СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОРОЖЕНОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АГРЕГАЦИИ БЕЛКА В ПРИСУТСТВИИ СВОБОДНЫХ ДВУХВАЛЕНТНЫХ КАТИОНОВ
METHOD FOR PRODUCING ICE CREAM USING PROTEIN AGGREGATION IN THE PRESENCE OF FREE DIVALENT CATIONS

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения пищевого продукта или напитка, в частности к способу образования агломерированных белков в композиции ингредиентов. Изобретение также относится к пищевому продукту или напитку, содержащему агрегированные белки, включающие в себя агрегаты мицеллярного казеина и сывороточного белка.
Предпосылки создания изобретения
Известно, что агрегация белка обеспечивает текстуру и вкусовые ощущения пищевого продукта и напитка, а потому по-прежнему существует потребность в пищевых продуктах и напитках со сбалансированным сочетанием питательных макроэлементов, одновременно обеспечивающих хороший вкус и текстуру.
В CN104489097A описан способ получения защитных композиций для молочнокислых бактерий или пробиотиков с помощью сушки в условиях тепловой конвекции, состоящий в термообработке обогащенных кальцием молочных продуктов при 60°C, чтобы вызвать агрегацию белков, с последующей подачей композиции на обработку механической гомогенизацией.
В WO07040113A описано получение ингредиента с высоким содержанием сложных липидов из молока. Его получают осаждением белковых фракций из плазмы масла при pH 4,0–5,0 в присутствии кальция и фильтрованием надосадочной жидкости в целях концентрирования сложных липидов.
В WO 06065135 A2 описано получение жидкого пищевого продукта, обогащенного свободными двухвалентными катионами, в котором 20% содержащихся в белках остатков лизина гликозилировано, чтобы повысить их устойчивость к агрегации в присутствии кальция. Таким образом, WO 06065135 A2 относится к предотвращению агрегации белка в присутствии двухвалентных катионов, в том числе кальция.
В US20130011515 A1 описан способ получения концентрата молочного белка, обогащенного сывороточными белками. Обезжиренное молоко нагревают в диапазоне pH 6,5–7,0, чтобы способствовать агрегации сывороточных белков вместе с казеинами. После этого нагретый продукт фильтруют, чтобы сконцентрировать агрегаты белка и удалить лактозу.
В работе D. L. Van Hekken et al. [Rheology and Microstructure of Chemically Superphosphorylated Whole Casein, 1997, J. Dairy Sci. 80 2740–2750.] описано влияние добавления свободного кальция на вязкость суперфосфорилированных казеинов. Было показано, что вязкость 4 мас.% раствора суперфосфорилированных казеинов (190% фосфорилирования) увеличивается при добавлении 30 мМ кальция при рН 8,4.
В работе C. Holt [An equilibrium thermodynamic model of the sequestration of calcium phosphate by casein micelles and its application to the calculation of the partition of salts in milk, 2004, Eur. J. Phys., 33, 421–434] сообщали, что количество свободных ионов кальция в коровьем молоке при рН 6,70 составляло 10,2 мМ, и что эта величина снижалось до 8 мМ при снижении рН молока до 6,0.
В работе I.R. McKinnon et al. [Diffusing-wave spectroscopy investigation of heated reconstituted skim milks containing calcium chloride, 2009, Food Hydrocolloids, 1127–1133] было исследовано влияние добавления хлорида кальция к обезжиренному молоку, восстановленному при 10 мас.% в диапазоне рН 6,0–7,2, и последующее влияние на вязкость при нагревании молока в течение 10 минут при 60, 75 и 90°C. Авторы сообщают, что критическая нестабильность молока была отмечена при рН 5,9 при нагревании при 90°C в случае содержания хлорида кальция до 10 мМ.
