Удосконалення технології сметани та продуктів сметанних зі зниженим вмістом жиру - Мандюк, Олена Валентинівна (My University, 2025)
Дисертаційну роботу присвячено удосконаленню технологій сметани і сметанних продуктів з низьким вмістом жиру шляхом застосування функціонально-технологічних інгредієнтів (молочно-білкових і білково-вуглеводних концентратів та полісахаридів), розроблення енергоощадного способу пряження вершків та рецептурного складу нових видів продуктів, а також уточнення технологічних режимів їх виробництва. Науково обґрунтовано вибір білоквмісних інгредієнтів для формування комплексу показників якості сметани і продуктів сметанних. Доведено технологічну доцільність застосування молочно-білкових інгредієнтів у складі сметани з масовою часткою жиру 10%. За комплексом органолептичних і фізико- хімічних показників – кислотністю, ступенем синерезису, мікроструктурою, а також тривалістю сквашування обрано раціональний вміст сухого знежиреного молока (1%), казеїнату натрію (0,5%), казеїнату кальцію (0,75%), концентрату сироваткових білків КСБ-УФ (1,0%) і 40%-вого концентрату гідролізованої сироватки (30%), які забезпечують вміст білка у готовому продукті від 3,0 до 3,4%. Встановлено, що застосування білоквмісних інгредієнтів у визначених раціональних дозах дозволяє стабілізувати титровану та активну кислотність сметани з масовою часткою жиру 10% впродовж 5-ти діб зберігання. За результатами мікроструктурного аналізу зразків сметани з білоквмісними інгредієнтами виявлено найбільш упорядковану матрицю білкового згустку у сметані, що містить 1,0% КСБ-УФ та концентрат гідролізованої сироватки. Саме така структура білкового згустку сприяє найкращому розподілу у ньому вільної вологи та її утримуванню, що супроводжується суттєвим зниженням ступеня синерезису у визначених зразках сметани. За комплексом органолептичних показників, а також вологоутримуючою і структуруючою здатністю визначено найвищий рівень якості сметани, що містить 1% КСБ-УФ та 30% концентрату гідролізованої сироватки. Зважаючи на підвищення вмісту у вершках сироваткових білків за рахунок внесення до їх складу КСБ-УФ та комплексу сироваткових білків і моносахаридів у складі концентрату гідролізованої сироватки, було вивчено можливість інтенсифікації реакції Майяра з метою розроблення нового виду сметани пряженої з оригінальними органолептичними показниками. На основі аналізу середньостатистичних колірних характеристик пряженого молока за критерії забарвлення для пряжених 10%-вих вершків у системі CIE Lab були прийняті такі значення: для координати «a» − від 1,5 до 2,0 од.; для координати «b» − від 11,5 до 13,0 од. Встановлено значне скорочення процесу пряження вершків з молочно-білковими і вуглеводними інгредієнтами: для вершків з концентратом сироваткових білків − не менше 21 хв; для вершків з гідролізованим концентратом сироватки − не менше 28 хв. Прискорення реакції Майяра у вершках з білоквмісними інгредієнтами, порівняно зі стандартною тривалістю пряження для молока впродовж 3-х годин, дозволяє мінімізувати негативний вплив високотемпературного оброблення при 95-98⁰С на фізико-хімічні та в'язкісні характеристики сметани. Результати дослідження показників якості сметани пряженої, збагаченої білком, підтвердили доцільність прийнятих технологічних рішень. Під час розроблення рецептур продуктів сметанних зі зниженим вмістом жиру з метою їх додаткового структурування було доведено суттєву перевагу функціонально-технологічних властивостей гуарової камеді, порівняно з β- глюканом, у кількості 0,5%. Гуарова камедь покращує реологічні характеристики сметани, у тому числі тиксотропну здатність, а також практично повністю перешкоджає синерезису впродовж зберігання. Оптимізовано параметри процесу процесу гомогенізації вершків як обов'язкової технологічної операції у технології сметани. Встановлено, що досягти значень ефективної в'язкості сметани не нижче 80 мПа•с при прямому ході ротаційного вимірювання і градієнті швидкості зсуву 0,1 с⁻¹ в присутності концентрату сироваткових білків і концентрату гідролізованої сироватки можна у широких діапазонах значень тиску (5-25 МПа) і температури (40-80 ⁰С) за рахунок структуруючої здатності білоквмісних інгредієнтів. За додаткового внесення до білоквмісних вершків перед гомогенізацією β-глюкану у кількості 0,5% виявлено аномальне зниження в'язкості сметани, але у разі застосування 0,5% гуарової камеді спостерігається синергістичний структуруючий ефект. Тому режими гомогенізації вершків з β-глюканом значно звужуються до 10-15 МПа за температури 60-70⁰С, а для вершків з гуаровою камеддю можуть бути реалізовані за доволі низької