Обгрунтування параметрів підготовки води для процесів структуроутворення харчових систем - Шпак, Владислав Вячеславович (My University, 2023)
Дисертація присвячена розробленню підходів до застосування електрохімічно активованої води у технологічних процесах виготовлення харчових продуктів з метою покращення структуроутворення в процесі їх виробництва. На основі аналізу основних відомих методів активації води – фізичного, хімічного, біохімічного та електрохімічного та їх застосування в харчовій промисловості, механізмів формування у воді відновних властивостей, встановлено, що завдяки технологічним перевагам, найбільш перспективним є електрохімічний метод активації води, зокрема завдяки можливості корегувати значення рН і окисно–відновного потенціалу, від яких залежить можливість протікання різноманітних хімічних процесів у воді. Підібрано раціональні режими процесу електрохімічної активації води: швидкість витрат води в електролізері 18 л/год, оскільки при такій швидкості обробка води проходить ефективніше, за кінетикою зміни показників окисно– відновного потенціалу та рН води при режимах «жорстка вода» та «м’яка вода» обрано режим «жорстка вода», оскільки властивості такої води притаманні артезіанській питній. Дослідження фізико–хімічних показників активованої води свідчать про те, що рівень загальної жорсткості води корелює з отриманими даними щодо вмісту кальцію і магнію. Аналогічна тенденція спостерігається і відносно вмісту загального заліза, сульфатів, нітритів та хлоридів, а саме зниження їх вмісту після електрохімічної активації води. Вміст заліза в аноліті зменшився на 50 %, а в католіті його не виявлено. Вміст нітритів в католіті та аноліті менший ніж у артезіанській воді на 15 % та 65 % відповідно. Вміст сульфатів у аноліті менший на 33,3 %, а в католіті сульфатів не виявлено. Вміст хлоридів у католіті значно нижчий, ніж у артезіанській воді – на 90,3 %, а в аноліті – на 11,4 %. Це пояснюється тим, що неорганічні сполуки, включаючи токсичні (нітрити і сульфати), піддаються катодній та анодній окисній деструкції, сильні неорганічні окислювачі (у т. ч. хлор) інактивуються під час реакцій. Визначення електропровідності як міри електролітичних властивостей зразків води показало, що у католіті значення вище на 19,1 % за контроль, у аноліті – нижче на 17,0 %. Ці дані корелюють зі значеннями жорсткості: у нефільтрованому католіті як жорсткість так і електропровідність вища за контроль. Це пояснюється наявністю іонів солей Ca2+ та Mg2+, які володіють здатністю проводити електричний струм. Відповідно оскільки у аноліті вміст іонів солей Ca2+ та Mg2+ нижчий, ніж в контролі, його електропровідність також нижча. Встановлено покращення функціонально–технологічних властивостей суспензій кукурудзяного крохмалю з додаванням електрохімічно активованої води: при додаванні католіту водопоглинальна здатність та вологоутримувальна здатність крохмалю знижується на 26 % та 10 %, а при додання аноліту – підвищується на 18 % та 36 %. Крохмаль в більшій мірі проявляє здатність поглинати воду в кислому середовищі аноліту, ніж у лужному католіту. Кукурудзяний крохмаль згідно досліджень методом скануючої електронної мікроскопії має пластинчасті великі та округлі дрібні зерна, з пористою поверхнею у вигляді гранул різновидної форми. Розподіл частинок за розміром (методом лазерного дифракції) становить: D10=102,0 мкм, D50=270,0 мкм, та D90=1364 мкм. Доведено покращення реологічних характеристик крохмальних суспензій, а саме підвищення міцності гелю. Зі збільшенням швидкості зсуву в усьому діапазоні 0,1 – 100 с–1 меншу напругу зсуву мали зразки при температурі клейстеризації причому напруга зсуву збільшувалась лінійно. При нульовій швидкості зсуву початкова в’язкість зсуву суспензій і при 25 °C і при 68 °C на католіті та аноліті вища за контрольний зразок. При збільшенні швидкості зсуву вище 50 с–1 усі зразки набувають практично однакової в’язкості зсуву. Показник кутової швидкості збільшувався лінійно при зміні напруження зсуву. Аналіз кривих течії свідчить про міцність структурних зв’язків у крохмальних системах з активованою водою. Модуль зберігання і модуль втрат усіх зразків крохмальних суспензій збільшувався зі збільшенням частоти розгортки, при цьому