Розроблення технології морозива ацидофільно-сироваткового низьколактозного - Михалевич, Артур Петрович (My University, 2025)
Дисертаційну працю присвячено розробленню технології морозива ацидофільно-сироваткового низьколактозного на основі рідкого гідролізованого концентрату демінералізованої сироватки з натуральними функціонально- технологічними інгредієнтами. Досліджено особливості процесу гідролізу лактози у рідких концентратах демінералізованої сироватки. Встановлено, що застосування ферментного препарату GODO-YNL2 для рідких концентратів сироватки не дозволяє досягти ступеня гідролізу лактози вище ніж 75–77% протягом 10 год. Одночасне застосування ферментного GODO-YNL2 та заквашувального «L. Acidophilus LYO 50 DCU-S» препаратів протягом 6 год забезпечує конверсію понад 95% лактози для концентратів з масовою часткою сухих речовин 10–30% та понад 90% для 40%-го концентрату. Раціональною тривалістю гідролізу лактози у концентратах демінералізованої сироватки за комбінації препаратів є 6 год для концентратів 10% та 20% та 8 год для концентратів 30% та 40%, що забезпечує гідроліз лактози на рівні 96,8–100%. Реологічні властивості концентратів з масовою часткою сухих речовин 30% та 40% вказують на те, що ці системи володіють високою здатністю до відновлення структури. Виявлено, що динаміка утворення моносахаридів під час гідролізу є подібною для концентратів 10% та 20%, де у системах незначно переважає галактоза по відношенню до глюкози. Однак, у ферментованих 30% та 40%-х концентратах відбувається переважання вмісту глюкози над галактозою, що вказує на пригнічення активності ацидофільної палички в умовах підвищеного осмотичного тиску. Оптимізовано ступінь заміни цукру в морозиві на сухі речовини рідкого концентрату демінералізованої сироватки 40%. Зниження потреби у цукрі в морозиві з негідролізованим концентратом сироватки у перерахунку на його загальний вміст може досягати 29%, а з гідролізованим концентратом − до 42%. У складі зразків морозива сироваткового базового складу, збагачених білковими ізолятами та концентратами, найвищу піноутворюючу здатність виявляє ізолят сироваткових білків. У складі сумішей морозива на основі негідролізованого концентрату сироватки вміст ізоляту сироваткових білків на рівні 3% забезпечує найвищі показники пінозбитості (172,5–225,0%) та піностійкості (47,7–52,4 хв). За його вмісту на рівні 3–5% у складі сумішей на основі гідролізованого концентрату пінозбитість становила 221,5–246,7%, а піностійкість – 59,3–61,9 хв. За впливом на в’язко-швидкісні характеристики сумішей морозива ізолят сироваткового білка забезпечує отримання харчових систем з вираженою здатністю до самочинного відновлення практично зруйнованої структури. Для морозива з негідролізованим концентратом сироватки раціональним вмістом білкової добавки є 3%, а для морозива з гідролізованим концентратом – 3–5%. Ізолят сироваткових білків значно впливає на характеристики кольоровості морозива. В процесі зберігання ступінь забарвлення у зелений та жовтий кольори зростає для всіх зразків. Інтенсивність та чистота кольору (С*) збільшується для морозива з гідролізованим концентратом. Масова частка ізоляту на рівні 3% забезпечує більшу стабільність до збереження чистоти та інтенсивності кольору морозива. Значення відтінку (h°) за позицією у спектрі дає змогу встановити, що модельні зразки морозива знаходяться між жовтим та зеленим кольорами із переважанням у бік першого, що піддається кореляції за показниками а* та b*. Ізолят сироваткових білків суттєво інтенсифікує процес виморожування вільної води у морозиві за температурного діапазону від кріоскопічної температури до –10°С, що забезпечує виморожування до 70,5–71,2% води у зразках з негідролізованим концентратом та до 72,9–76,1% у зразках з гідролізованим концентратом. Поєднання ізоляту сироваткових білків (3%) та гідролізованого концентрату сироватки сприяє утворенню структури з підвищеною водоутримувальною здатністю, що призводить до формування більш однорідної кристалічної структури. Аналіз мікроструктури підтверджує доцільність застосування 3% ізоляту сироваткових білків у складі морозива, шо забезпечує рівномірний розподіл бульбашок повітря та сприяє отриманню продукту з високим показником збитості. Для покращання ступеня дисперсності повітряної фази та стійкості структури морозива з низьким вмістом СЗМЗ додатково вивчено функціонально- технологічні властивості β-глюканів як натуральних замінників стабілізаторів структури. Встановлено суттєвий вплив β-глюканів на реологічні та фізико- хімічні характеристики морозива сироваткового. β-глюкан з вівса (0,25–0,5%) найбільше