РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОБЕЛКОВЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОРОЖЕНОГО

Надточий Л.А.¹, Арсеньева Т.П.², Абдуллаева М.С.³, Лепешкин А.И.⁴

¹ 0000-0002-4678-8177, кандидат технических наук, доцент; ² доктор технических наук, профессор; ³0000-0002-3377-1798, магистрант; ⁴ 0000-0001-9118-1449, магистрант, Университет ИТМО

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОБЕЛКОВЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОРОЖЕНОГО

Аннотация

В статье представлены результаты реологических исследований смесей для производства мороженого с повышенным содержанием белка. Коррекция состава мороженого предполагает увеличение содержания белка от 11 до 14% на фоне снижения липидной и углеводной составляющей. В работе был использован метод ротационной реометрии. Определены значения эффективной вязкости смесей мороженого при скоростях сдвига 0,1-10 с^-1, которые показывают увеличение исследуемого показателя с увеличением доли вносимого казеина. Изучены реологические характеристики: модуль эластичности (упругости) и модуль вязкости образцов, в результате чего установлено, что добавление мицеллярного казеина существенно влияет на вязкостно-эластичные свойства смесей мороженого. Установлено, что смесь с массовой долей казеина 12% имеет явно выраженные вязкостные свойства, в то время как образцы с добавлением 13-14% казеина продемонстрировали преимущественно эластично-упругие свойства. По результатам комплексного реологического исследования отобрана смесь с 12% казеина для изготовления мороженого с повышенным содержанием белка.

Ключевые слова: мороженое, казеин, высокобелковая смесь, структурно-механические показатели, реологические свойства.

 Nadtochii L.A.¹, Arseneva T.P.², Abdullaeva М.S.³, Lepeshkin А.I.⁴

¹ 0000-0002-4678-8177, PhD in Engineering, associate professor; ² PhD in Engineering, professor; ³ 0000-0002-3377-1798, Master’s degree student; ⁴ 0000-0001-9118-1449, Master’s degree student, ITMO University

RHEOLOGICAL PROPERTIES OF HIGH-PROTEIN MIXES FOR ICE-CREAM

Abstract

The article presents the results of rheological studies of mixtures for ice cream production with high protein content. Correction ice cream composition involves increased protein content from 11 to 14% against decrease in lipid and carbohydrate component. The method of rotational rheometry was used. The values of the effective viscosity of ice cream mixes was determined at shear rates of 0.1to 10 с^-1,showing the growth of the test index with increasing of the casein mass fraction. The rheological characteristics: elasticity modulus (resilience) and the viscosity module of the sample, causing found that the addition of micellar casein greatly affects the viscosity and elastic properties of the ice cream mixture. It was established that the mixture with the mass fraction of casein 12% had obviously expressed viscosity properties, whereas the samples with the addition of the casein 13-14% demonstrated predominantly elastical-resilient properties. As a result, the complex rheological studies selected the mixture with 12% of casein for the manufacture of ice cream with high protein content.

Keywords: ice cream, casein, high-protein mixture, structural-mechanical properties, rheological properties.

За последние годы многие люди стали пересматривать свое питание и образ жизни. Современный человек имеет возможность обеспечить потребность во всех макронутриентах. Однако, в большей степени предпочтение в рационах питания отдается легкоусвояемым углеводам и жирам. В связи с этим среднестатистический взрослый человек получает недостаточное количество белка с поступающей в организм пищей, что требует коррекции на этапе планирования рациона питания различных групп, которые классифицируются по возрасту, полу, группе активности и пр.[1].

Для решения данной проблемы существуют способы повышения уровня белка в некоторых продуктах питания. В настоящей работе объектами исследования служили высокобелковые смеси с целью разработки рецептуры диетического мороженого с высокими потребительскими свойствами. Традиционные виды мороженого включают в себя несколько наименований, которые различаются по содержанию молочного жира: молочное (0,5-7,5%), сливочное (8,0-11,5%), пломбир 12,0-20,0%). Современные требования, предъявляемые к разрабатываемым продуктам питания, в частности, к мороженому, связаны с понижением его калорийности и себестоимости с учетом оптимизации пищевой ценности продукта [2].