значення модуля зсуву контрольного зразка значно нижче, ніж на аноліті та католіті в усьому діапазоні частот та температур. В’язко–пружні властивості залежно від зміни комплексної деформації зсуву мали кращі показники для зразків на католіті та аноліті порівняно з контролем. Встановлено підвищення функціонально–технологічних характеристик паштетів м’ясних з крохмальною суспензією на активованій воді. Вологозв’язуюча здатність паштетів м’ясних на активованій воді (католіті та аноліті) по відношенню до маси наважки (ВЗЗм) зросла відповідно на 32,39 % та 2,41 % до пастеризації у порівнянні з контролем та на 33,05 % та 1,71 % після пастеризації відповідно. При цьому зразки паштетів м’ясних на аноліті досягають максимального значення ВЗЗм – 100 % як до пастеризації, так і після. До пастеризації паштетів м’ясних активована вода не чинить вплив на їхню кислотність. В процесі зберігання у м’ясних паштетах відбувається підвищення концентрації (Н+) іонів, та виникає зсув pH в кислу сторону. Доведено, що активована вода в процесі термообробки фаршу паштетів м’ясних впливає на процес модифікації білкових та вуглеводних структур м’ясних паштетів, тим самим покращуючи їхні реологічні характеристики, порівняно з м’ясними паштетами з артезіанською водою. Значення напруження зсуву зразків (контролю, на католіті та аноліті) в діапазоні швидкості зсуву 0–8 с–1 різко збільшуються, після чого залежності змінюють свій характер. Католіт меншою мірою впливає на зміну напруження зсуву. Зразки паштетів м’ясних з 2 % суспензією кукурудзяного крохмалю значно раніше набувають стабільної в’язкості при швидкості зсуву 5 с–1. Модуль зберігання і модуль втрат зразків з 2 % суспензією кукурудзяного кукурудзяного крохмалю на активованій воді, а також дотична втрат свідчать, що з такими суспензіями м’ясні паштети будуть мати кращу структуру та міцність гелю. Встановлено, що зразки паштетів м’ясних на активованій воді під дією деформації зберігають структуру більш цілісною. Залежності зміни напруження зсуву від часу релаксації паштетів м’ясних показали, що на характер кривих більшою мірою впливає використовувана вода, ніж кількість суспензії кукурудзяного крохмалю. Незалежно від дозування крохмальної суспензії значення напруження зсуву зразків на аноліті в часовому діапазоні 0 – 300 с значно вищі за показники зразків на католіті та артезіанській воді. На кінцевому етапі напруження зсуву зразка на аноліті з суспензією з 2 % кукурудзяного крохмалю практично досягає нульового значення. Це свідчить про здатність паштетних мас менше піддаватись зовнішньому впливу деформації та зберігати структуру більш цілісною. Дослідження на дериватографі вільної та зв’язаної води у м’ясних паштетах показали, що ендоефект зразків на аноліті спостерігається при температурі нижче, ніж для зразка на католіті та особливо контролю, що дозволяє знизити базову температуру пастеризації м’ясного паштету у випадку застосування активованої води, а особливо аноліту. Швидкість процесу руйнування текстури паштетів м’ясних з крохмальною суспензією на артезіанській воді (контроль) істотно вище, ніж для зразків на активованій воді. Термостабільнішими є зразки паштетів м’ясних на активованій воді. Доведено позитивний вплив активованої води на структуру та інші органолептичні показники м’ясних паштетів, оскільки за результатами дегустації найкращими виявились зразок, приготований з 2 % кукурудзяного крохмалю в суспензії на католіті – 4,60 балів та зразок з 2 % кукурудзяного крохмалю в суспензії на аноліті 4,57. Ці рецептури виявились кращими, ніж відповідний контроль, який отримав 4,43 бала. Із врахуванням результатів виконаних наукових досліджень розроблено технічні умови (ТУ У 10.1–02070938–313:2023) та технологічні інструкції (ТІ ТУ У 10.1–02070938–313:2023) «Паштети м’ясні з крохмальними суспензіями на активованій воді» які затверджено в установленому порядку. Проведено промислову апробацію результатів роботи на підприємстві ТОВ «БОРИСФЕН–ТРЕЙД». Based on the analysis of the main known methods of water activation – physical, chemical, biochemical and electrochemical and their application in the food industry, the mechanisms of the formation of regenerative properties in water, it was established that due to technological