Наукове обґрунтування технологій напівфабрикатів на основі цільового використання нутрієнтів білково-вуглеводної молочної сировини: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.16 – Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню та розробці технологій напівфабрикатів на основі цільового використання нутрієнтів білково-вуглеводної молочної сировини (БВМС) шляхом застосування їх копреципітації та ультрафільтраційного (УФ) концентрування. На основі теоретичних та експериментальних досліджень сформульовано та доведено наукову концепцію – цільове використання нутрієнтів білково-вуглеводної молочної сировини, що забезпечується шляхом їх копреципітації та УФ-концентрування, дає можливість підвищити харчову і біологічну цінність напівфабрикатів та кулінарної продукції, її технологічну стабільність, інтенсифікувати технологічний процес, більш повно використовувати харчовий потенціал БВМС. Доведено, що перспективним методом цільового концентрування білків БВМС є метод термокислотної коагуляції з отриманням в якості кінцевого продукту низькокальцієвого копреципітату. Показано, що з усіх баромембранних процесів під час переробки БВМС найбільш доцільно використовувати ультрафільтрацію, оскільки розміри молекул основних харчових нутрієнтів молочної сировини зіставлені з розмірами пор УФ мембран другого покоління. Розглянуто функціонально-технологічні властивості БВМС та каротиновмісної сировини з метою їх сумісного використання для виробництва напівфабрикатів білково-вуглеводних на основі концентратів БВМС та сучасний стан використання стабілізаторів в технологіях кулінарної продукції. Обґрунтовано доцільність використання стабілізаторів П-11, Gelita 180, Gelita 240, «Астрі Гель» та яєчного порошка під час приготування білково-вуглеводних напівфабрикатів на основі БВМС. Встановлений вплив температурних, часових, масових чинників високотемпературної коагуляції та комплексного осадження білків сколотин, отриманих методом збивання вершків на масловироблювачах безупинної дії, з використанням в якості коагулянта сироватки з-під кислого сиру на ступінь виділення сухих речовин із системи та фізико-хімічні властивості концентрата, що отримується. Визначено, що найкращі органолептичні і структурно-механічні властивості має білковий концентрат, який отримується в результаті високотемпературної (93…95°С) обробки сколотин протягом (10…15)·60 с з наступним їх охолодженням до 80…85°С, внесенням 30…40% коагулянту, витримуванням суміші за температури коагуляції (10…15)·60 с та інтенсивного охолодження її до 40…45°С. Розроблено технологічну схему виробництва низькокальцієвого копреципітату із сколотин (НККС), реалізація якої забезпечує цільове використання нутрієнтів БВМС. Комплексними дослідженнями якісних показників розробленого продукту доведена його висока харчова цінність. НККС містить 20,80 % білка, 1,34 % жиру, 0,162 % кальцію, 0,235 % фосфору, є гарним джерелом мікроелементів і водорозчинних вітамінів групи В, що обумовлює доцільність його використання в технологіях кулінарних виробів на молочно-білковій основі. Експериментально у білках НККС ідентифіковано вісімнадцять амінокислот, у тому числі всі незамінні. Білки НККС перевершують білки нежирного кислого сиру, обраного в якості контрольного зразка, як за кількістю замінних (на 29,2%), так і за кількістю незамінних амінокислот (на 1,16%). Встановлено, що в складі білків НККС рівень всіх незамінних амінокислот перевищує стандарт ФАО/ВООЗ. Мікробіологічними дослідженнями доведено відповідність розробленого продукту прийнятим мікробіологічним нормативам, установлено термін зберігання НККС – 36 годин за температури 2…4 °С. Теоретично доведено, що за основними експлуатаційними характеристиками напівпроникні мембрани другого покоління на основі сополімерів акрилонітрилу типу ПАН є перспективними для здійснення процесу ультрафільтраційного концентрування БВМС ‒ знежиреного молока, сколотин і сироватки з-під кислого сиру. Обґрунтовано технології ультрафільтраційних концентратів БВМС, отриманих за допомогою напівпроникних мембран ПАН-50 та ПАН-100. Проведено