Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние технологии и техники производства йогуртов и термизированных йогуртных продуктов 9
1.1. Методы диагностики сложных технологических систем 10
1.2. Классификация и технологические способы производства йогурта и термизированных йогуртных продуктов 21
1.3. Классификация и использование структурообразователей при производстве продуктов питания 34
1.4. Применение структурообразующих пищевых добавок при производстве молочных продуктов 41
1.5. Современные методы оценки структурных свойств йогуртов на базе инженерной реологии 44
1.6. Заключение по анализу литературы и задачи собственных исследований 46
Глава 2. Организация эксперимента и методы исследования 48
Глава 3. Диагностика технологии йогурта и термизированных йогуртных продуктов 51
3.1. Технология производства йогуртов как система процессов 51
3.2. Оценка уровня организации технологии производства йогурта 62
3.3. Оценка стабильности функционирования технологической системы производства йогурта 73
3.4. Краткие выводы 78
Глава 4. Адаптация технологии при организации производства йогурта 79
4.1.1. Выбор вида и рациональной дозы структурообразователей. Определение реологических показателей йогуртных продуктов 79
4.1.2. Составление композиции структурообразующих компонентов для производства термизированных йогуртных продуктов 94
4.2. Новое компоновочное решение машинно-аппаратурного оформления линии для производства йогурта и термизированных йогуртных продуктов 103
4.3. Краткие выводы 107
Глава 5. Системное исследование адаптированной технологии производства йогурта и термизированных йогуртных продуктов 108
5.1. Оценка уровня организации адаптированной технологии 109
5.2. Оценка уровня целостности системы при использовании разработанной структурообразующей добавки 113
5.3. Оценка уровня целостности системы при использовании новых структурообразователя, технологии его введения, а также щнекового дозатора 123
5.4. Краткие выводы 132
Основные выводы 132
Приложение 1 ИММ процесса формирования качества термизированного иогуртного продукта 134
Расчет стандартных значений комплексного показателя 136
Результаты экспериментов 137
Приложение 2 147
Приложение 3 157
Список литературы 166
- Классификация и технологические способы производства йогурта и термизированных йогуртных продуктов
- Оценка уровня организации технологии производства йогурта
- Составление композиции структурообразующих компонентов для производства термизированных йогуртных продуктов
- Оценка уровня целостности системы при использовании новых структурообразователя, технологии его введения, а также щнекового дозатора
Классификация и технологические способы производства йогурта и термизированных йогуртных продуктов
Исследование классификаций следует начать с определения самого понятия йогурт.
Согласно определению, данному в методическом указании московской высшей школы экспертизы [114], йогурт - пищевой продукт, приготовляемый из пастеризованного молока с повышенным содержанием сухих обезжиренных веществ молока с добавлением или без добавления плодово-ягодных сиропов, свежих или консервированных фруктов или ягод, ароматизаторов, желирующих веществ, сквашенного чистыми культурами термофильных молочнокислых стрептококков и болгарской палочки, а также бифидобактерий или ацидофильной палочки. Термизированным йогуртным продуктом называется йогурт, прошедший термическую обработку после процесса сквашивания при температуре пастеризации.
Традиционно йогурт изготавливается из овечьего молока без добавления каких-либо структурообразователей путем сквашивания культурами термофильного молочнокислого стрептококка и болгарской палочки. Более высокое содержание сухих веществ и жира в овечьем молоке, по сравнению с коровьим, обуславливает густую желеобразную консистенцию продукта. Начало массового промышленного производства йогурта в Европе в середине 20 века из коровьего молока заставило технологов вводить в состав продукта стуктурообразующие пищевые добавки (ПД) [170].
Йогурт является относительно новым кисломолочным продуктом в России [19]. Отечественная молочная промышленность начала осваивать его производство в последнее десятилетие. Технические условия, которые выделили термизированные иогуртные продукты в отдельный класс молочных продуктов, были введены в действие в 2000 г.
Согласно государственному стандарту и техническим условиям йогурты и термизированные иогуртные продукты классифицируются по содержанию жира и консистенции.
Технические условия разрешают использование различных видов сырья и пищевых добавок, в частности молока цельного и обезжиренного, в том числе сухого; сливок заготовляемых, пастеризованных и сухих; пахты свежевыработанной и сухой; молока нежирного сгущенного; масла сливочного; концентрированного молочного жира; стабилизаторов консистенции; сахара-песка, в том числе сахара жидкого; пищевых ароматизаторов и красителей; витаминных премиксов и витаминов; фруктовых наполнителей; подсластителей; воды питьевой; закваски и бактериальных препаратов [170].
