Розроблення технології ферментованих молочно-рослинних продуктів

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено розробленню технології ферментованих молочно-рослинних продуктів на основі концентратів, отриманих способами термокислотної або кислотно-сичужної коагуляції, та уточненню технологічних режимів виробництва нових видів продуктів. Досліджено сучасний стан та перспективи розвитку асортименту молочно-рослинних продуктів, проаналізовано економічні та соціальні чинники, які обґрунтовують доцільність впровадження білоквмісної рослинної сировини в технологію молочно-білкових концентратів. Визначено основні вимоги до рослинної сировини з підвищеним вмістом білка, а саме функціонально-технологічні та органолептичні показники. Проведено порівняльний аналіз методів коагуляції білків різного походження, що дозволило адаптувати класичні технологічні підходи для отримання концентратів термокислотним або кислотно-сичужним способами при сумісній коагуляції молочних та рослинних білків. Оцінено альтернативні види рослинного молока та його потенціал для виробництва комбінованих продуктів на молочній основі. Обґрунтовано вибір ядер плодів Arachis hypogaea , що містять в середньому 22 % білку як основної рослинної білоквмісної сировини завдяки високій біологічній цінності та функціональним характеристикам. Проаналізовано ефективні прийоми попередньої обробки ядер плодів Arachis hypogaea для зменшення алергенного потенціалу, деактивування інгібіторів травних ферментів та покращення їх фізико-хімічних показників зі збереженням технологічних властивостей білків арахісу. Досліджено вплив тривалості попереднього замочування ядер плодів Arachis hypogaea на їх органолептичні властивості та встановлено, що оптимальна тривалість 480 хв (8 год) забезпечує максимальну сумарну оцінку 98 балів за показниками смаку, консистенції, зовнішнього вигляду та вологості. Обґрунтовано вибір молочної сироватки як дисперсійного середовища для створення суспензії з обробленими ядрами плодів Arachis hypogaea, завдяки вмісту в ній сироваткових білків, лактози, мінеральних речовин та вітамінів, що підвищує біологічну цінність та стабілізаційні властивості суспензії. Визначено раціональні технологічні параметри формування сироватково-рослинної суспензії: співвідношення – 5 : 1 (сироватка : ядра плодів арахісу), час подрібнення 4–5 хв, за яких масова частка сухих речовин становить 8,4–8,9 %, що відповідає нормативному вмісту для знежиреного молока (8,5–9 %). Експериментально підтверджено, що нагрівання до 70 °C сприяє ефективному переходу сухих речовин ядер плодів Arachis hypogaea у дисперсійне середовище – сироватку молочну, забезпечує дезактивацію патогенних мікроорганізмів і формування стабільної структури суспензії без небажаної денатурації білків. Доведено, що термічна обробка ядер плодів Arachis hypogaea за 120 °C протягом 30–35 хв підвищує перетравлюваність білків in vitro сироватково-рослинної суспензії, що свідчить про значне зростання концентрації тирозину у фільтраті. Для отримання концентрату використовують суміш знежиреного молока з сироватково-рослинною суспензією. Досліджено вплив вмісту сироватково-рослинної суспензії (20, 30, 40 %), гідромодуля (1:3; 1:5; 1:7) і тривалості самопресування (10, 20, 30 хв) на основні показники якості ферментованого молочно-рослинного білкового концентрату за допомогою повнофакторного експерименту за методом Бокса-Уілсона. Отримані рівняння регресії описують залежність виходу концентрату, активної кислотності, масової частки вологи та вологоутримуючої здатності від варіації цих трьох факторів. Встановлено, що термокислотне осадження з 30 % суспензії при гідромодулі 1:3 і самопресуванні 30 хв забезпечує максимальний вихід білкового згустку – близько 36 %, масову частку вологи 28–41 % та вологоутримуючу здатність до 88 % за рН 5,3–5,8. Удосконалено параметри ферментації з використанням закваски Probat 222: інокуляція на рівні 10 DCU забезпечує зростання чисельності молочнокислих бактерій до 5–6 log КУО/г протягом 4–5 год без надмірного зниження рН (до 4,2–4,3). Доведено доцільність застосування кислотно-сичужної коагуляції з 30 % сироватково-рослинної суспензії за співвідношень «молоко : суспензія» на рівні 4 : 1 і 7 : 3, які забезпечують вихід концентрату 22,8–24,7 %, вологоутримуючу здатність 73,8–76,2 %, однорідну структуру та збалансований смак із легким горіховим ароматом. Досліджено форми зв’язку вологи в молочно-рослинних концентратах методами термічного аналізу (TGA, DTG, DTA). Встановлено, що при кислотно-сичужній коагуляції переважає фізико-хімічно зв’язана волога (інтервал температур 125–176 °C). Це забезпечує підвищену водоутримуючу здатність та термічну стійкість структури, тоді як у термокислотних зразках домінує вільна волога (< 125 °C), що корелює зі збільшеною пластичністю матриці. Реологічні випробування на реометрі Kinexus Pro+ підтвердили псевдопластичну поведінку систем та показали, що ефективна в’язкість концентрату, отриманого кислотно-сичужним способом, становить 70,0 Па•с (на 36,8 % менше