теоретичний розгляд процесів концентраційної поляризації та гелеутворення над поверхнею напівпроникних ультрафільтраційних мембран. Визначено математичні залежності, що поетапно описують накопичення високомолекулярних речовин на поверхні мембрани і власне виникнення гелю. З метою інтенсифікації УФ-поділу БВМС запропоновано удосконалення процесу шляхом барботування рідких високомолекулярних полідисперсних систем (РВПС) бульбашками повітря або інертного газу в безпосередній близькості від поверхні напівпроникних ультрафільтраційних мембран. Встановлено, що інтенсифікація процесу ультрафільтрації при цьому відбувається за рахунок сукупного впливу на гель, що утворився на поверхні мембрани, тиску барботування, турбулізації потоків РВПС і гідравлічного удару РВПС о поверхню УФ-мембрани. Визначено раціональні технологічні параметри проведення УФ-розділення БВМС з використанням УФ-мембран типу ПАН в тупиковому режимі та режимі барботування РВПС. Встановлено, що максимальна ефективність процесу УФ всіх дослідних видів БВМС в тупиковому режимі досягається за тиску фільтрації 0,4...0,5 МПа, температури РВПС, що поділяються − 40...50 °С, тривалості процесу − (1,5...2,0)∙602 с, в режимі барботування − за температури 40...50 ºС, тиску фільтрації − 0,4...0,5МПа, тривалості (3,0...4,0)∙602 с. Рекомендованими режимами барботування при цьому є частота 0,10…0,15 хв-1 і тиск 0,56...0,58 МПа. Зазначені конструктивні особливості і технологічні режими дозволяють інтенсифікувати процес ультрафільтраційного концентрування знежиреного молока порівняно з УФ в тупиковому режимі в 1,3....1,4 разів, сколотин ‒ в 1,5...1,6 разів, сироватки з-під кислого сиру − в 1,4...1,5 разів. Вивчено хімічний склад продуктів УФ-поділу досліджених видів БВМС, показано, що у процесі УФ-концентрування у ретентатах БВМС відбувається підвищення масової частки білка прямопропорційно фактору концентрації. Масова частка жиру з підвищенням фактору концентрації до 3,0 зростає в 2,8...2,9 рази. Показано, що за різних значень фактора концентрації співвідношення «білок : жир» у ретентатах всіх видів БВМС зберігається на рівні вихідної сировини. Вміст молочного білка в пермеаті незначний і перебуває на рівні 0,16…0,26%. Досліджено склад та властивості пюре з каротиновмісної сировини з метою їх потенційного використання в технологіях напівфабрикатів білково вуглеводних із використанням каротиновмісної рослинної сировини (НБВКРС). Виявлено, що пюре з моркви та пюре з гарбуза обраних ботанічних сортів відрізняються підвищеним вмістом антиоксиданта й імуномодулятора β-каротину − 7,5±0,15 мг та 12,6±0,2 мг в 100 г відповідно. Вміст вітаміну С у пюре з моркви становить 5,0…5,2 мг / 100г, у пюре з гарбуза − 12,0…12,4 мг / 100г. Доведено протекторну дію стабілізатора «Астрі Гель» на біологічно активні речовини каротиновмісної рослинної сировини − пюре з моркви та пюре з гарбуза. Наведено результати вивчення фізико-хімічних та функціонально технологічних властивостей полідисперсних систем з використанням БВМС та продуктів її переробки. Встановлені раціональні концентрації рецептурних компонентів та обґрунтовано технології напівфабрикату білково вуглеводного з пюре моркви (НБВМ) та напівфабрикату білково вуглеводного з пюре гарбуза (НБВГ), напівфабрикатів для приготування структурованої десертної продукції на основі УФ-ретентатів знежиреного молока (НСДП УФРЗМ) та сколотин (НСДП УФРС), напівфабрикату для збитої десертної продукції на основі сироватки з-під кислого сиру (НЗДП УФРСКС). Здійснено вивчення процесів кристалізації, склування і плавлення вологи у НБВКРС, а також впливу харчової суміші «Астрі Гель» на фазову поведінку вологи у напівфабрикатах за температури нижче 0° С. Виявлено, що стабілізатор «Астрі Гель» стабілізує структуру рідини в напівфабрикатах білково-вуглеводних, забезпечує утворення під час заморожування дрібнокристалічної структури і склоподібних включень та сприяє пролонгуванню термінів зберігання НБВКРС. Проведено кріомікроскопічні дослідження НБВМ та НБВГ під час заморожування-відтаювання. Аналіз результатів досліджень показав, що зниження