В работе L. Ramasubramanian et al. [The rheological properties of calcium-induced milk gels, 2014, J. Food Engineering, 45–51] определено воздействие добавления хлорида кальция в цельное молоко (3,5% жира) при нагревании при 70°C. Сообщают, что добавление хлорида кальция менее 12,5 мМ приводило к образованию вязкой дисперсии, тогда как более высокие концентрации хлорида кальция вызывали образование более плотных гелей. Интересно, что предварительная обработка молока при 90°C в течение 10 минут до добавления хлорида кальция и последующее нагревание при 70°C приводили к образованию наиболее плотных гелей. Образование геля нежелательно для многих полужидких пищевых продуктов и напитков.
В работе T. Phan-Xuan et al. [Tuning the structure of protein particles and gels with calcium or sodium ions. 2013, Biomacromolecules, 14, 6, 1980-1989.] сообщали, что при обработке 100% сывороточного белка (бета-лактоглобулина) добавлением хлорида кальция при рН 7,0 происходило образование микрогелей или геля при нагревании при 68 или 85°C, если содержание кальция составляло 5–6 мМ при концентрации белка 4 мас.%. Опять-таки, образование геля нежелательно для многих полужидких пищевых продуктов и напитков.
Основные идеи предшествующего уровня техники свидетельствуют, что, хотя получение вязкости за счет образования геля при добавлении кальция является хорошо известным эффектом, он может быть нежелательным в производстве пищевых продуктов. Кроме того, pH продукта может изменяться и влиять на процесс и может приводить к нестабильности продукта. На предшествующем уровне техники не показано, каким образом можно получить пищевые продукты и напитки с желательным вкусом и текстурой.
Следовательно, существует потребность в пищевых продуктах и напитках со сбалансированным сочетанием питательных макроэлементов, которые одновременно обеспечивают хороший вкус и текстуру.
Цель изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить пищевой или молочный продукт с улучшенной текстурой и вкусовыми ощущениями.
Изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предложено такое усовершенствование за счет использования агрегатов на основе молочного белка, получаемых специальной тепловой обработкой в присутствии определенной концентрации добавленных двухвалентных катионов.
В первом аспекте изобретение относится к способу получения пищевого продукта или напитка, включающему стадии:
обеспечения композиции ингредиентов, содержащей мицеллярные казеины и сывороточные белки и имеющей pH 6,1–7,1 и концентрацию белков 1–15 мас.%, и причем соотношение казеина к сывороточному белку в такой композиции ингредиентов составляет 90/10 – 60/40,
добавления 3–25 мМ двухвалентных катионов, чтобы обеспечить концентрацию свободных двухвалентных катионов 3–8 мМ в композиции ингредиентов,
гомогенизации композиции ингредиентов; и впоследствии
4,3)
пастеризации и перемешивания композиции ингредиентов при температуре 80° – 100°C в течение периода времени 0,5–3 мин с образованием агломерированных белков, содержащих казеины и бета-лактоглобулин из сывороточных белков, при этом агломераты имеют размер 5–50 мкм, измеренный по среднему диаметру D(.
В настоящем изобретении агрегаты на основе молочного белка, которые образуются при термической обработке в присутствии добавленных свободных двухвалентных катионов, используют для достижения оптимальных органолептических свойств, одновременно позволяя уменьшить общее содержание жиров в продукте. Кроме того, описанное изобретение позволяет составить рецептуру текстурированных молочных продуктов без использования дополнительных стабилизаторов или гидроколлоидов.
(4,3)
Во втором аспекте изобретение относится к пищевому продукту или напитку, содержащему агрегированные белки, которые включают в себя агрегаты мицеллярного казеина и сывороточного белка, причем продукт имеет рН 6,1–7,1, концентрацию сухих веществ молока 6–40 мас.%, отношение казеина к сывороточному белку 90/10 – 60/40 и концентрацию свободных двухвалентных катионов 3–8 мМ, и при этом агрегаты имеют размер 5–50 мкм среднего диаметра Dпо результатам измерений лазерной дифракцией.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 показаны стеклянные пробирки после термической обработки 3,5 мас.% молока при 90°C в течение 15 минут после добавления хлорида кальция. Маркировка на пробирках соответствует количеству свободного кальция в мМ, добавленного в образец. Критическая концентрация свободного кальция, чтобы вызвать образование агрегатов белка, приводящее к увеличению вязкости, составляла 3,7 мМ, что соответствовало добавлению 4 мМ CaCl2.