за молочно-білковий контроль), тоді як у концентраті, отриманому термокислотним способом, вона дорівнює 22,0 Па•с (у 2,4 рази вище контрольного зразка) при швидкості зсуву γ = 10,15 с⁻¹. Мікроструктурний аналіз світловою мікроскопією продемонстрував утворення щільної каркасної матриці з глобулами діаметром 50–520 мкм, мікропорами 35–90 мкм та жировими включеннями 7,5–11,5 мкм, що обумовлює високу когезію та стійкость до механічних навантажень. Досліджено амінокислотний склад молочно-рослинного концентрату з ядрами плодів Arachis hypogaea та встановлено, що загальний вміст амінокислот у ньому зменшився на 29 %, порівняно з молочно-білковим. Водночас спостерігається підвищення коефіцієнта утилітарності незамінних амінокислот (U) з 0,739 до 0,754, коефіцієнта різниці амінокислотного скору (KРАС) з 0,739 до 0,754 та біологічної цінності (БЦ) з 71,39 % до 73,71 %, що свідчить про більш збалансований амінокислотний профіль завдяки синергетичному доповненню лімітуючих амінокислот метіоніну й цистину. Комплексно оцінено якість ферментованих молочно-рослинних продуктів (сирків глазурованих і сиркової пасти солоної) за органолептичними, фізико-хімічними й мікробіологічними показниками: рН 5,4±0,2; вологоутримуюча здатність 75±3 %; мікрофлора в межах нормативів (молочнокислі бактерії ≥ 10⁶ КУО/г, дріжджі ≤ 25 КУО/г, пліснява ≤ 15 КУО/г; відсутність патогенних мікроорганізмім). Доведено, що за зберігання за 4±2 °C протягом 168 год (7діб) зниження pH у продуктах на основі молочно-рослинного концентрату на 31 % менше, ніж у аналогічних на основі молочно-білкового, а зниження вологоутримуючої здатності – на 6,9 % проти 12,9 %, що забезпечує стабільність показників якості протягом гарантованого терміну зберігання. Удосконалено технологічну схему виробництва ферментованих молочно-рослинних продуктів, включно з попередньою термічною обробкою ядрер плодів Arachis hypogaea, оптимізацією співвідношення компонентів та режимів коагуляції (термокислотної або кислотно-сичужної). Промислова апробація в умовах молокопереробного підприємства ТОВ «Сандора» підтвердила ефективність розроблених режимів, а економічний аналіз засвідчив зниження собівартості білкового концентрату на 3,22 % без додаткових інвестицій. Здобуті результати обґрунтовують впровадження технології як інноваційного рішення для виробництва функціональних ферментованих молочно-рослинних продуктів із підвищеною біологічною цінністю та економічною ефективністю. The dissertation is devoted to the development of technology for fermented dairy and vegetable products based on concentrates obtained by thermoacid or acid-rennet coagulation, and the clarification of technological modes of production of new types of products. The current state and prospects for the development of the range of dairy and vegetable products are investigated, the economic and social factors that justify the feasibility of introducing protein-containing plant materials into the technology of milk protein concentrates are analyzed. The basic requirements for plant raw materials with a high protein content, namely functional, technological and organoleptic parameters, are determined. A comparative analysis of methods of coagulation of proteins of different origin was carried out, which allowed us to adapt classical technological approaches to obtain concentrates by thermoacid or acid-treacle methods with the combined coagulation of milk and plant proteins. Alternative types of vegetable milk and its potential for the production of milk-based combined products have been evaluated. The choice of Arachis hypogaea kernels containing an average of 22 % protein as the main plant protein-containing raw material due to their high biological value and functional characteristics is substantiated. The effective methods of pretreatment of Arachis hypogaea kernels to reduce the allergenic potential, deactivate digestive enzyme inhibitors and improve their physicochemical parameters while maintaining the technological properties of peanut proteins were analyzed. The influence of the duration of pre-soaking of Arachis hypogaea kernels on their organoleptic properties was investigated and it was found that the optimal duration of 480 min (8 h) provides a maximum total score of 98 points in terms of taste, consistency, appearance, and moisture. The choice of whey as a dispersion medium for creating a suspension with processed kernels of Arachis hypogaea was substantiated due to the content of whey proteins, lactose, minerals and vitamins, which increases the biological value and stabilization properties of the suspension. The rational technological parameters for the formation of whey-plant suspension were determined: the ratio was 5 : 1 (whey : peanut kernels), grinding time 4-5 min, at which the mass fraction of solids is 8.4-8.9 %, which corresponds to the standard content for skim milk (8.5-9 %). It has been experimentally confirmed that heating to 70 °C promotes the effective transfer of dry matter from the kernels of Arachis hypogaea