температури систем нижче 0 °С супроводжується фазовим переходом «вода-лід»; за температури зберігання -18 °С НБВКРС перебувають у частково кристалічному стані. Визначено ступінь участі білків різних фракцій БВМС та їх УФ-ретентатів у піноутворенні. Встановлено, що на процес піноутворення знежиреного молока та сколотин найбільший вплив мають казеїнові білки. У процесі піноутворення сироватки з-під кислого сиру 90…95% сироваткових білків залучаються до міжфазної поверхні, при цьому казеїнові білки флотовані у піну на 45…50%. Доведено, що зі збільшенням фактору концентрації БВМС флотація білків у піну інтенсифікується. Дослідженнями розчинності яєчного порошка (ЯП) у воді, впливу перемішування розчинів ЯП на в’язкість і мутність та процес їх заморожування доведено, що молочні білки у поєднанні з ЯП є перспективним структуроутворювачем для напівфабрикатів збитої десертної продукції. Досліджено хімічний склад напівфабрикатів на основі цільового використання нутрієнтів БВМС. Отримані результати свідчать, що за вмістом більшості нутрієнтів розроблені напівфабрикати перевищують контрольні зразки. Так, за вмістом сухих речовин НБВМ перевищує контрольний зразок на 2,9…3,1%, НБВГ – на 3,1…3,2%, жиру – на 0,44…0,46%, вуглеводів – на 3,5…3,7 та 3,8…4,0%, відповідно. Заміна білоквмісної сировини на овочеві пюре у НБВКРС призвела до зменшення на 1,3…1,8% кількості білків. Разом з тим, аналіз амінокислотного складу білків та відповідності скора незамінних амінокислот стандарту ФАО/ВООЗ показав, що в розроблених НБВКРС ідентифіковано 18 амінокислот, у тому числі всі незамінні. При цьому кількість незамінних амінокислот від загальної їх суми в білках НБВМ та НБВГ, як і в контролі, складає 41…42%. НСДП на основі УФ-похідних БВМС порівняно з контролем містять вищу кількість білка на 2,0…2,2%, з одночасним зменшенням масової частки жиру на 15,0…15,9%, калорійності на 48…50%. Вміст білка у НЗДП УФРСКС є вищим на 2,1…2,2%, ніж у контролі, жиру – нижчим на 2,3…2,6%. Проведено визначення параметрів гострої токсичності НБВКРС із використанням стабілізатора «Астрі Гель». Встановлено, що клас його токсичності п’ятий, тобто він практично нетоксичний. Результати дослідження зміни мікробіологічних та органолептичних показників розроблених напівфабрикатів під час зберігання дозволили визначити їх терміни зберігання: НБВКРС охолоджених − за температури 0…4 °С – 7 діб, НБВКРС заморожених – за температури -18…-19 °С – 6 місяців; НСДП УФРЗМ та НСДП УФРС − за температури 2…4 °С протягом 36 годин; НЗДП УФРСКС – 3…5 діб за температури зберігання 2…4 °С. Визначено напрями використання напівфабрикатів білково вуглеводних на основі цільового використання нутрієнтів БВМС у технологіях виробництва продукції ресторанного господарства. Доведено, що напівфабрикати можна застосовувати в технологіях борошняних страв та кулінарних виробів, страв із кисломолочного сиру, других та солодких страв, напоїв та морозива м’якого. Наведено дані щодо апробації результатів досліджень та їх впровадження в практику. Розроблено та затверджено нормативну документацію на нові види продукції з використанням концентратів БВМС. Запропоновані технології пройшли апробацію на підприємствах харчової промисловості, а також у закладах ресторанного господарства України. Доведено економічну доцільність впровадження розробок у практичну діяльність харчових виробництв та закладів ресторанного господарства. У результаті розрахунків встановлено, що економічний ефект впровадження інноваційної продукції становитиме: 1,8 тис. грн на 1000 кг готової продукції від виробництва НККС; 1,4…4,0 тис. грн на 1000 кг продукції за умов упровадження технології виробництва УФ-ретентатів БВМС; 79,45…86,33 грн на 100 кг готової продукції у разі використання технології структурованої десертної продукції з використанням УФ-похідних БВМС. Інтегральний показник результативності наукових розробок становить 0,7.