температури в діапазоні 40-80⁰С. За комплексом органолептичних показників і синеретичною здатністю зразки сметани, одержані за оптимальних режимів гомогенізації вершкових сумішей з білковими концентратами, оцінено за високим рівнем якості, що підтверджує дієвість проведеної оптимізації режимів гомогенізації і дозволяє рекомендувати їх до практичного застосування у технології білкової сметани зі зниженим вмістом жиру. Зразки сметани 10%-воїжирності з білковими концентратами і гуаровою камеддю були використані як базові для виробництва продуктів сметанних. За результатами аналізу комплексу показників якості дослідних зразків з варійованим хімічним складом розроблено оригінальну рецептуру сметанного продукту, збагаченого білком, що містить гуарову камедь і куркуму. Уточнено технологічні режими виробництва сметани і сметанних виробів з низьким вмістом жиру. Виявлено особливості процесу сквашування нових видів продуктів з натуральними функціонально-технологічними інгредієнтами. Досліджено нормативні показники якості сметани і сметанних виробів з натуральними інгредієнтами. Соціальний ефект від впровадження удосконалених технологій сметани і сметанних виробів з низьким вмістом жиру полягає в розширенні асортименту ферментованих молочних продуктів підвищеної харчової цінності на основі виключно натуральної сировини. Економічний ефект обумовлений заощадженням сировини тваринного походження і зниженням витрат енергоресурсів за рахунок скорочення тривалості технологічного циклу виробництва. Достовірність отриманих результатів підтверджено використанням сучасних методик і методів досліджень, відповідного обладнання, використанням математичних засобів для опрацювання результатів. Наукові положення та рекомендації підтверджені результатами лабораторних досліджень. Наукову новизну результатів дослідження підтверджено деклараційним патентом на корисну модель. The dissertation is dedicated to the enhancement of technologies for sour cream and sour cream products with low fat content through the application of functional and technological ingredients (whey protein and protein-carbohydrate concentrates, as well as polysaccharides), the development of an energy-saving method for cream heating, the formulation of new product types with natural ingredients, as well as the refinement of technological parameters for their production. The scientific justification for selecting protein-containing ingredients to develop a set of quality indicators for sour cream and sour cream products has been provided. The technological feasibility of using whey protein ingredients in the composition of 10% fat sour cream has been demonstrated. Based on a set of organoleptic and physicochemical indicators (acidity, degree of syneresis, microstructure), as well as fermentation duration, the optimal content of skimmed milk powder (1%), sodium caseinate (0.5%), calcium caseinate (0.75%), whey protein concentrate WPC (1.0%) and hydrolyzed whey concentrate with 40% dry substance content (30%) was determined. These components ensure a protein content in the final product ranging from 3.0% to 3.4%. The application of protein-containing ingredients in the determined rational doses allows to stabilize the titratable and active acidity of 10% fat sour cream during five-day-storage period. The results of microstructural analysis of sour cream samples with proteincontaining ingredients revealed the most ordered protein curd matrix as to cell size and shape in sour cream containing 1.0% WPC. The nearest structure to this sample in terms of structure forming pattern was also sour cream with hydrolyzed whey concentrate. Exactly this protein curd structure supports optimal distribution and retention of free moisture, leading to significant reduction of syneresis level in the determined sour cream samples. According to organoleptic evaluation results, as well as water-holding and structuring capacity, the highest sour cream quality level was detected in sour cream containing 1% WPC and 30% hydrolyzed whey concentrate. Taking into consideration the increased whey protein content in the cream for sour cream production in the composition of WPC and whey protein as well as monosaccharides in the composition of hydrolyzed whey concentrate, the potential for intensifying the Maillard reaction was studied to provide the final product’s with distinctive flavor, aroma, and color. Based on the analysis of the average color characteristics of baked milk, the following CIE Lab system colour criteria were established for 10% clotted cream: “a” – coordinate – from 1.5 to 2.0 units, “b” – coordinate – from 11.5 to 13.0 units. A significant reduction in the cream heating process was determined with whey protein and carbohydrate ingredients: at least 21 minutes for cream with whey protein concentrate and at least 28 minutes for cream with hydrolyzed whey concentrate. The acceleration of the Maillard reaction in cream with proteincontaining ingredients, compared to the standard three-hour milk baking process, allows to minimize the negative impact of high-temperature processing (95-98⁰С) on the physicochemical and viscosity characteristics of sour cream. The results of analysis of protein-enriched baled sour cream indicator quality confirmed the feasibility of the approved technological solutions. During the development of formulations for low-fat sour cream products with the aim of their additional structuring, the functional-technological properties of guar gum were proven to be significantly superior to those of β-glucan at a concentration of 0.5%. Guar gum improves the rheological characteristics of sour cream, including thixotropic ability, and almost entirely prevents syneresis during storage. The parameters of the cream homogenization process as a critical technological step in sour cream technology were optimized. It was established that an effective viscosity value of sour cream not lower than 80 mPa∙s during rotation measurements and at a shear rate gradient of 0.1 s-1 in the presence of whey protein concentrate and hydrolyzed whey concentrate can be achieved over a wide range of pressure (5-25 MPa) and temperature (40-80⁰С) owing to the structuring ability of protein-containing ingredients. When β-glucan was additionally added at 0.5%, an abnormal sour cream viscosity decrease was discovered. With adding of 0.5% guar gum, a synergistic structuring effect was observed. As a result, the homogenization parameters for cream with β-glucan were significantly narrowed to 10-15 MPa and a temperature of 60-70⁰С, while for cream with guar gum, a distinctive low temperature range of 40-80⁰С was viable. Based on a set of organoleptic characteristics and synergy potential of the sour cream samples obtained under the optimized homogenization conditions of cream mixture with protein concentrates, the sour cream samples were rated at high quality level, confirming the effectiveness of the optimization of homogenization conditions that allows to recommend them for practical application in the technology of protein-enriched lowfat sour cream. Sour cream samples with 10% fat content, protein concentrates and guar gum were utilized as the base for the production of sour cream products. According to the analysis results of the set of experimental samples quality indicators with varied chemical compositions, an original formulation for a proteinenriched sour cream product containing guar gum and turmeric was developed. The technological parameters for producing of sour cream and sour cream products wit low-fat concentration were refined. The specifics of the fermentation process for new product types with natural functional-technological ingredients were identified. The regulatory quality indicators of sour cream and sour cream products with natural ingredients were examined. The social impact of implementing enhanced technologies for low-fat sour cream and sour cream products lies in the expansion of the assortment of fermented dairy products with enhanced nutritional value, exclusively based on natural raw materials. The economic effect results from the conservation of animal-derived raw materials and reduced energy consumption due to the shorter technological cycle of production. The reliability of the obtained results is confirmed by the application of modern methodology and research methods, appropriate equipment and mathematical tools for data processing. The scientific principles and recommendations are confirmed by laboratory research results. The scientific novelty of the research findings is substantiated by a utility model patent.
Keywords: продукт сметанний; концентрат сироваткових білків; концентрат гідролізованої сироватки; молочна сироватка; ферментований молочний продукт; вологоутримуюча здатність; реологічні характеристики; титрована кислотність; синерезис; рецептура; органолептичні показники; біологічна та енергетична цінність; sour cream; sour cream product; whey protein concentrate; hydrolyzed whey concentrate; milk whey; fermented milk product; rheological characteristics; water-holding capacity; titratable acidity; syneresis; recipe; organoleptic indicators; biological and energy value; biological and energy value