Зарубежные исследователи, занимающиеся вопросами производства йогуртов (R Fuller , S Jones, М Vrese, К Zimmerman, G Reuter, С Shortt, R Sieber, P Cupta) и многие другие не выделяют термизированпые иогуртные продукты в отдельный класс молочных продуктов. В основном их усилия направлены на изучение пробиотических свойств йогуртов [157, 158, 159, 160, 161, 162, 164, 165, 166, 169].
Наиболее полно различия между обычными йогуртами, в том; числе и термизированными, и биойогуртами исследовал R Fuller. В J своих работах этот ученый приводит подробные сведения о \ пробиотиках и их применения для лечения и профилактики і различных заболеваний.
Согласно классификации Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) и Всемирной организации здравоохранения по содержанию йогурты делят на следующие разновидности:
- йогурт (содержание жира от 3 до 10%); - частично обезжиренный йогурт (содержание жира от 0,5 до 3%);
- обезжиренный йогурт (содержание жира от 0 до 0,5%).
По данным ФАО/В 03 содержание сухого обезжиренного остатка (СОМО) в йогурте должно быть не менее 8,2%.
Согласно данным из словаря молочных терминов Международной молочной ассоциации [128, 130, 133] традиционным йогуртом называют коагулированный молочный продукт, полученный путем сквашивания болгарской палочкой и термофильным молочнокислым стрептокком. За рубежом также принята классификация йогуртов по способу производства [141, 142, 149, 170]. Согласно ей йогурты делятся на пять классов.
1 - термостатный. Процесс ферментации и охлаждение происходит в упаковочной таре. Формирование основных свойств структуры происходит во время ферментации.
2 - резервуарный. Процесс ферментации происходит в танке, охлаждение - перед фасовкой. Процесс структурообразования продолжается после сквашивания.
3 - питьевой. Технология аналогична предыдущей, но сгусток разрушается до жидкого состояния перед фасовкой. Структура формируется после процесса перемешивания.
4 - замороженный. Ферментация происходит в танке. После этого сгусток обрабатывается во фризере по технологии мороженого. Основные структурные свойства продукту придает процесс фризерования.
5 - концентрированный. Ферментация осуществляется в танке. Далее из продукта отделяется сыворотка путем сепарирования. Именно этот процесс и является ключевым в образовании структуры.
Помимо технологической градации йогурты можно классифицировать на ароматизированные и неароматизированные [8, 170].
В качестве ароматизирующих добавок используются фруктово-ягодные джемы. Содержание джема обычно составляет 15%, из которых 50% - сахар. Джем смешивается с йогуртом после ферментации до фасовки (в танке или непосредственно в потоке во время фасовки), либо добавляется отдельно в упаковочную емкость без смешивания с йогуртом.
Кроме джема, для придания продукту заданных потребительских свойств, используются пищевые ароматизаторы (в т.ч. эссенции) в совокупности с красителями природного и синтетического происхождения. Подробный перечень этих веществ, а также влияние их на организм человека, приводится в работах R S Patel, R Sieber, L Ganjam, R Leis, Z A Bhutta, [129, 131, 132, 134, 137]. Из отечественных ученых вопросом применения красителей и ароматизаторов при производстве молочных продуктов занималась ЗобковаЗ. С. [36].
Оценка уровня организации технологии производства йогурта
Как было показано ранее, технологический поток производства йогуртов состоит из четырех подсистем: А - нормализации молока и составления смеси; В - обработки смеси; С - образования готового сгустка; D - фасовки и хранения. Следующим этапом процедуры системного исследования потока стало определение стабильности работы этих подсистем и целостности системы в целом.
Для этого было необходимо выбрать контролируемые параметры процесса, которые являются выходами подсистем. Значения этих параметров, допуски на них и коэффициенты весомости представлены в табл. 5. Величины допусков выбирались в соответствии с технологической инструкцией по производству йогуртов. Коэффициенты весомости определялись методом экспертных оценок.
Диагностика подсистем проводилась в течение 1, 14 и 30 дней. Оценка стабильности подсистем за меньший период (час, смену) нецелесообразна, т.к. производство йогурта характеризуется широким распределением во времени. Продолжительность производственного цикла с момента поступления молока на предприятие составляет около 24 часов. В результате наблюдений был получен статистический материал, состоящий из результатов измерений параметров выхода каждой из подсистем, представленный в приложении 1.
Расчет уровня целостности системы за 1 день
В подсистеме А фактическое значение комплексного показателя Кф у 1 замера лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 10). Из этого следует, что вероятность Р = (10- 1)/10 = 0,9; (1-Р) = 0,1.