The thesis is devoted to the scientific substantiation and development of semi-finished products technologies on the base of targeted use of nutrients from protein and carbohydrate dairy raw material (PCDRM) by use their co precipitation and ultrafiltration (UF) concentration. On the base of theoretical and experimental researches the scientific concept is formulated and proved – targeted use of nutrients of protein and carbohydrate dairy raw material, which is provided by their coprecipitation and UF concentration, gives the chance to increase food and biological value of semi finished and culinary products, its technological stability, technological process intensification, fuller use of PCDRM food potential. It is proved that promising method of PCDRM proteins targeted concentration is the thermoacid coagulation method with obtaining as the final product low-calcium coprecipitate. It is shown that ultrafiltration use is the most expedient among all baromembrane processes during PCDRM processing, because molecules sizes of dairy raw material main food nutrients are compared with the pore sizes of the second generation UF membranes. The functional and technological properties of PCDRM and carotene containing raw material with the purpose of their combined use for the production of protein and carbohydrate semi-finished products on the PCDRM concentrates base and current state of stabilizing agents use in culinary products technologies are considered. The use expediency of P-11, Gelita 180, Gelita 240, «Astri Gel» stabilizing agents and egg powder during protein and carbohydrate semi-finished products preparation on the PCDRM base is substantiated. The influence of temperature, time, mass factors of high-temperature coagulation and buttermilk proteins complex deposition which are obtained by cream whipping on continuous action butter producers with use whey from sour cheese as a coagulant on the system’s dry matter release degree and physical and chemical properties of concentrate, which is obtained, is established. It is determined that protein concentrate has the best organoleptic and structural and mechanical properties; it is obtained as a result of high-temperature (93… 95 ° C) buttermilk processing for (10…15) 60 s with following their cooling to 80… 85 °C, introducing 30…40% of coagulant, holding the mixture at coagulation temperature (10… 15)·60 s and intensive cooling to 40…45 °С. The technological scheme for the production of buttermilk low-calcium coprecipitate (BLCC) is developed, the implementation of which provides the targeted use of PCDRM nutrients. Comprehensive studies of the developed product quality indices prove its high nutritional value. BLCC contains 20,80% of protein, 1,34% of fat, 0,162% of calcium, 0,235% of phosphorus; it is good source of trace elements and water-soluble B vitamins, which grounds its use in the technology of culinary products on the base of milk protein. Eighteen amino acids, including all essential ones, are experimentally identified in BLCC proteins. BLCC proteins exceed the proteins of low-fat sour cheese, which is selected as control sample, both according to the number of non essential (29,2%) and the number of essential amino acids (1,16%). It is found that essential amino acids level in the composition of BLCC proteins exceeds the FAO/WHO standard. Microbiological researches prove the developed product conformity to the accepted microbiological standards, BLCC shelf life is established – 36 hours at temperature of 2…4 °С. It is theoretically proved that the main performance characteristics of the second generation semipermeable membranes on the base of PAN type acrylonitrile copolymers are promising for the process of PCDRM ultrafiltration concentration – skimmed milk, buttermilk and whey from sour cheese. The PCDRM ultrafiltration concentrates technologies which are obtained with the help of semi-permeable PAN-50 and PAN-100 membranes are substantiated. Theoretical consideration of the concentration polarization and gelation processes over the surface of semipermeable ultrafiltration membranes is carried out. Mathematical dependences are determined, which gradually describe macromolecular substances accumulation on the