впливає на зниження кріоскопічної температури та підвищення збитості та опору до танення. β-глюкан з дріжджів (0,25–0,5%) призводить до підвищення температури замерзання водної фази продукту, що супроводжується зниженням стійкості до плавлення після одного тижня зберігання порівняно зі стабілізаційною системою Cremodan SI 320. Дріжджовий β-глюкан підвищує точку замерзання та забезпечує дещо нижчі значення збитості та опору таненню, ніж вівсяний β-глюкан. Дослідження процесу рекристалізації вільної води у зразках морозива показало, що β-глюкани чинять суттєвий вплив на структурні властивості модельних систем. Комерційна система стабілізації Cremodan SI 320 підтримує розмір кристалів льоду на рівні 20,50±0,77 мкм протягом одного тижня, тоді як контрольний зразок без стабілізаторів мав діаметр кристалів на рівні 25,01±1,06 мкм. β-глюкан з вівса (0,25–0,5%) демонстрував тенденцію до збільшення кристалів льоду при зберіганні морозива до одного місяця з 16,31±0,15 мкм до 20,01±0,72 мкм. У зразку, що містив 0,25% дріжджового β-глюкану, було зафіксовано утворення найдрібніших кристалів льоду (8,49±0,37 мкм у перший день) і подальше мінімальне зростання до 9,52±0,16 мкм через один місяць. Середній діаметр повітряних бульбашок на перший день зберігання був найменшим у контрольному зразку (6,60 мкм). У зразках з β-глюканом дріжджів та вівса він становив 8,56 мкм та 11,51 мкм відповідно. Через 1 місяць у всіх зразках спостерігалося збільшення розміру повітряних бульбашок, зокрема найбільший діаметр бульбашок був саме у контрольному зразку (14,92 мкм). Це свідчать про те, що β-глюкани стабілізують повітряну фазу більш ефективно протягом тривалого часу, на відміну від зразку з комерційною стабілізаційною системою. β-глюкани загалом пом'якшують консистенцію морозиво, однак вівсяний β- глюкан значно покращує еластичні властивості морозива, що позитивно впливає на структуру продукту. Застосування вівсяного та дріжджового β-глюкану у складі морозива покращує кремоподібність та липкість, а також дозволяє уникнути застосування стабілізаційних систем, що місять хімічно модифіковані сполуки. Обгрунтовано рецептурний склад морозива ацидофільно-сироваткового на основі гідролізованого концентрату сироватки з масовою часткою сухих речовини 40% у поєднанні з ізолятом соєвих білків, β-глюканами різного походження та харчосмаковими наповнювачами. Уточнено тривалість визрівання сумішей морозива та встановлено, що даний етап може бути виключений за рахунок задовільного структурування сумішей після охолодження, що не знижує показників якості готового продукту. Досліджено біологічну цінність морозива ацидофільно-сироваткового низьколактозного та встановлено, що відбувається її збільшення від 70,47% до 80,29% при виробництві морозива на основі гідролізованого концентрату сироватки. Подальше введення 3% ізоляту сироваткових білків підвищує біологічну цінність до 82,66%. Представлено хімічний склад, енергетичну цінність та показники якості для розроблених видів морозива. Проведено органолептичну оцінку готового продукту модифікованим дескрипторним методом та досліджено його мікробіологічні показники під час зберігання. Встановлено, що морозиво ацидофільно-сироваткове низьколактозне за мікробіологічними показниками відповідає законодавчим вимогам протягом гарантованого терміну зберігання до 12-ти місяців. Соціальний результат від впровадження нової технології морозива ацидофільно-сироваткового низьколактозного полягає в отриманні продукту, що задовольняє вимоги людей з інтолерантністю до лактози, а також у розширенні існуючого асортименту морозива та заморожених десертів за рахунок виробництва продукту підвищеної харчової цінності, зокрема за рахунок підвищеного вмісту білка. Достовірність отриманих результатів наукової роботи підтверджується застосуванням сучасних методів дослідження та опрацювання отриманих даних, використанням спеціалізованого лабораторного та напівпромислового обладнання. Наукові дані отримано у навчальних та науково-дослідних лабораторіях університетів України та Польщі. The PhD thesis is devoted to the development of the technology of acidophilic- whey low-lactose ice cream based on liquid hydrolyzed concentrate of demineralized whey with natural functional and technological ingredients. The study investigated the process of lactose hydrolysis in liquid whey concentrates and established that the enzyme preparation GODO-YNL2 does not allow for higher degrees of lactose hydrolysis than 75–77% within 10 h. Concurrent utilization of the enzyme GODO-YNL2 and the fermentation preparation "L. acidophilus LYO 50 DCU-S" for a duration of 6 