kernels to the whey dispersion medium, ensures the deactivation of pathogenic microorganisms and the formation of a stable suspension structure without undesirable protein denaturation. It has been proven that heat treatment of Arachis hypogaea kernels at 120 °C for 30-35 min increases the digestibility of proteins in vitro of the whey-plant suspension, which indicates a significant increase in the concentration of tyrosine in the filtrate. To obtain the concentrate, a mixture of skim milk and whey-plant suspension is used. The influence of the content of whey-plant suspension (20, 30, 40 %), the hydraulic module (1:3; 1:5; 1:7) and the duration of self-pressing (10, 20, 30 min) on the main quality indicators of fermented milk-plant protein concentrate was investigated using a full-factorial experiment by the Box-Wilson method. The obtained regression equations describe the dependence of the concentrate yield, active acidity, mass fraction of moisture, and moisture retention capacity on the variation of these three factors. It was found that the thermoacid deposition from 30 % of the suspension at a hydraulic module of 1:3 and self-pressing for 30 min provides a maximum yield of protein clot of about 36 %, a mass fraction of moisture of 28-41 %, and a moisture retention capacity of up to 88 % at pH 5.3-5.8. The parameters of fermentation using Probat 222 starter were improved: inoculation at the level of 10 DCU ensures an increase in the number of lactic acid bacteria to 5-6 log CFU/g within 4-5 hours without excessive pH reduction (to 4.2-4.3). The expediency of using acid-rennet coagulation with 30 % whey-plant suspension at the ratio of “milk : suspension” at the level of 4 : 1 і 7 : 3, which provide a concentrate yield of 22.8-24.7 %, moisture retention capacity of 73.8-76.2 %, homogeneous structure and balanced taste with a light nutty flavor. The forms of moisture bonding in milk and plant concentrates were studied by thermal analysis (TGA, DTG, DTA). It was found that physicochemically bound moisture (temperature range 125-176 °C) prevails during acid-treacle coagulation. This provides increased water retention capacity and thermal stability of the structure, while free moisture (< 125 °C) dominates in thermoacid samples, which correlates with increased matrix plasticity. Rheological tests on a Kinexus Pro+ rheometer confirmed the pseudoplastic behavior of the systems and showed that the effective viscosity of the concentrate obtained by the acid-treated method was 70.0 Pa-s (36.8 % less than the milk-protein control), while in the concentrate obtained by the thermoacid method it was 22.0 Pa-s (2.4 times higher than the control sample) at a shear rate of γ = 10.15 s-¹. Microstructural analysis by light microscopy demonstrated the formation of a dense framework matrix with globules with a diameter of 50-520 μm, micropores of 35-90 μm, and fat inclusions of 7.5-11.5 μm, which leads to high cohesion and resistance to mechanical stress. The amino acid composition of the milk-plant concentrate with Arachis hypogaea kernels was studied and it was found that the total amino acid content in it decreased by 29 % compared to the milk-protein concentrate. At the same time, there was an increase in the essential amino acid utilization factor (U) from 0.739 to 0.754, the amino acid difference coefficient (ADC) from 0.739 to 0.754, and the biological value (BV) from 71.39 % to 73.71 %, indicating a more balanced amino acid profile due to the synergistic addition of the limiting amino acids methionine and cystine. The quality of fermented dairy-plant products (glazed cheese curds and salted cheese paste) was comprehensively evaluated by organoleptic, physicochemical and microbiological parameters: pH 5.4±0.2; moisture retention capacity 75±3 %; microflora within the standards (lactic acid bacteria ≥ 10⁶ CFU/g, yeast ≤ 25 CFU/g, mold ≤ 15 CFU/g; absence of pathogenic microorganisms). It was proved that when stored at 4 ± 2 °C for 168 h (7 days), the pH decrease in products based on milk- plant concentrate is 31 % less than in those based on milk-protein concentrate, and the decrease in moisture retention capacity is 6.9 % versus 12.9 %, which ensures the stability of quality indicators during the guaranteed shelf life. The technological scheme for the production of fermented milk-plant products was improved, including preliminary heat treatment of Arachis hypogaea kernels, optimization of the ratio of components and coagulation modes (thermoacid or acid-absorption). Industrial testing in the conditions of the dairy processing enterprise Sandora LLC confirmed the effectiveness of the developed modes, and the economic analysis showed a 3.22 % reduction in the cost of protein concentrate without additional investments. The obtained results substantiate the introduction of the technology as an innovative solution for the production of functional fermented dairy and vegetable products with increased biological value and economic efficiency.