membrane surface and the gel formation. For PCDRM UF-separation intensifying, it is proposed the process improving by bubbling liquid high molecular weight polydispersed systems (LHPS) with air or inert gas bubbles under immediate proximity from the semipermeable ultrafiltration membranes surface. It is established that the ultrafiltration process intensification occurs because of the combined effect on the gel which forms on the membrane surface, bubbling pressure, LHPS flows turbulence and turbulence hydraulic impact on the UF-membrane surface. Rational technological parameters of PCDRM UF-separation with PAN type UF-membranes use under dead-end mode and PCDRM bubbling mode are determined. It is established that the maximum efficiency of UF-process of all PCDRM experimental types under dead-end mode is achieved at filtration pressure of 0,4...0,5 MPa, PCDRM separated temperature of 40...50 °C, the process duration of (1,5 ...2,0)∙602 s, under bubbling mode – at temperature of 40...50 ºC, filtration pressure of 0,4...0,5 MPa, duration of (3,0...4,0)∙602 s. The frequency of 0,10…0,15 min-1 and a pressure of 0,56...0.58 MPa are recommended by bubbling modes. These design features and technological modes allow intensifying the skimmed milk ultrafiltration concentration process compared to UF under dead end mode by 1,3....1,4 times, buttermilk – by 1,5...1,6 times, sour cheese whey by 1,4...1,5 times. The chemical composition of UF-division products of studied PCDRM types is researched, and it is shown that in the process of UF-concentration protein mass fraction increasing occurs in PCDRM retentates in the of direct proportion to the concentration factor. The fat mass fraction increases to 3,0 (by 2,8...2,9 times) under concentration factor increasing. It is shown that at different values of the concentration factor the ratio of «protein: fat» remains at the raw material level in PCDRM retentates of all types. The milk protein content in permeate is insignificant and is at the level of 0,16…0,26%. The composition and properties of carotene-containing raw material puree for the purpose of their potential use in the technologies of semi-finished protein and carbohydrate products with use carotene-containing vegetable raw material (SFPCPCCVRM) were studied. It is found that carrot and pumpkin purees of selected botanical varieties have increased content of antioxidant and immunomodulator β-carotene – 7,5 ± 0,15 mg and 12,6 ± 0,2 mg per 100 g, respectively. Vitamin C content in carrot puree is 5,0…5,2 mg/100 g, in pumpkin puree it is 12,0…12,4 mg/100 g. The protective effect of «Astri Gel» stabilizing agent on biologically active substances of carotene-containing vegetable raw material – carrot and pumpkin puree is proved. The studying results of physical and chemical and functional and technological properties of polydispersed systems with PCDRM use and products of its processing are presented. Rational concentrations of recipe components are established and the technologies of semi-finished protein and carbohydrate product from carrot puree (SFPCPCP) and semi-finished protein and carbohydrate product from pumpkin puree (SFPCPPP), semi-finished products for structured dessert preparation on the base of skimmed milk UF-retentates (SFPSD SMUFR) and buttermilk UF-retentates (SFPSD BUFR), semi-finished product for whipped dessert on the base of sour cheese whey (SFPWD SCWUFR). The processes of crystallization, vitrification and moisture melting in CVRMSFP, as well as food mixture «Astri Gel» effect on the moisture phase behavior in semi-finished products at temperatures below 0 °C are studied. It is found that «Astri Gel» stabilizing agent stabilizes the liquid structure of protein and carbohydrate semi-finished products, provides formation during freezing of fine-crystalline structure and vitreous inclusions and promotes prolongation of CVRMSFP storage terms. Cryomicroscopic research of SFPCPCP and SFPCPPP during freezing thawing cycle is carried out. Research results analysis shows that systems temperature