Энтропия подсистемы А НА = 0,1368 + 0,3322 = 0,4690. Стабильность подсистемы А гц = 1-НА = 0,5310.
В подсистеме В фактическое значение комплексного показателя Кф у двух замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 30). Из этого следует, что вероятность Р = (30-2)/30 = 0,9333; (1-Р) = 0,0667. Энтропия подсистемы В Нв = 0,0929 + 0,2605 = 0,3534. Стабильность подсистемы В Лв = 1 Нв = 0,6466.
В подсистеме С фактическое значение Кф у трех замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 35). Из этого следует, что вероятность Р = (35 -3)/35 = 0,9143; (1 - Р) = 0,0857.
Энтропия подсистемы С Нс = ОД 182 + 0,3038 = 0,4220. Стабильность подсистемы С rje = 1 - 0,4220 = 0,5280.
В подсистеме D фактическое значение Кф у трех замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 30). Из этого следует, что вероятность Р = (30 - 3)/30 = 0,9; (1-Р) = 0,1.
Энтропия подсистемы D HD = 0,1368 + 0,3322 = 0,4690. Стабильность подсистемы D TID= 1-0,4690 = 0,5310. Расчет уровня целостности системы за 14 дней
В подсистеме А фактическое значение комплексного показателя Кф у 4 замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 25). Из этого следует, что вероятность Р = (25 - 4)/25 = 0,84; (1 -Р) = 0,16. Энтропия подсистемы А НА = 0,2113 + 0,4231 = 0,6344. Стабильность подсистемы А ГА= 1-НА = 0,3656.
В подсистеме В фактическое значение комплексного показателя Кф у двух замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 25). Из этого следует, что вероятность Р = (25 - 2)/25 = 0,92; (1 -Р) = 0,08.
Энтропия подсистемы В Нв = 0,1107 + 0,2915 = 0,4022.
Стабильность подсистемы В Лв=1-Нв = 0,5978.
В подсистеме С фактическое значение Кф у четырех замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 35). Из этого следует, что вероятность Р = (35 -4)/35 = 0,8857; (1 - Р) = 0,1143. Энтропия подсистемы С Нс = 0,1151 +0,3577 = 0,4728. Стабильность подсистемы С Лс = 1 - 0,4728 = 0,5272.
В подсистеме D фактическое значение Кф у трех замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 30). Из этого следует, что вероятность Р = (30 - 3)/30 = 0,9; (1-Р) = 0,1.
Энтропия подсистемы D HD = 0,1368 + 0,3322 = 0,4690. Стабильность подсистемы D TD= 1-0,4690 = 0,5310. Расчет уровня целостности системы за 30 дней
В подсистеме А фактическое значение комплексного показателя Кф у 5 замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 25). Из этого следует, что вероятность Р = (25 -5)/ 25 = 0,8; (1 - Р) = 0,2.
Энтропия подсистемы А НА = 0,2575 + 0,4644 = 0,7219. Стабильность подсистемы А ЛА= 1 -НА = 0,2781.
В подсистеме В фактическое значение комплексного показателя Кф у двух замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 20). Из этого следует, что вероятность Р = (20 -2)/20 = 0,9; (1-Р) = 0,1.
Энтропия подсистемы В Нв = 0,1368 + 0,3322 = 0,4690. Стабильность подсистемы В гв= 1-0,4690 = 0,5310.
В подсистеме С фактическое значение комплексного показателя Кф у 4 замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 30). Из этого следует, что вероятность P = (ЗО -4)/30 = 0,8667; (1 -P) = 0,1333. Энтропия подсистемы С Нс = 0,1789 + 0,3875 = 0,5664. Стабильность подсистемы С гс= 1-0,5664 = 0,4336.
В подсистеме D фактическое значение комплексного показателя Кф у 4 замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 30). Из этого следует, что вероятность Р = (30 - 4)/30 = 0,8667; (1 -Р) = 0,1333. Энтропия подсистемы D HD = 0,1789 + 0,3875 = 0,5664. Стабильность подсистемы D г]о= 1-0,5664 = 0,4336.
Составление композиции структурообразующих компонентов для производства термизированных йогуртных продуктов
Использование в производстве йогуртов импортных стабилизирующих ПД значительно увеличивает себестоимость готовой продукции. Так, например, стоимость отечественного модифицированного крахмала ниже импортных аналогов в 5 - 7 раз. Кроме этого зарубежные производители стабилизаторов держат в строгом секрете состав своих структурообразующих добавок, что значительно затрудняет работу с ними. Поэтому, на следующем этапе работы была разработана композиция структурообразующих компонентов для производства термизированных йогуртных продуктов. По своим функциональным свойствам разработанная структурообразующая добавка не уступает готовой структурообразующей ПД фирмы HAHN.