advantages, the electrochemical method of water activation is the most promising, in particular due to the ability to adjust the pH value and redox potential (RP), on which the possibility of various chemical processes in water depends. Rational modes of the process of electrochemical activation of water were selected: the rate of water consumption in the electrolyzer was 18 l/h, because at such a rate water treatment was more efficient, based on the kinetics of changes in RP and pH of water in the "hard water" and "soft water" modes, the selected mode was "hard water", since the properties of such water are characteristic of artesian drinking water. Studies of the physical and chemical indicators of water indicated that the level of general hardness of water correlates with the obtained data on the content of calcium and magnesium. A similar trend was observed in relation to the content of total iron, sulfates, nitrites, and chlorides, namely, a decrease in their content after electrochemical activation of water. The content of iron in the anolyte decreased by 50 %, but it was not detected in the catholyte. The nitrite content in catholyte and anolyte was lower than in artesian water by 15 % and 65 %, respectively. The content of sulfates in the anolyte was lower by 33.3 %, and no sulfates were detected in the catholyte. Chloride content in catholyte was significantly lower than in artesian water – by 90.3 %, and in anolyte – by 11.4 %. This is explained by the fact that inorganic compounds, including toxic ones (nitrites and sulfates), undergo cathodic and anodic oxidative destruction, strong inorganic oxidants (including chlorine) are inactivated during reactions. Determination of electrical conductivity as a measure of the electrolytic properties of water samples showed that in the catholyte the value was 19.1 % higher than the control, in the anolyte it was lower by 17.0 %. These data correlated with hardness values: in the unfiltered catholyte, both hardness and electrical conductivity were higher than the control. This is explained by the presence of Ca2+ and Mg2+ salt ions, which have the ability to conduct an electric current. Accordingly, since the content of ions of Ca2+ and Mg2+ salts in the anolyte was lower than in the control, its electrical conductivity was also lower. An improvement in the functional and technological properties of corn starch was established when activated water was added: when catholyte was added, the water–absorbing capacity and moisture–holding capacity of starch decreased by 26% and 10%, and when anolyte was added, they increased by 18% and 36%. Starch was more able to absorb water in an acidic medium anolyte than in an alkaline one catholite. According to scanning electron microscopy studies, corn starch had lamellar large and rounded small grains with a porous surface in the form of granules of various shapes. Particle size distribution (by laser testing method) was: D10=102.0 μm, D50=270.0 μm, and D90=1364 μm. The improvement of the rheological characteristics of starch suspensions, namely the increase of gel strength, was proven. With an increase in the shear rate in the entire range of 0.1 – 100 s–1, the samples at the gelatinization temperature had a lower shear stress, and the shear stress increased linearly. At zero shear rate, the initial shear viscosity of suspensions at 25 °C and at 68 °C on the catholyte and anolyte was higher than the control sample. When the shear rate increased above 50 s–1, all samples acquired almost the same shear viscosity. The angular velocity index increased linearly with a change in shear stress. Analysis of flow curves indicated the strength of structural bonds in starch systems with activated water. The storage modulus and loss modulus of all samples of starch suspensions increased with increasing scanning frequency, while the value of the shear modulus of the control sample was significantly lower than that with the anolyte and catholyte in the entire range of frequencies and temperatures. Viscoelastic properties depending on the change in complex shear strain had better indicators for samples on catholyte and anolyte compared to the control. Improvement of