Содержание белка в мороженом, в отличие от жира, не нормируется Межгосударственным стандартом (ГОСТ) и в традиционных рецептурах составляет в среднем от 3,0 до 4,5%[3]. Главным белком молока является казеин, находящийся в виде мицелл, представляющих собой сложные комплексы фракций казеина с коллоидным фосфатом кальция. Казеин транспортирует в составе своих частиц (мицелл) такие микронутриенты, как кальций, фосфор и магний, роль которых для организма человека доказана. Полярные группы, находящиеся внутри и на поверхности казеиновых мицелл, хорошо связывают воду – около 3,7 г на 1 г белка. При этом, от гидрофильных свойств казеина зависит устойчивость казеиновых мицелл в молоке [4].

Применение казеина в растворимой форме – в виде мицеллярного казеина –в составе смеси мороженого позволяет снизить калорийность продукта за счет сокращения жировой фазы в виде сливок, сухого молока и сливочного масла. Помимо этого, в настоящем исследовании рецептура смеси мороженого корректировалась по углеводной составляющей путем подбора комплекса подсластителей и сахарозаменителей и исключением из рецептуры сахарозы.

Однако, смеси традиционных видов мороженого отработаны с точки зрения структурно-вязкостных свойств. Оптимизация пищевой ценности смеси мороженого требует изучение влияния ингредиента – казеина – на реологические характеристики разрабатываемых смесей в сравнении с изучаемыми показателями смесей традиционного вида мороженого. За контрольный образец было выбрано мороженое молочное. Все образцы смесей мороженого были нормализованы по содержанию сухих веществ не более 28-31%.С целью определения оптимального содержания белка в смеси мороженого использовались образцы с массовой долей белка от 10 до 14%.

Объектами настоящего исследования служили смеси для изготовления мороженого, в состав которых входили:

• молоко цельное 2,5% жирности;
• мицеллярный казеин (Promilk Kappa Optimum 85, Ingredia, Франция);
• подсластители и сахарозаменители (ксилит, сукралоза)
• стабилизатор PJX-1.

Для изучения вязкоупругих свойств смесей мороженого применялись методы ротационной реометрии с использованием ротационного вискозиметра марки RHEOTEST Medingen Gmb HRN 4.1, New Castle, DE (цилиндр HS c внутренним диаметром 3,5 см). Были определены значения вязкости при периодическом изменении во времени скорости сдвига от 0,1 до 10с^-1. Также были изучены вязкоупругие показатели смесей (модули G’ и G”) при различной частоте колебаний от 0,1 до 1 рад/с. Реологические исследования проводились в 3-х кратном измерении с учетом допустимой погрешности 0,05.

G^’ – модуль эластичности – характеризует упругие свойства исследуемого продукта; G” – модуль вязкости – описывает вязкое течение материала [5].

В результате исследования установлено, что казеин в составе рецептуры смеси для мороженого влияет на изменение вязкости при малых скоростях сдвига (0,1-2,5 с^-1), о чем свидетельствуют данные рисунка 1. Очевидно, что внесение дополнительного ингредиента (мицеллярного казеина) увеличит вязкость исследуемой смеси.

Рис. 1 - Изменение вязкости смесей мороженого при скоростях сдвига от 0,1 до 10с^-1

Полученные зависимости вязкости от скорости сдвига исследуемых образцов свидетельствуют о том, что они легко разрушаются при небольших нагрузках, что подтверждает сведения других ученых [6, 7]. Однако, образцы с наличием 10% и 11% белка показали самые низкие значения вязкости при малых нагрузках. Наиболее высокие значения исследуемого параметра при одинаковых условиях продемонстрировал образец, содержащий 14% белка; несколько уступали ему образцы с 12 и 13% белка. В связи с этим дальнейшему исследованию подлежали образцы с более высокими значениями вязкости при малых нагрузках, в частности смеси мороженого с содержанием белка 12-14%.

На рисунке 2 отображены зависимости модулей эластичности (упругости) и вязкости от частоты колебаний в пределах от 0,1 до 1,0 рад/с. На основании полученных данных можно констатировать, что оба модуля для всех образцов увеличиваются с возрастанием частоты колебаний в разной степени в зависимости от содержания белка в смеси мороженого.