На фиг. 2 показано распределение частиц по размерам в эмульсиях, стабилизированных 3 мас.% изолята мицеллярного казеина при pH 7,0, или после добавления 5 мМ CaCl2 и нагревания при 95°C в течение 15 минут, как описано в примере 2. (A) масляная эмульсия 2,5 мас.%, (B) эмульсия 5 мас.%, (C) эмульсия 10 мас.%.
На фиг. 3 показаны фотографии, полученные с помощью сканирующего конфокального лазерного микроскопа, 3 мас.% концентрата молочного белка, стабилизированного эмульсией подсолнечного масла с высоким содержанием олеиновой кислоты, после термической обработки и воздействия сдвигающих усилий при 95°C в течение 15 мин при pH 7,0. (A) масло 2,5 мас.%, (B) масло 5 мас.%, (C) масло 10 мас.%. Длина масштабной полоски соответствует 10 мкм.
На фиг. 4 показаны фотографии, полученные с помощью сканирующего конфокального лазерного микроскопа, 3 мас.% концентрата молочного белка, стабилизированного эмульсией подсолнечного масла с высоким содержанием олеиновой кислоты, после термической обработки и воздействия сдвигающих усилий при 95°C в течение 15 мин в присутствии 5 мМ CaCl2. (A) масло 2,5 мас.%, (B) масло 5 мас.%, (C) масло 10 мас.%. Капли масла и белковая фаза указаны стрелками. Длина масштабной полоски соответствует 10 мкм.
На фиг. 5 показана кривая текучести при 20°C для 3 мас.% концентрата молочного белка, стабилизированного эмульсией 5 мас.% подсолнечного масла с высоким содержанием олеиновой кислоты после термической обработки и воздействия сдвигающих усилий при 95°C в течение 15 мин при рН 7,0 или в присутствии 5 мМ CaCl2.
На фиг. 6 показана вязкость при скорости сдвига 10 с-1 для 3 мас.% концентрата молочного белка, стабилизированного эмульсиями подсолнечного масла с высоким содержанием олеиновой кислоты после термической обработки и воздействия сдвигающих усилий при 95°C в течение 15 мин при рН 7,0 или в присутствии 5 мМ CaCl2.
На фиг. 7 показано распределение частиц по размерам молока удвоенной концентрации, нагретого в присутствии 5 мМ хлорида кальция после восстановления порошка до 13%-го общего содержания твердых веществ.
На фиг. 8 показаны полученные с помощью сканирующего конфокального лазерного микроскопа фотографии молока удвоенной концентрации, нагретого в присутствии 5 мМ хлорида кальция после восстановления порошка до 13%-го общего содержания твердых веществ. Длины масштабных полосок на (A) и (B) соответственно соответствуют 20 и 10 мкм.
На фиг. 9 показана кривая текучести при 25°C для восстановленного сухого молока настоящего изобретения с общим содержанием твердых веществ (ТВ) 50% с добавлением 5 мМ хлорида кальция. Незаштрихованные кружки: реологическая кривая при возрастающей скорости сдвига (восходящее направление). Заштрихованные кружки: реологическая кривая при возрастающей скорости сдвига (нисходящее направление).
На фиг. 10 показано распределение частиц по размерам контрольного образца молока, высушенного до 50% ТВ (A), и образца настоящего изобретения (B), высушенного до 37% ТВ, в присутствии 6,5 мМ CaCl2 после восстановления до 13% ТВ.
На фиг. 11 показана кривая текучести при 20°C контрольного образца молока, высушенного до 50% ТВ (A), и образца настоящего изобретения, высушенного до 37% ТВ, в присутствии 6,5 мМ CaCl2 после восстановления до 50% ТВ.
