. It is evidence-based that lowering calcium content in milk reduces the time of reaching the threshold рН 4.7 level. It was singled out that the extent of milk decalcification influences fermentation: controlled reduction of calcium content in skimmed milk intensifies accumulation of ionized calcium in the system, and, accordingly, influences coagulum properties. Depending on the extent of decalcification the time to accumulate Са2+ (28,1±0,1 mg%) maximum content varies from 7,8602s (calcium content 132…137 mg%) to 4,0602s (calcium content 65…72 mg%). The fermentation leads to the redistribution of micelle and ionic forms of calcium in the system and shifts the balance towards accumulating ionized calcium. Quark physical-chemical indicators made from skimmed milk with different calcium content were studied. It was found that provided milk SSI regulation, the change of protein coagulate technological and physical-chemical indicators is extreme. It was established that the extraction of calcium of up to 25% of its original content leads to increasing the moisture content, moisture-keeping ability, slight reduction of protein content. The extraction of calcium of up to 45…52 % of its original content significantly worsens the above indicators: there is lower moisture-keeping ability to 33,5±1,0 %, output – to 11,6±0,5 %. Experiments showed that higher degree of milk decalcification increases the dispersive capacity of quark protein particles. In the quark samples, made of decalcified skimmed milk, there is redistribution of the equivalent diameter of protein particles towards higher dispersion. Microstructure structural analysis of quark samples revealed differences in the nature of dispersed phase distribution as protein particles conglomerates, macro cavities in the control and test samples. The reduced calcium content in skimmed milk leads to producing the quark with more homogeneous finer structure with no layers and cavities, consists of protein grains of identical shape, and is characterized by more their even distribution throughout the volume. The summary of the research findings allowed us to identify that milk SSI regulation by extracting 20…25 % calcium to the original content leads to producing the quark, which is characterized by spread-like consistency, homogeneous finely dispersed structure with no when separation. The above sample of quark compared to the control sample is characterized by 1,2 higher moisture-keeping ability level (52,2±1,0 % compared to 42,0±1,0 %), higher moisture content (76,8±0,1 % compared to 75,3±0,1 %), which increases the finished product output. Since the main protein in quark, casein, is insoluble, it becomes evident that its transition to the soluble state is a pre-condition for making quark-based semi-finished products with emulsion paste-like structure. Considering the above facts the impact of рН on the accumulation of soluble protein in the quark-based systems made of decalcified skimmed milk was studied and compared to the control sample. It was found that the change of рН in water-quark mixes leads to the significant rise in the content of soluble protein in the dispersive environment – from 0,50±0,01 % to 19,0±0,1 % and from 0,60±0,01 % to 52,2±0,1% for water-quark mixes made of skimmed milk (control) and decalcified milk, respectively. Based on the results it was decided to produce quark-dairy mixes that consist of quark made of decalcified raw materials and decalcified skimmed milk under established proportions. To find the rational parameters of making quark semi-finished products the emulsifying capacity of raw material decalcified dairy systems (decalcified raw materials, decalcified skimmed milk) was studied and compared to the traditional technology quark-based systems. Experiments showed that adding decalcified skimmed milk to quark, leading to higher рН and soluble protein levels, raises emulsifying capacities of the systems. For instance, for the systems, containing decalcified raw materials and decalcified skimmed milk with the ratio of 80:20 and 70:30, the inversion point of emulsion phases is observed at the fat content 17,5±0,5 cm3 and 28,1±0,5 cm3 respectively, which corresponds to the fat weight content of 62,3 % and 73,7 % respectively. The indicators of kinetic and aggregative stability of decalcified dairy emulsions were studied. It was found out that emulsions based on quark-dairy mixes within the whole range of fat phase content are characterized by sufficient stability (the weight of intact emulsion varies from 79 to 92 %). Higher content of decalcified skimmed milk in the system lowers released water and fat weight content. Following the summary of the experimental studies, the rational ratios below were accepted for decalcified raw materials: decalcified skimmed milk within (90:10)…(70:30). Considering the research findings, a model of the technological production system of quark semi-finished products was developed and the rational parameters of its functioning were specified. The influence of technological factors was studied (recipe ingredients – table salt, white sugar), high and low temperature treatment impact on structural-mechanical and technological process properties of quark semi-finished products. It was established that depending on the ratio of the ingredients in quark-dairy mixes and the fat content their viscosity varies considerably – from 0,8±0,01 Pa×s to 3,0±0,01 Pa×s. Taking into account existing technological (quark content in semi-finished products, viscosity and quark-based product form stability), organoleptic (expressed quark flavour and odour) and other (food and biological value) restrictions it is advised to implement the following: – Quark semi-finished products (the ratio of decalcified raw materials: decalcified skimmed milk from 90:10 to 80:20, fat phase content 5…15 %) should be used for making pies, puddings, pancakes, quark pastes, biscuits, cupcakes, gateaux, and cheesecakes; – Quark semi-finished products (the ratio of decalcified raw materials: decalcified skimmed milk 70:30, fat phase content 5…15 %) should be used for making sauces for pizzas, salads and other dishes. Following the summary of analytical and experimental studies process flow charts for the production of quark semi-finished products and finished products on their basis was developed, the recipe ingredients and parameters of individual process operations were substantiated. Organoleptic, physical-chemical, microbiological and toxicological indicators of quark semi-finished products were studied, their chemical composition was specified. It was established that depending on the fat content quark semi-finished products contain 12,9…14,4 % protein, 5,0…15,0 % fat, 1,94…2,17 % lactose; they are a source nutrients and elements (0,95…1,07 %) and organic acids (0,65…0,86 %). It was proven that quark semi-finished products are characterized by high food and biological values. Their ingredients contain 18 amino acids whose quality and quantity were identified. 42.8% of them are essential amino acids. Amino acid score calculations, tryptophanic and threonine indices confirmed that the developed product is balanced by amino acidic composition. The protein digestibility from the quark semi-finished products with protein-degrading enzymes in vitro is 1.3 higher compared to the quark, manufactured under the traditional technology. The regularities of changes in organoleptic, physical-chemical and microbiological indicators were identified in quark semi-finished products during their storage. The quark semi-finished products storage conditions and shelf life were substantiated – up to 15 days at 0…6 °С and relative air humidity up to 75 % provided packing in modified atmosphere BIOGON NС 20. The conveyed theoretical and experimental studies enabled to develop the recipe, technology of producing quark semi-finished products, culinary and confectionary products on their basis. Following the research results the guidelines were developed and approved (TU U 10.5-01566330-324:2017 “Quark semi-finished products”) and process flow chart documents (TI to TU U 10.5-01566330-324:2017 “Quark semi-finished products”; ТІ on manufacturing culinary products based on the quark semi-finished products) for the new products. Based on the generally accepted methods the selling price of quark semi-finished products was identified – UAH 56.65…58.20 per 1 kg product; the profit which the company will make will be 2.25…2.31 thousand UAH per 1000 kg sold semi-finished products. The results of the comparative analysis of technological and consumer advantages of the products based on the quark semi-finished it was concluded that the new products have a higher value for consumers in В2В and В2С segments compared to analogue products.