Методологические подходы к интегральной оценке качества пищевых продуктов при различных технологических способах воздействия

Красуля О.Н., д.т.н., проф., Сарбашев К.А. аспирант, Казакова Е.В. к.с.-х.н. доцент, Канина К.А. аспирант, Агаркова А.А. магистрант.

РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва, Россия

Аннотация

   В статье рассматривается методологический подход к интегральной оценке качества пищевых продуктов при различных технологических способах воздействия, в частности, при использовании высокочастотной акустической кавитации в технологии адыгейского сыра. Обоснован интегральный критерий оценки качества, который представляет собой реологическую характеристику – «глубина релаксации», а также диаграмму определения структурно-механического типа, которые объединяют показатели органолептических и реологических свойств продукта, что позволяет сделать объективный вывод о целесообразности (эффективности) выбранных способов воздействия, позволяющих интенсифицировать технологический процесс производства пищевого продукта.

Ключевые слова: Интегральная оценка, качество, пищевой продукт, реологические характеристики, Структурометр СТ-2, кавитационное воздействие, сыр адыгейский.

Введение

     В настоящее время молочные продукты производят с применением различных инновационных технологий: применяют новые технико-технологические способы воздействия, осуществляют адаптивное управление качеством молочных продуктов с применением пищевых добавок направленного действия, проектируют продукты заданного состава с применением математического моделирования и комплекса программ для ЭВМ.

     Существующие отечественные и зарубежные стандарты, регламентирующие требования к качеству продуктов, базируются на его физико-химических и органолептических показателях.

     Например, нормирующие документы CODEX STAN 283-1978 «Кодекс Алиментариус. Общий стандарт для сыров» и ГОСТ Р 52686-2006 «Сыры. Общие технические условия» содержат требования к готовому продукту по органолептическим и физико-химическим показателям, при этом реологические свойства сыров не регламентируются [1, 2].

     Однако известно, что реологические характеристики пищевых продуктов зависят от технологических свойств сырья, рецептуры изделий, а также от температуры, интенсивности и продолжительности механического и теплового воздействия на структурные компоненты при протекании различных технологических операций.

     Для управления качеством пищевых продуктов необходима формализация отдельных технологических операций процесса производства, которая должна осуществляться на основе применения интегральных характеристик объекта управления, которыми и являются реологические свойства [3].

     Широкий диапазон реологического поведения пищевых продуктов требует использования различных инструментальных методов исследования, позволяющих оперативно получать информацию для адаптивного управления качеством.

     Интегральная характеристика, как правило, представляет собой функцию от всего множества базисных переменных состояния полуфабриката или готовой продукции. Физический смысл интегральности заключается в том, что такая характеристика является реакцией системы, в формировании которой участвовали все ее составные части. К таким интегральным характеристикам, отражающим состояние полуфабрикатов на качественном уровне для большинства технологических операций, если не для всех, можно отнести реологические параметры [4].

     Черных В.Я. и др. [5] предложили при оценке качества пищевых продуктов интегральный органолептический показатель – текстура, включающий в себя параметры реологического поведения изделия, которые определяются сенсорными органами человека.

     Определение реологических характеристик – показателей текстуры сырья, полуфабрикатов и готовых изделий – необходимо осуществлять с использованием инструментальных методов контроля, позволяющих повысить оперативность и объективность оценки формализовать процесс управления реологическим поведением полуфабрикатов на различных стадиях процесса производства, а в конечном итоге стабилизировать качество вырабатываемого пищевого продукта [6].

     В стандарте ISO, группы 67.100.30 «Сыр, включая творог, сывороточный сыр» – ISO/TS17996 [7] предложено использовать деформационные характеристики сыра при пенетрации его цилиндрическим индентором.

     Комплексный подход к оценке реологических свойств предложен Хавровым Я.В. в работе [8]. Используется оценка группы реологических показателей, для чего автором предлагается пересчетный коэффициент.

     Интересный подход к контролю качества сыра предложен Майоровым А.А. и др. [9]. Результаты функционально-параметрического анализа, выполненного авторами, показали, что контроль качества сыра целесообразнее осуществлять  непосредственно в процессе образования сырного сгустка, т.е. выполнять не дискретное, а непрерывное измерение показателя вязкости полуфабриката. Для реализации предложенного метода авторами предлагается использование автоматических систем контроля.

     Учитывая выше изложенное, целью настоящей работы явилось формирование методологии оценки качества пищевых сред при различных способах воздействия.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования явилась технология адыгейского сыра с использованием в качестве способа воздействия высокочастотной акустической кавитации.

Молочный продукт вырабатывали по рецептуре адыгейского сыра, согласно ГОСТ Р 53379-2009[10].

Для сравнения использовали сыр адыгейский, реализуемый в розничной сети г. Москвы.