На фиг. 12 показано изменение ионного кальция в смеси для мороженого при добавлении CaCl2 при 20°C.
На фиг. 13 показано изменение pH в смеси для мороженого при добавлении CaCl2 при 20°C.
На фиг. 14 показано изменение вязкости в смеси для мороженого в зависимости от содержания ионного кальция при 20°C.
На фиг. 15 показан внешний вид смесей для мороженого под микроскопом с добавлением и без добавления хлорида кальция после пастеризации и охлаждения. (A) В отсутствие свободного кальция в образце. (B) 0,15% (0,15 г/л) свободного кальция в образце. Длина масштабной полоски соответствует 100 мкм.
На фиг. 16 показаны профили таяния мороженого, полученного при различных концентрациях хлорида кальция при 22°C.
Подробное описание изобретения
При проведении экспериментов по влиянию добавления к цельному молоку двухвалентных катионов, в частности кальция, на агрегацию белка и увеличение вязкости неожиданно было обнаружено, что существует критический диапазон добавления двухвалентных катионов, приводящий к оптимальной агрегации белка без осаждения или образования геля агрегатами, образующимися при нагревании. При превышении такой оптимальной концентрации кальция в системе наблюдалась чрезмерная агрегация с осаждением или уменьшение размеров агрегатов.
Безотносительно каких-либо ограничений, накладываемых теорией, добавление хлорида кальция к белкам, вероятно, приводит к обмену между протонами, адсорбированными на поверхности белков, и ионами кальция, которые обладают более высоким сродством. Данное явление приводило к снижению рН дисперсии и, таким образом, к уменьшению электростатического отталкивания между белками. В этих условиях последующая термическая обработка молочных или приготовленных на основе молока дисперсий и эмульсий приводит к контролируемой агрегации белков, которая, как было показано, положительно влияет на текстурные и органолептические свойства готовых продуктов.
Основное преимущество данного изобретения заключается в том, что оно позволяет текстурировать системы на основе молочного белка с пониженным содержанием жиров и обеспечивает снижение или отказ от использования дополнительных гидроколлоидов и/или эмульгаторов.
4,3
В настоящем контексте агрегаты, создаваемые способом в соответствии с изобретением и присутствующие в продукте изобретения, имеют размер 5–50 мкм, измеренный по среднему диаметру D(). Распределение частиц агрегатов по размерам (PSD; particle size distribution) определяют с помощью лазерного гранулометра, такого как Mastersizer 2000 (Malvern Instruments, Великобритания). Для измерений образец можно, например, диспергировать в измерительной кювете Hydro SM до тех пор, пока степень затенения не достигнет 9–10%, а затем проводить анализ образца с помощью Mastersizer.
Кроме того, в настоящем контексте концентрация свободных двухвалентных катионов может быть определена количественно с помощью селективного электрода. Например, концентрацию свободного (ионного) кальция определяют с помощью кальций-селективного электрода Mettler Toledo perfection™ серии DX с миниатюрным байонетным соединителем, № по каталогу 51344703, подключенного к рН/ионометру 692 (Metrohm, Швейцария).
Дополнительно в настоящем контексте, если не указано иное, % компонента означает % массы в расчете на массу композиции, т.е. мас./мас.%.
Кроме того, термин «замороженное аэрированное кондитерское изделие» означает любой аэрированный продукт, например мороженое, сорбет, мелорин, молочный коктейль, любой замороженный десерт и т.п.
Кроме того, в настоящем контексте «перемешивание» означает перемещение композиции ингредиентов. Перемешивание может приводить к сдвигающим усилиям в композиции ингредиентов. В этом случае предпочтительно проведение такой процедуры без разрушения агрегатов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения размер агрегатов составляет 10–40 мкм, предпочтительно 10–30 мкм. За счет этого обеспечиваются желательные вкусовые ощущения продукта без зернистости, обеспечиваемой агрегатами.