h has been shown to result in the conversion of more than 95% of lactose for concentrates with a solids content of 10–30%, and over 90% for concentrates with a solids content of 40%. The rational duration of lactose hydrolysis in demineralized whey concentrates with the combination of preparations is 6 h for concentrates of 10% and 20% and 8 h for concentrates of 30% and 40%, which ensures lactose hydrolysis at the level of 96.8–100%. Furthermore, the rheological properties of concentrates with a solids content of 30% and 40% indicate that these systems possess a high degree of structural restoration capability. The findings revealed that the dynamics of monosaccharide formation during hydrolysis are analogous for 10% and 20% concentrates, with galactose exhibiting a slight predominance over glucose within the systems. However, in the fermented 30% and 40% concentrates, glucose predominates over galactose, indicating the inhibition of acidophilus activity under conditions of elevated osmotic pressure. The study identified that the replacement level of sugar in ice cream with the solids of liquid whey demineralized concentrate 40% can be optimized. The reduction in sugar consumption in ice cream with non-hydrolyzed whey concentrate can reach 29% of its total content, and with hydrolyzed whey concentrate, up to 42%. In the composition of whey-based ice cream samples enriched with protein isolates and concentrates, whey protein isolate demonstrated the highest foaming ability. In ice cream mixtures based on non-hydrolyzed whey concentrate, the content of whey protein isolate at 3% provided the highest indicators of foam overrun (172.5–225.0%) and foam resistance (47.7–52.4 min). Furthermore, when incorporated into mixtures based on hydrolyzed concentrate at concentrations ranging from 3–5%, the whey protein isolate exhibited a foaming overrun of 221.5–246.7% and a foam resistance of 59.3–61.9 min. In regard to its impact on the viscosity-velocity characteristics of ice cream mixtures, whey protein isolate confers upon food systems a notable capacity for spontaneous restoration of a nearly compromised structure. For ice cream containing non-hydrolyzed whey concentrate, the rational protein additive content is set at 3%, while for ice cream with hydrolyzed whey concentrate, the range extends from 3% to 5%.Whey protein isolate exerts a substantial influence on the color characteristics of ice cream. During storage, a general increase in green and yellow coloration is observed for all samples. However, for ice cream with hydrolyzed concentrate, there is a notable enhancement in the intensity and purity of the color (C*). It is evident that the incorporation of 3% of the isolate results in a more pronounced stability in maintaining the purity and color intensity of the ice cream. The hue value (h°) at the position in the spectrum indicates that the model ice cream samples are between yellow and green, with a predominance towards the former, which can be correlated with the a* and b* indicators. Whey protein isolate has been shown to significantly intensify the process of freezing free water in ice cream across a temperature range from cryoscopic temperature to –10°C. This ensures freezing of 70.5–71.2% of water in samples with non-hydrolyzed concentrate and up to 72.9–76.1% in samples with hydrolyzed concentrate. The combination of whey protein isolate (3%) and hydrolyzed whey concentrate has been demonstrated to promote the formation of a structure with increased water retention capacity, which in turn leads to the formation of a more homogeneous crystal structure. The microstructure analysis confirms the feasibility of using 3% whey protein isolate in ice cream, thereby ensuring uniform distribution of air bubbles and contributing to a product with a high overrun value. To enhance the dispersion of the air phase and the structural stability of ice cream with a minimal content of MSNF, the functional and technological properties of β-glucans as natural alternatives to structure stabilizers were further investigated. A substantial impact of β-glucans on the rheological and physicochemical characteristics of whey ice cream was observed. The study revealed that β-glucan from oats (0.25–0.5%) exhibited the most pronounced effect on reducing the cryoscopic temperature and enhancing whipping and melting resistance. In contrast, β-glucan from yeast (0.25–0.5%) led to an increase in the freezing point of the aqueous phase of the product, accompanied by a decrease in melting resistance after one week of storage when compared to the