В качестве основы структурообразующей добавки был выбран отечественный кукурузный модифицированный крахмал. Данный крахмал по своим свойствам относится к группе набухающих.
При применении одного крахмала для производства йогуртного продукта получался продукт с ярко выраженным мучнистым привкусом. Кроме этого, данный крахмал не обладает в достаточной степени свойствами стабилизатора и эмульгатора, т.к. в процессе ферментации смеси наблюдалось частичное отстаивание жира, после ферментации структура продукта расслаивалась. Учитывая примерное содержание крахмала в йогуртах, это позволило отнести данный крахмал по своим функциональным свойствам согласно общепринятым классификациям [42, 68] к группе загустителей.
Для компенсации недостающих крахмалу функциональных свойств в состав структурообразующей ПД были введены гуаровая камедь (Е412), ксантановая камедь (Е415) и пектин (Е440).
В ходе проведения эксперимента, массовые доли модифицированного крахмала варьировали в пределах от 1,2 до 2,0%, гуаровой камеди - от 0 до 0,3%, ксантановой камеди - от 0 до 0,3%), пектина - от 0 до 1%. Величины интервалов выбирались на основе изучения функциональных свойств ингредиентов и результатов работы со стабилизатором фирмы HAHN. Массовая доля жира молока, используемого для приготовления всех образцов, составила 3,5%. Массовая доля сахара, также как и в экспериментах со стабилизатором HAHN, составила 8,5%, сухого обезжиренного молока-1,9%).
Образцы готовились следующим образом. Сухие компоненты (сухое обезжиренное молоко, стабилизатор, сахар) растворялись в холодном молоке (4 - 7С). Смесь рециркулировалась 20 - 30 минут и оставлялась гидротироваться 15-40 минут для набухания. Затем смесь гомогенизировалась при давлении 15 МПа, пастеризовалась при температуре 90С в течении 3 минут и охлаждалась до температуры сквашивания (41 С). Подготовленную смесь заквашивали закваской в количестве 5%, приготовленной на чистых культурах молочнокислых бактерий. Сквашивание проводилось до значения рН сгустка 4,5 ед. Затем полученный сгусток перемешивался до однородного состояния и термизировался при температуре 75С в течении 15 секунд. В результате проведенной органолептической оценки полученных образцов было установлено, что наилучшими потребительскими свойствами обладает ПД, в которой массовые доли модифицированного крахмала варьируют в пределах от 1,2% до 2,0%), а функциональные свойства крахмала наилучшим образом компенсируются гуаровой камедью, ксантановой камедью и пектином при соотношении 1:1:5 соответственно.
Для определения рациональных доз вносимых компонентов структурообразующей добавки была разработана регрессионная модель, описывающая влияние м.д. крахмала и композиции камедей и пектина на эффективную вязкость готового продукта. Состав образцов представлен в табл. 10. Массовые доли крахмала варьировали от 1,2 до 2,0%), композиции камедей и пектина-от 0,5 до 0,6%.
Математическая обработка полученных результатов позволила получить регрессионные уравнения, адекватно описывающие изменения эффективной вязкости в зависимости от компонентного состава структурообразующей добавки.
Поверхности откликов, описываемые полученными уравнениями регрессии, и изолинии сечений представлены на рис. 14, 15.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
- при фиксированной м.д. крахмала увеличение содержания композиции из камедей и пектина вызывает прямо пропорциональное увеличение эффективной вязкости;
- при фиксированной м.д. композиции наблюдается критический уровень содержания крахмала (1,8%), после которого увеличение м. д. крахмала приводит к уменьшению величины эффективной вязкости;
- при разрушенной структуре значения эффективной вязкости прямо пропорциональны изменению м.д. крахмала и композиции.
Графики зависимости скорости сдвига от напряжения сдвига представлены на рис. 16. Характер кривых течения аналогичен характеру кривых в образцах со стабилизатором фирмы HAHN. Это дало основание воспользоваться уравнением Бингама для нахождения функциональной зависимости между скоростью сдвига и напряжением (табл. 10).