В соответствии с настоящим изобретением предпочтительно, чтобы двухвалентные катионы были выбраны из группы, состоящей из катионов Ca и Mg или их комбинации. Эти двухвалентные катионы пригодны для применения в пищевой промышленности и не способствуют активизации окисления жиров.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения двухвалентные катионы представляют собой катионы кальция.
Двухвалентные катионы преимущественно добавляют до тех пор, пока концентрация свободных двухвалентных катионов не составит 3,5–6,5 мМ двухвалентных катионов. Было обнаружено, что количества, которые необходимо добавлять в молочные или пищевые продукты, составляют 3–25 мМ.
Более того, предпочтительно добавлять двухвалентные катионы в форме минеральной соли. Минеральной солью предпочтительно является соль кальция, выбранная из группы, состоящей из хлорида кальция, лактата кальция, глюконата кальция или фосфата кальция. В конкретном предпочтительном варианте осуществления изобретения солью кальция является хлорид кальция.
В полностью натуральном варианте осуществления изобретения кальций получают из концентрата минеральных веществ молока после отделения белка, жира и лактозы путем, например, мембранного фракционирования.
В соответствии с настоящим изобретением pH композиции ингредиентов до добавления катионов кальция предпочтительно составляет 6,2–7,1.
Содержание растворимого белка в композиции ингредиентов предпочтительно ниже или равно 30% относительно общего содержания белка, что указывает на то, что большая часть белков находится в форме агрегатов.
В одном варианте осуществления изобретения композиция ингредиентов содержит 0–36 мас.% жиров, предпочтительно 1,0–20 мас.%, более предпочтительно 3,0–15 мас.%, наиболее предпочтительно 5–10 мас.% жиров. Было обнаружено, что даже при низком содержании жиров текстура продукта по-прежнему воспринимается как кремовая благодаря агломерации, создаваемой внутри продукта.
Казеины и сывороточные белки в композиции ингредиентов предпочтительно представлены в форме, выбранной из группы, состоящей из сырого молока, пастеризованного молока, молока низкотемпературного сгущения, сухого молока низкотемпературного сгущения и распылительной сушки, концентрата молочного белка, изолята молочного белка в форме жидкости или порошка или их комбинации, тогда как дополнительные белки молочной сыворотки представлены в форме, выбранной из группы, состоящей из сладкой молочной сыворотки, концентратов белка молочной сыворотки, изолятов белка молочной сыворотки в форме жидкости, концентрата или порошка или их комбинации.
Было обнаружено, что способ в соответствии с изобретением особенно полезен для изготовления мороженого. В данном варианте осуществления изобретения композиция ингредиентов представляет собой смесь для замороженного кондитерского изделия и включает в себя жир в количестве 0,5–20 мас.%, твердые вещества молока без жиров в количестве 5–15 мас.%, подсластитель в количестве 5–30 мас.%, систему стабилизатора в количестве до 6 мас.%.
Смесь может дополнительно включать в себя любые вкусоароматические добавки, красители, воду, подкисляющие компоненты, подщелачивающие компоненты.
Для изготовления замороженного кондитерского изделия смесь ингредиентов можно замораживать, необязательно с аэрацией смеси предпочтительно до взбитости по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 40%, наиболее предпочтительно от 100% до 120%, с формованием аэрированного замороженного кондитерского изделия и необязательно подвергать затвердению. При изготовлении замороженного кондитерского изделия продукт необязательно подвергают динамическому охлаждению при температуре ниже -11°C в одночервячном или сдвоенном экструдере.
Изобретение также относится к пищевым продуктам или напиткам, полученным описанным выше способом. В конкретном предпочтительном варианте осуществления изобретения пищевой продукт представляет собой замороженное кондитерское изделие, полученное описанным выше способом.