stabilization system Cremodan SI 320. It is noteworthy that yeast β-glucan increases the freezing point while providing slightly lower values of whipping and melting resistance compared to oat β-glucan. The study of the process of free water recrystallization in ice cream samples demonstrated that β-glucans have a significant effect on the structural properties of the model systems.The commercial stabilization system Cremodan SI 320 maintained the size of ice crystals at 20.50±0.77 μm for one week, while the control sample without stabilizers had a crystal diameter of 25.01±1.06 μm. The addition of β-glucan from oats at concentrations ranging from 0.25% to 0.5% during the storage of ice cream for up to one month resulted in an increase in ice crystal size, from an initial average of 16.31±0.15 μm to 20.01±0.72 μm. In the sample containing 0.25% yeast β-glucan, the formation of the smallest ice crystals was recorded (8.49±0.37 µm on the first day) and further minimal growth to 9.52±0.16 µm after one month.The average diameter of air bubbles on the first day of storage was the smallest in the control sample (6.60 µm). In the samples containing yeast and oat β-glucan, the average diameter was recorded at 8.56 μm and 11.51 μm, respectively. After one month, a substantial increase in the size of air bubbles was observed in all samples, with the largest bubble diameter being recorded in the control sample (14.92 μm). This finding suggests that β-glucans exhibit superior stability in the air phase over a prolonged duration, in contrast to the sample containing a commercial stabilization system. The addition of β-glucans has been demonstrated to soften the consistency of ice cream. However, oat β-glucan has been shown to enhance the elastic properties of ice cream, which has a positive effect on the product structure. The incorporation of oat and yeast β-glucan in ice cream has been shown to improve creaminess and stickiness, while eliminating the need for stabilizing systems containing chemically modified compounds. The formulation composition of acidophilus whey ice cream, based on hydrolyzed whey concentrate with a mass fraction of solids of 40%, in combination with soy protein isolate, β-glucans of various origins, and flavoring fillers, was substantiated. The duration of maturation of ice cream mixtures was clarified, and it was found that this stage can be eliminated due to satisfactory structuring of the mixtures after cooling, which does not reduce the quality of the finished product. The investigation of the biological value of acidophilic-whey low-lactose ice cream revealed an increase from 70.47% to 80.29% in the production of ice cream based on hydrolyzed whey concentrate. The incorporation of 3% whey protein isolate further augmented the biological value to 82.66%. The chemical composition, energy value, and quality indicators for the developed ice cream types are presented in this study. The sensory evaluation of the finished product by the modified descriptor method was carried out, and its microbiological parameters during storage were investigated. The results indicate that the acidophilic- whey low-lactose ice cream meets the microbiological requirements of the legislation during the guaranteed shelf life of up to 12 months. The social implications of the introduction of this new technology are twofold: first, the production of a product that meets the requirements of individuals with lactose intolerance, and second, the expansion of the existing range of ice cream and frozen desserts by producing a product with increased nutritional value, particularly due to its high protein content. The reliability of the research findings is substantiated by employing contemporary research methodologies and data processing techniques, along with the utilization of specialized laboratory and semi-industrial equipment. The scientific data were collected in educational and research laboratories of universities in Ukraine and Poland.
Keywords: сироватка; протеїни молочної сироватки; суха сироватка демінералізована; білок; ізолят сироваткових білків; заквашувальні культури; ферментація; гідроліз лактози; β-глюкан; реологічні показники; тиксотропність; органолептичні показники; фізико-хімічні показники; ice cream; milk whey proteins; demineralized whey powder; protein; whey protein isolate; starter cultures; fermentation; physicochemical and microbiological parameters; lactose hydrolysis; lactose hydrolysis; β- glucan; structural properties; rheological parameters; thixotropy; organoleptic parameters; organoleptic parameters