Оценка уровня целостности системы при использовании новых структурообразователя, технологии его введения, а также щнекового дозатора
На данном этапе проведения исследований была определена целостность системы производства термизированных йогуртных продуктов с учетом всех предложенных способов адаптации технологии: применения разработанного структурообразователя; применения в аппаратурном оформлении участка составления смеси шнекового дозатора для сыпучих компонентов. Также как и при проведении двух предыдущих диагностик уровень целостности определялся за 1, 14 и 30 дней. Контролируемые параметры и поля допусков на них не изменялись. В результате проведенных экспериментов был получен статистический материал, представленный в приложении 3.
Расчет уровня целостности системы за 1 день
В подсистеме А фактическое значение комплексного показателя Кф у одного замера лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 13). Из этого следует, что вероятность Р = (13-1)/13 = 0,9231; (1-Р) = 0,0769. Энтропия подсистемы А НА = 0,1066+ 0,2846 = 0,3912.
Стабильность подсистемы А ГА= 1 -НА = 0,6088.
В подсистеме В фактическое значение комплексного показателя Кф у двух замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кс, (общее количество замеров составило 28). Из этого следует, что вероятность Р = (28 - 2)/28 = 0,9286; (1-Р) = 0,0714. Энтропия подсистемы В Нв = 0,0992+ 0,2719 = 0,3711. Стабильность подсистемы В гв= 1-0,3711 =0,6289.
В подсистеме С фактическое значение Кф у двух замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 35). Из этого следует, что вероятность Р = (35-2)/35 = 0,9429; (1-Р) = 0,0571. Энтропия подсистемы С Нс = 0,0780+ 0,2358 = 0,3138. Стабильность подсистемы С 71с = 1-0,3138 = 0,6862.
В подсистеме D фактическое значение Кф у двух замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 36). Из этого следует, что вероятность Р = (36 -2)/36 = 0,9444; (1 -Р) = 0,0556.
Энтропия подсистемы D HD = 0,0779 + 0,2318 = 0,3097. Стабильность подсистемы D тіо=1 -0,3097-0,6903.
Расчет уровня целостности системы за 14 дней
В подсистеме А фактическое значение комплексного показателя Кф у двух замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 25). Из этого следует, что вероятность Р = (25 - 2)/25 = 0,92; (1-Р) = 0,08. Энтропия подсистемы А НА = 0,1107+ 0,2915 = 0,4022. Стабильность подсистемы А ГА=1 -НА -0,5978.
В подсистеме В фактическое значение комплексного показателя Кф у двух замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 27). Из этого следует, что вероятность Р = (27 -2)121 = 0,9259; (1 -Р) = 0,0741. Энтропия подсистемы В Нв = 0,1028+0,2782 = 0,3810. Стабильность подсистемы В лв = 1-0,3810 = 0,6190.
В подсистеме С фактическое значение Кф у трех замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 35). Из этого следует, что вероятность Р = (35 -3)/35 = 0,9143; (1-Р) = 0,0857. Энтропия подсистемы С Нс - 0,1182 + 0,3038 = 0,4220. Стабильность подсистемы С Лс= 1-0,4220 = 0,5780.
В подсистеме D фактическое значение Кф у двух замеров лежит ниже стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 30). Из этого следует, что вероятность Р = (30 -2)/30 = 0,9333; (1-Р) = 0,0667. Энтропия подсистемы D HD = 0,0929 + 0,2605 = 0,3534. Стабильность подсистемы D r,D= 1-0,3534 = 0,6466.
Расчет уровня целостности системы за 30 дней
В подсистеме А фактическое значение комплексного показателя Кф у трех замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 25). Из этого следует, что вероятность Р = (25-3)/ 25 = 0,88; (1-Р) = 0,12.
Энтропия подсистемы А НА = 0,1623+ 0,3671-0,5294. Стабильность подсистемы А ЛА = 1 - НА = 0,4706.
В подсистеме В фактическое значение комплексного показателя Кф у трех замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 23). Из этого следует, что вероятность Р = (23 - 3)/23 = 0,8700; (1 -Р) = 0,1300. Энтропия подсистемы В Нв = 0,1748 + 0,3826 = 0,5574. Стабильность подсистемы В гв= 1-0,5574 = 0,4426.
В подсистеме С фактическое значение комплексного показателя Кф у трех замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 30). Из этого следует, что вероятность Р = (30-3)/30 = 0,9; (1-Р) = 0,1.
Энтропия подсистемы С Нс = 0,1368+ 0,3322 = 0,4690. Стабильность подсистемы С г,с = 1-0,4690 = 0,5310.
В подсистеме D фактическое значение комплексного показателя Кф у двух замеров лежит ниже значения стандартного значения комплексного показателя Кст (общее количество замеров составило 26).