4,3)
В другом обсуждаемом выше аспекте изобретение относится к пищевому продукту или напитку, содержащему агрегированные белки, которые включают в себя агрегаты мицеллярного казеина и сывороточного белка, причем продукт имеет рН 6,1–7,1, концентрацию сухих веществ молока 6–40 мас.%, отношение казеина к сывороточному белку 90/10 – 60/40 и концентрацию свободных двухвалентных катионов 3–8 мМ, и при этом агрегаты имеют размер 5–50 мкм среднего диаметра D(по результатам измерений лазерной дифракцией. Для данного продукта предпочтительно, чтобы концентрация свободных двухвалентных катионов в продукте составляла 3,5–6,5 мМ. Двухвалентные катионы предпочтительно выбраны из двухвалентного катиона Ca и Mg или их комбинации. Продукт может включать в себя 1,0–15 мас.% белка.
В продукте в соответствии с изобретением предпочтительно, чтобы содержание растворимого белка в продукте было ниже или равно 30% относительно общего содержания белка.
Кроме того, предпочтительно, чтобы продукт включал в себя 0–20 мас.% жира, предпочтительно 2,0–15 мас.%, наиболее предпочтительно 2,5–10 мас.% жира. Было обнаружено, что даже при 0 или низком содержании жиров могут быть получены продукты, дающие желательные вкусовые ощущения. Продукт в соответствии с изобретением может исходно содержать капли жира (присутствующего перед термической обработкой), имеющие размеры 0,5–2,0 мкм, образуют хлопья в агрегатах белка размерами 5–50 мкм.
Продукт в соответствии с изобретением может иметь по меньшей мере частично агрегированную белковую систему, которую получают, подвергая композицию термической обработке при 80° – 100°C в течение периода 0,5–3 минуты.
Мицеллярный казеин может быть получен из группы, состоящей из молока, концентрата и изолята молочного белка в форме жидкости или порошка или их комбинации.
Продукты в соответствии с изобретением могут представлять собой молочные продукты, например мороженое или замороженное кондитерское изделие, молочные концентраты или десерты, соусы и т.п. Формат продуктов включает замороженные продукты, используемые при комнатной температуре продукты, жидкость и порошок.
Примеры
Для примера, но не для ограничения в представленных ниже примерах проиллюстрированы различные варианты осуществления настоящего изобретения.
Пример 1. Агрегаты на основе молочного белка, полученные при добавлении хлорида кальция в нагретое цельное молоко
Материалы и методы
Охлажденное пастеризованное и профильтрованное через микрофильтр цельное молоко (3,5 мас.% жира) было предоставлено компанией Cremo S.A. (г. Ле Мон-сюр-Лозанна, Швейцария). Его исходный рН составлял 6,77 при измерении при 25°C. Для добавления кальция готовили раствор CaCl2, 2(H20) (Merck, г. Дармштадт, Германия) в концентрации 200 мМ в воде MilliQ. Для каждого добавления раствора хлорида кальция молоко в объеме 50 мл помещали во флакон из стекла Pyrex емкостью 50 мл (тип Schott Duran, Германия), чтобы охватить диапазон добавляемого количества свободного кальция 1–16 мМ. Перемешивание на магнитной мешалке проводили при 300 об/мин и при комнатной температуре 20–23°C.
После добавления хлорида кальция в герметичную стеклянную пробирку емкостью 22 мл, содержащую магнитный брусок, добавляли 20 мл молока. Закрытые пробирки частично (на 2/3) погружали на 15 мин в водяную баню с отрегулированной температурой 92,5°C для достижения температуры продукта 90°C в течение 3 минут. Инкубацию проводили при перемешивании на магнитной мешалке (500 об/мин), чтобы обеспечить воздействие на образцы сдвигающих усилий. После инкубации пробирки переносили в ледяную воду для охлаждения.
Капиллярную вязкость определяли с помощью Rheotest LK 2.2 (Medingen GmbH, г. Дрезден, Германия), а распределение частиц по размерам (PSD) определяли с использованием Mastersizer 2000 (Malvern Intruments, Великобритания).