the functional characteristics of meat pates with starch suspension on activated water, especially anolyte, was established. The moisture– binding capacity of meat pâtés on activated water (cathoyte and anolyte) in relation to the weight of the test sample (MBCs) increased by 32.39 % and 2.41 % before pasteurization, compared to the control and by 33.05 % and 1,71 % after pasteurization. At the same time, the samples on the anolyte reach the maximum value of MBCs – 100 % both before and after pasteurization. Prior to pasteurization of meat pates, activated water did not affect their acidity. In the process of storage, the concentration of (H+) ions in meat pates increased, and the pH shifted to the acidic medium. It was proven that activated water in the process of heat treatment of raw meat pates affected the process of modifying the protein and carbohydrate structures of meat pates, thereby improving their rheological characteristics, in particular, contributing to a much earlier achievement of stable viscosity, compared to meat pates with artesian water. The shear stress values of all samples (control, on catholyte and anolyte) in the range of shear rate – 0–8 s–1 increased sharply, after which the curves changed their character. The catholyte had a smaller effect on the change in shear stress. Samples of meat pates with 2% dosage of starch in suspension acquired a stable viscosity much earlier – at a shear rate of 5 s–1. The storage modulus and loss modulus of samples with 2 % starch in suspension on activated water, as well as the loss tangent, indicated that with such suspensions, meat pates will acquire the properties of a stronger gel and be better structured. It was established that the samples of meat pates with activated water kept the structure more intact under the influence of deformation. After all, the dependences of the change in shear stress on the relaxation time of meat pates showed that the nature of the curves was more influenced by the used water than the amount of starch suspension. Regardless of the dosage of the starch suspension, the shear stress values of the samples on the anolyte in the time range 0 – 300 s were significantly higher than the values of the samples on the catholyte and artesian water. At the final stage, the shear stress of the sample on the anolyte with 2% starch in suspension practically reached zero. This testifies to the ability of this sample, having acquired the necessary structure, to be less exposed to the external influence of deformation and to keep the structure more intact. Studies of free and bound water in meat pates on the derivatograph showed that the endoeffect of the samples on the anolyte was observed at a temperature lower than that of the sample on the catholyte and especially the control, which allows lowering the base temperature of pasteurization of the meat pate in the case of using activated water , and especially anolyte. The rate of decomposition of meat pates with starch suspension with artesian water (control) was significantly higher than for samples with activated water. Samples of meat pates on activated water were more thermally stable. The positive influence of activated water on the structure and other sensory indicators of meat pates was proven, since according to the results of the tasting, the sample prepared with 2 % starch in suspension on catholyte was the best – 4.60 points and the sample with 2 % starch in suspension on anolyte – 4.57. These formulations were found to be better than the corresponding control, which received 4.43 points. Taking into account the results of the performed scientific studies, the technical conditions (TU U 10.1–02070938–313:2023) and technological instructions (TI TU U 10.1–02070938–313:2023) "Meat pates with starch suspensions on activated water" were developed and approved in the established order. The industrial approval of the work results was carried out at the enterprise "BORYSFEN–TRADE" LLC.
Keywords: аноліт; католіт; кукурудзяний крохмаль; крохмальна суспензія; паштет м’ясний; структуроутворення; структуроутворення; anolyte; catholyte; corn starch; starch suspension; meat pate; structure formation; structure formation