     Технология производства Адыгейского сыра базируется на процессе термокислотной коагуляции, что обеспечивает более полный переход сывороточных белков в молочный продукт. Адыгейский сыр вырабатывали из нормализованного по массовой доли жира молока, пастеризованного при температуре 93-95°С, при этом кислотность молока не должна превышать 20°Т. Для свертывания молока вносили 8-10% сыворотки от его объема (в зависимости от ее кислотности, рекомендуемый показатель кислотности сыворотки – 95-150°Т). Образовавшийся сгусток выдерживали 5 минут при температуре 93-95°С, затем его формовали и направляли на самопрессование. При самопрессовании в течение 10-15 минут сыр переворачивали, встряхивая форму. После самопрессования применили сухой посол. Сыр в форме выдерживали 16-18 часов в камерах с температурой 8-10°С. Для лучшего просаливания и обсушки сыр в это время переворачивали 2 раза [11].

     При выработке Адыгейского сыра соотношение рецептурных компонентов - молока и творожной сыворотки - для обеспечения коагуляционного процесса и формирования сырного зерна, составляло 90:10 (контроль) и 90:4,3 (опыт, в котором молоко подвергалось высокочастотной акустической кавитационной обработке при частоте 45 кГц и времени воздействия 30 минут с применением прибора «УЗО-Активатор-150» (ООО «Прозводственно-коммерческая фирма «Авангард»»)) (рис.1).

Рисунок 1. Прибор «УЗО-Активатор-150» .

Для оценки качества использовали следующие методы анализа:

- Физико-химические:

     Определение белка – по ГОСТ Р 23327 – 98, жира – по ГОСТ Р 5867 – 90, активной кислотности (рН) – потенциометрически, с использованием рН- метра «рН-80» (HM Digital.), титруемой кислотности - по ГОСТ Р 3624-92, плотности – по ГОСТ Р 3625-84[12, 13, 14, 15].

- Органолептические – по ГОСТ 33630-2015 [16].

- Реологические:

     Исследование образцов выполняли с применением информационно-измерительной системы – текстуроанализатор «Структурометр СТ-2» (ООО «Лаборатория качества») [17] (рис. 2).

Рисунок 2. Текстуроанализатор «Структурометр СТ-2» (ООО «Лаборатория качества»)

     Использовали следующие методики измерений: оценка деформационного профиля пробы, оценка глубины релаксации при внедрении цилиндра 36 мм, твердость сыра при пенетрации цилиндром диаметром 2 мм, а также прочность сыра при резании. Подробное описание режимов работы прибора приведено на сайте производителя «Структурометра СТ-2» [17].

Оценка деформационного профиля пробы

     Методика основана на определении общей (h_общ), пластической (h_пл) и упругой деформаций (h_упр ) пробы при сжатии ее индентором «Поршень Ø36» со скоростью движения 0,5 мм/с после касания мякиша с усилием 7г до конечного усилия нагружения 1500 г, после чего начинается реверсивное движение индентора с той же скоростью движения до усилия в 7г (методика ООО «Лабратория качества» - QL).

За окончательный результат измерений принимается среднее арифметическое трех измерений.

Оценка глубины релаксации при внедрении цилиндра 36 мм

     Методика основана на определении общей (h_общ) деформации пробы при сжатии ее индентором «Поршень Ø36» со скоростью движения 0,5мм/с после касания мякиша с усилием 7г до конечного усилия нагружения 500г, после чего начинает происходить фиксация индентора на максимальной для данного усилия нагружения глубине, измерение релаксации структуры пробы в течение 120 с.

Оценка твердости сыра при пенетрации цилиндром диаметром 2 мм

     Методика основана на определении кинетики изменения  усилия нагружения на инденторе  «Цилиндр Ø2» при внедрении его в пробу со скоростью 0,5 мм/с на глубину 15 мм после касания с усилием 7 г и установлении твердости и однородности структуры пробы.

Оценка прочности сыра при резании

     Методика основана на определении предельного усилия нагружения, прикладываемого к пробе с помощью индентора «Нож №2», при его движении со скоростью 0,5 мм/с (после касания с усилием 5г) и внедрении на глубину равную 15 мм. 

     Статистическая обработка полученных в ходе исследования реологических характеристик данных выполнена с использованием программного пакета STATISTICA (StatSoft) [18].

Результаты и обсуждение

     Как свидетельствуют результаты оценки физико-химических характеристик качества сыра, представленные в таблице 1, показатели массовой доли жира и белка, а также плотности в молоке – сырье, практически не изменяются после высокочастотного кавитационного воздействия. Показатель активной кислотности молока после применения кавитационого воздействия сместился в щелочную сторону на 0,5 ед., при этом титруемая кислотность снизилась на 2°Т.