lowering below 0 °C is accompanied by phase transition «water-ice»; CVRMSFP are in partially crystalline state at storage temperature of -18 °C. The participation degree of PCDRM and their UF-retentates different fractions proteins in foam formation process is determined. It is established that casein proteins have the greatest influence on the foaming process of skimmed milk and buttermilk. During the process of sour cheese whey foaming formation 90… 95% of whey proteins are attracted to the interfacial surface, while casein proteins are floated in the foam by 45… 50%. It is proved that with PCDRM concentration factor increasing the proteins flotation in the foam intensifies. Studies of egg powder (EP) solubility in water, the effect of EP solutions mixing on viscosity and turbidity and their freezing process prove that milk proteins in combination with EP are promising structurant for semi-finished whipped dessert products. The chemical composition of semi-finished products on the base of targeted use of PCDRM nutrients was studied. The obtained results show that the developed semi-finished products exceed the control samples in terms of the most nutrients content. Thus, SFPCPCP dry matter content exceeds the control sample by 2,9…3,1%, SFPCPPP – by 3,1…3,2%, fat – by 0,44…0,46%, carbohydrates – by 3,5…3,7 and 3,8…4,0%, respectively. Replacement of protein-containing raw material by vegetable puree in CVRMSFP causes protein amount decreasing by 1,3…1.8%. However, the analysis of proteins amino acid composition and the compliance of essential amino acids with the FAO/WHO standard shows that 18 amino acids are identified in the developed CVRMSFP, including all essential ones. The number of essential amino acids from their total amount in PCDRM and SFPCPPP proteins, as well as in the control sample, is 41…42%. SFPSD on the base of PCDRM UF-derivatives in comparison with the control sample contain higher amount of protein by 2,0…2,2%, with a simultaneous fat mass fraction decreasing by 15,0…15,9%, caloric content by 48…50%. The SFPWD SCWUFR protein content is higher by 2,1…2,2% than in the control sample, fat content is lower by 2,3…2,6%. The parameters of CVRMSFP with «Astri Gel» stabilizing agent acute toxicity were determined. Its toxicity class is fifth, i.e. it is practically non-toxic. The study results of microbiological and organoleptic parameters changes of the developed semi-finished products during storage allow determining their storage periods: refrigerated CVRMSFP – at temperature of 0…4 °C – 7 days, frozen CVRMSFP – at temperature of -18…-19 °C – 6 months; SFPSD SMUFR and SFPSD BUFR – at temperature of 2…4 °С for 36 hours; SFPWD SCWUFR – 3…5 days at storage temperature of 2…4 °С. The use trends of protein and carbohydrates semi-finished products on the base of targeted use of PCDRM nutrients in restaurant food products production technologies are determined. It is proved that semi-finished products can be used in the flour and culinary products technologies, sour cheese dishes, main and sweet dishes, soft drinks and ice cream. The data of research results approbation and their introduction in practice are presented. Regulatory documentation for new types of products with PCDRM concentrates use was developed and approved. The proposed technologies have been tested at food industry enterprises, as well as at restaurant business enterprises of Ukraine. The economic expediency of developments introduction into practical activity of food manufactures and restaurant business enterprises is proved. As calculations result it is established that the economic effect of innovative products introduction is: 1,8 thousand UAH per 1000 kg of finished products from BLCC production; 1,4…4,0 thousand UAH per 1000 kg of products under PCDRM UF retentates production technology introduction; 79,45…86,33 UAH per 100 kg of finished products in the case of use structured dessert products technology with PCDRM UF-derivatives. The integrated indicator of the scientific developments effectiveness is 0,7.