Рис. 2 - Зависимость модулей (G’, G”) смесей мороженого от частоты колебаний (0,1-1рад/с)

Следует отметить, что модуль вязкости при низкой частоте колебаний (до 0,2 рад/с) несколько выше модуля эластичности (упругости). Причем, эта тенденция сохраняется для образца с содержанием белка 12% на всем протяжении эксперимента (при частоте колебаний от 0,1 до 1,0 рад/с). Однако, для других образцов (с содержанием белка 13 и 14%) изменение модуля эластичности (упругости) происходит более интенсивно с увеличением частоты колебаний (от 0,2 до 1,0 рад/с) в то время как модуль вязкости практически не меняется при частоте колебаний от 0,2 рад/с. Причем данные образцов с содержанием белка 13 и 14% практически не отличались между собой для всех модулей. Таким образом можно констатировать в большей степени вязкостные свойства смеси мороженого с содержанием 12% белка в диапазоне частот колебаний до 1,0 рад/с. Однако, модуль вязкости образцов с содержанием белка 13 и 14% показывает более высокие значения, что говорит об увеличении вязкостных свойств образцов с повышением содержания белка в смеси. Также следует отметить увеличение эластичных свойств смесей с содержания белка (13, 14%) при повышении частоты колебаний (от 0,2 до 1,0 рад/с), в то время как вязкостные свойства таких смесей практически не меняются, что говорит о преимущественно эластичных (упругих) и менее выраженных вязкостных свойствах смесей с содержанием белка 13 и 14%.

На основании проведенных исследований реологических свойств высокобелковых смесей мороженого получены прямые зависимости повышения значений исследуемых реологических характеристик смесей с увеличением массовой доли казеина (от 11 до 14%) в составе рецептуры. Смесь мороженого с массовой долей белка 11% наиболее приближена по вязкости к контрольному образцу. Все образцы подтвердили вязкостно- упругие свойства, характерные для большинства пищевых продуктов. Однако, смесь с содержанием белка 12% показала в большей степени вязкостные свойства, в то время как смеси с содержанием белка 13 и 14%продемонстрировали ярко выраженные эластичные (упругие) свойства. Таким образом, смесь с массовой долей белка 12% рекомендуется использовать для производства мороженого, так как она позволяет обеспечить продукт повышенным содержанием белка и сохраняет преимущество вязкостных свойств, что является важным функционально-технологическим показателем смеси до фризерования.

 

Литература

1. Абдуллаева М.С. Разработка состава мороженого на молочно-растительной основе/ Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, 2016.
2. Арсеньева Т.П. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры. Т. 4. Мороженое. - СПб.: ГИОРД, 2002. - 180 с.
3. ГОСТ 31457-2012 Межгосударственный стандарт Мороженое молочное, сливочное и пломбир. Технические условия.
4. Шейфель О.А. Биохимия молока и молочных продуктов: конспект лекций /Кемеровский технологический институт пищевой промышленности – Кемерово, 2010. – 126 с.
5. George, E., Inglett, Diejun, C., Sean, X. L., Suyong, L. Pasting and rheological properties of oat products dry-blended with ground chia seeds/ LWT - Food Science and Technology, 55, 2014. – 148-156.
6. Gabriele D., De Cindio B., D’Antona P. Rheol. Acta, 40, 2001. – 120.
7. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепция, методы, приложения / Пер. с англ. – СПб.: Профессия, 2007. – 560 с.

References

1. Abdullaeva M.S. [Razrabotka sostava morozhenogo na molochno-rastitel'noj osnove/ Sbornik tezisov dokladov kongressa molodyh uchenyh. Elektronnoe izdanie.] – SPb: Universitet ITMO, 2016.[in Russian]
2. Arsen'eva T.P. [Spravochnik tekhnologa molochnogo proizvodstva. Tekhnologiya i receptury. T. 4. Morozhenoe.] - SPb.: GIORD, 2002. - 180 s. [in Russian]
3. [GOST 31457-2012 Mezhgosudarstvennyj standart Morozhenoe molochnoe, slivochnoe i plombir. Tekhnicheskie usloviya.].[in Russian]
4. SHejfel' O.A. [Biohimiya moloka i molochnyh produktov: konspekt lekcij /Kemerovskij tekhnologicheskij institut pishchevoj promyshlennosti] – Kemerovo, 2010. – 126 s. [in Russian]
5. George, E., Inglett, Diejun, C., Sean, X. L., Suyong, L. Pasting and rheological properties of oat products dry-blended with ground chia seeds/ LWT - Food Science and Technology, 55, 2014. – 148-156.
6. Gabriele D., De Cindio B., D’Antona P. Rheol. Acta, 40, 2001. – 120.
7. Malkin A.YA., Isaev A.I. [Reologiya: koncepciya, metody, prilozheniya / Per. s angl.] – SPb.: Professiya, 2007. – 560 s. [in Russian]