     Необходимо отметить существенное отличие коагуляционного процесса молочных белков в контрольном и опытном образцах, о чем свидетельствует значительное уменьшение (более чем в 2 раза) количества вносимой творожной сыворотки, обеспечивающей этот процесс в опытном образце. На наш взгляд, этот факт можно объяснить  кавитационным воздействием на молоко-сырье, которое приводит к активации белков,  изменению солевого состава [19], что, в свою очередь, позволяет снизить количество вводимой творожной сыворотки при коагуляционном процессе  в технологии Адыгейского сыра.

     При этом необходимо отметить, что выход Адыгейского сыра в опытном образце увеличился на 4% по сравнению с контролем. Полагаем, что этот факт можно объяснить изменением форм связи влаги с материалом (переходом влаги в молоке из свободного состояния в связанное - гидратное) [20]. Результаты обобщенной органолептической оценки позволяют ранжировать исследуемые образцы (по степени убывания) следующим образом: 1 – Опыт, 2 – Контроль, 3 – Розница. Таким образом, необходимо отметить положительное влияние высокочастотного акустического воздействия на молоко-сырье, что позволяет получить продукт высокого качества.

Таблица 1. Результаты физико-химические показатели качества рецептурных компонентов и адыгейского сыра

Результаты исследования деформационного профиля сыра представлены на рисунках 3, 4.

Рис. 3. Параметры деформационного профиля в зависимости от способа воздействия	Рис. 4. Усредненные кривые деформационного профиля (1 – Адыг_Контроль, 2 – Адыг_Опыт, 3 –Адыг_Розница)

Релаксационные характеристики исследуемых объектов представлены на рисунках 5, 6

Рис 5. Зависимость глубины релаксации от способа воздействия	Рис 6.  Усредненные кривые релаксации (1 – Адыг_Контроль, 2 – Адыг_Опыт, 3 –Адыг_Розница)

Результаты оценки твердости сыра при пенетрации (цилиндром диаметром 2 мм) представлены на рисунках 7, 8.

Рис 7. Зависимость максимального усилия пенетрации от способа воздействия	Рис 8.  Усредненные кривые пенетрации (1 – Адыг_Контроль, 2 – Адыг_Опыт, 3 –Адыг_Розница)

Результаты оценки прочности сыра при резании (нож с углом заточки 30 град.) представлены на рисунках 9, 10.

Рисунок 9. Зависимость максимального усилия при резании	Рис. 10  Усредненные кривые процесса резания (1 – Адыг_Контроль, 2 – Адыг_Опыт, 3 –Адыг_Розница)

     Полученные результаты анализа реологических и органолептических характеристик образцов адыгейского сыра были использованы для обоснования интегральной оценки качества пищевого продукта при различных способах воздействия.

     В результате статистической обработки данных получена регрессионная модель, описывающая зависимость органолептических показателей от измеренных реологических, представленных на рисунках 3-10, которая имеет низкий уровень значимости (p<0.0035) (Таблица 2).

Таблица 2. Регрессионная модель, описывающая зависимость органолептических от измеренных реологических показателей (p<0.0035)

     Низкий уровень значимости полученной модели объясняется наличием мультиколиниарных факторов [18]. С учетом алгоритма обработки данных, реализуемых в программе STATISTICA, последовательно отсекая факторы, искажающие результаты анализа, нами была получена регрессионая модель с более высоким уровнем значимости (p<0.00006) (Таблица 3), на основании которой нами выдвинута рабочая гипотеза, о том, что оптимальным интегральным параметром является реологическая характеристика – глубина релаксации.

Таблица 3. Регрессионная модель, описывающая зависимость органолептических от измеренных реологических показателей (p<0.00006)

     Статистическая проверка регрессионной модели на адекватность при высоком уровне значимости (p<0.05) показала ее приемлемость. Полученная модель лучше, чем «наивный прогноз» по средним значениям измеренных показателей.

Результаты исследования кривой релаксации (рис. 6) с использованием обобщенной модели Максвелла, вид которой представлен ниже:

где: Y(t) – функция релаксации, t – текущее время; Кi и Ti – константы, зависящие от структурно-механических свойств исследуемого материала.

     Обобщенная модель Максвелла представляет экспоненту релаксации в виде суммы нескольких экспонент [21]. Выделяют несколько констант релаксации пищевых сред: К1 – доля быстрой релаксации напряжений, К2 – доля длительной релаксации напряжений и К3 – доля остаточной релаксации.

      Используя аналитическую программу, разработанную Максимовым А.С. и др. [21], был выполнен анализ кривых релаксаций исследуемых образцов.

Результаты определения констант выражены по предложенной методике в виде диаграммы определения структурно-механического типа (рис. 11).

Рис. 11 Диаграмма определения структурно-механического типа образцов

     Положение точки на диаграмме позволяет отнести исследуемый образец к тому или иному структурно-механическому типу. Так, расположение точек в секторах у вершины К1 свидетельствует о высокой пластичности материала, которая характеризуется высокой скоростью релаксации; у вершины К2 – об упругопластических свойствах, которые характеризуются длительной релаксацией; у вершины К3 – медленно релаксирующие материалы [5].

     Значения коэффициентов релаксации исследуемых образцов, согласно диаграмме (рис. 11), находятся в секторе «быстрой релаксации и высоких пластических свойств».

     Точки расположились внутри области определенным образом. Сравнивая местонахождения точек, можно классифицировать исследуемые образцы продуктов по степени их пластичности – как видно из рисунка 11, наибольшей пластичностью обладает образец «Адыг_Опыт», где использовалось высокочастотное кавитационное воздействие. При этом увеличилась доля остаточной релаксации, что свидетельствует об увеличении вязкости исследуемого образца.

Заключение

     Таким образом, на основании проведенных исследований предложен методологический подход к интегральной оценке качества пищевых продуктов при различных технологических способах воздействия.

     В качества интегрального критерия оценки предложено использовать реологическую характеристику – «глубина релаксации», а также диаграмму определения структурно-механического типа, которые объединяют показатели органолептических и реологических свойств продукта и позволяют сделать объективный вывод о целесообразности (эффективности) способов воздействия, позволяющих интенсифицировать технологический процесс производства пищевого продукта.

Благодарности

Авторы выражают благодарность руководителю Центра реологии пищевых сред ФГАНУ НИИХП, профессору, д.т.н. Черных В.Я.

Список источников

1. Кодекс Алиментариус. Общий стандарт для сыров (CODEX STAN 283-1978)
2. ГОСТ Р 52686-2006 Сыры. Общие технические условия (с Поправками)
3. Черных В. Я., Ширшиков М. А., Максимов А. С. Определение реологических свойств структурных компонентов пшеничной муки в процессе замеса теста //Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. – 2003. – №. 5-6.
4. Черных В. Я. Информационно-измерительная система на базе прибора «Структурометр СТ-2» для контроля реологических характеристик пищевых сред //Управление реологическими свойствами пищевых продуктов. Четвертая научно-практическая конференция с международным участием.–М: ФГБНУ НИИХП. – 2015. – С. 24-29.
5. Черных В. Я., Мизова И. Х., Султанович Ю. А. Оценка качества жировых продуктов, используемых при производстве хлебобулочных изделий //Пищевая промышленность. – 2011. – №. 3.
6. Максимов А. С., Черных В. Я. Лабораторный практикум по реологии сырья, полуфабрикатов и готовых изделий хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств //М.: издательский комплекс МГУПП. – 2004. – Т. 163.
7. ISO/TS 17996:2006 [IDF/RM 205:2006]Cheese — Determination of rheological properties by uniaxial compression at constant displacement rate
8. Хавров Я. В. Исследование реологических свойств сыров и разработка инструментального метода контроля их консистенции: дис. – Кемерово : [Кемер. технол. ун-т пищевой пром-сти], 2005.
9. Майоров А. А., Николаева Е. А. Формирование структурно-механических свойств сыра. – Барнаул: [Сиб. науч.-исслед. ин-т сыроделия], 2005.
10. ГОСТ Р. 53379-2009. Сыры мягкие. Технические условия //М.: Издательство стандартов. – 2009.
11. Бредихин С.А., Юрин В.Н. «Техника и технология производства сливочного масла и сыра». – М.: КолосС, 2007 – 319 с.)
12. ГОСТ 23327-98 Молоко и молочные продукты. Метод измерения массовой доли общего азота по Кьельдалю и определение массовой доли белка
13. ГОСТ 5867-90 Молоко и молочные продукты. Методы определения жира
14. ГОСТ 3624-92. Молоко и молочные продукты. Титриметрические методы определения кислотности
15. ГОСТ 3625-84 Молоко и молочные продукты. Методы определения плотности (с Изменением N 1)
16. ГОСТ 33630-2015 Сыры и сыры плавленые. Методы контроля органолептических показателей
17. Сайт ООО «Лаборатория качества» (http://strukturometr.ru/)
18. Сайт компании StatSoft (statsoft.com)
19. Тепел А. Химия и физика молока/пер. с нем. под ред //СА Фильчаковой. СПб.: Профессия. – 2012.
20. Krasulya O. et al. Studying the Influence of Acoustic Cavitation and Avalanche-Streamer Discharge on the Quality of Raw Milk in Order to Achieve the Pasteurization Effect //KnE Life Sciences. – 2020. – С. 558–568.
21. Максимов А. С., Стипанюк К. В. Визуализация анализа данных, полученных на приборе" структурометр ст-2" при исследовании релаксации напряжений //Управление реологическими свойствами пищевых продуктов. – 2017. – С. 19-23.