Для определения первого значения концентрации свободного хлорида кальция, при котором образовались агрегаты белка, проводили непосредственный визуальный осмотр пробирок. Концентрацию ионного (свободного) кальция после нагревания определяли с помощью кальций-селективного электрода Mettler Toledo perfection™ серии DX с миниатюрным байонетным соединителем, № по каталогу 51344703, подключенного к рН/ионометру 692 (Metrohm, Швейцария).
Результаты
Таблица 1. Начальное значение pH, средний диаметр частиц и вязкость цельного молока до и после нагревания при 90°C в течение 15 мин
Добавлен CaCl2 (мМ)
pH
D [4, 3] — взвешенное среднее объема(мкм)
D [3, 2] — взвешенное среднее поверхности (мкм)
η(mPas)20 °C
+/-
Свободный Ca + + (мМ)
Конечный pH
D [4, 3] — взвешенное среднее объема(мкм)
D [3, 2] — взвешенное среднее поверхности (мкм)
η(mPas)20 °C
+/-
0
6,77
0,632
0,359
1,99
0,04
1,99
6,63
0,648
0,369
2,06
0,07
0,5
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
2,20
6,67
0,599
0,308
2,13
0,06
1
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
2,53
6,66
0,609
0,315
2,11
0,06
2
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
2,93
6,63
0,598
0,302
2,07
0,06
3
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
3,41
6,58
0,624
0,294
2,08
0,05
4
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
3,77
6,54
42,80
6,20
2,43
0,06
5
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
4,24
6,50
217,27
190,52
3,52
0,04
6
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
4,50
6,46
296,74
207,63
3,92
0,02
7
6,61
0,625
0,349
1,88
0,02
5,25
6,44
207,09
35,19
3,93
0,08
8
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
5,80
6,41
138,98
40,72
4,80
0,11
9
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
6,36
6,40
134,17
44,42
5,31
0,13
10
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
6,91
6,37
113,03
41,19
6,30
0,20
11
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
7,55
6,34
123,64
37,74
6,27
0,19
13
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
8,09
6,30
177,75
55,80
5,79
0,51
14
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
8,89
6,28
155,64
54,94
6,27
0,24
15
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
9,35
6,27
269,81
79,34
6,12
0,40
16
6,36
0,528
0,253
1,86
0,05
10,10
6,24
173,10
58,53
5,89
0,20
н/о: не определено
Из таблицы 1 видно, что исходное молоко уже содержало 2 мМ свободного ионного кальция в форме растворимого коллоидного кальция. Добавление CaCl2 в молоко привело к увеличению свободного ионного кальция, но также к снижению pH после нагревания. Вплоть до добавленной концентрации хлорида кальция 4 мМ (что соответствует 3,8 мМ измеренного свободного кальция) размер частиц в нагретом молоке сохранялся на уровне около 600 нм для D43 и 300 нм для D32, что соответствует размеру капель покрытого белком молочного жира и размерам мицелл казеина. При превышении этого критического значения для CaCl2 образуются более крупные частицы, размер которых достигает нескольких сотен мкм для D43 и D32. Эти агрегаты видны на поверхности стеклянных пробирок, показанных на фиг. 1. Неожиданно было обнаружено, что размер белковых агрегатов достигает максимума при концентрации CaCl2 около 6 мМ, а затем устойчиво снижается по мере добавления в систему дополнительного количества кальция. Вязкость системы увеличивается с увеличением содержания хлорида кальция. Системы не образуют гель, что доказывает, что взаимодействие между белковыми агрегатами можно контролировать путем приложения к пробиркам сдвиговых усилий во время нагревания.
Пример 2. Добавление кальция к стабилизированным эмульсиям концентрата молочного белка
Материалы и методы
Готовили исходный раствор дисперсии мицеллярных казеинов с концентрацией белка 10 мас.%. Концентрат мицеллярных казеинов Promilk852B (№ партии 13610656) был приобретен у компании Ingredia (г. Аррас, Франция). Композиция порошка была следующей (г/100 г влажного порошка): белок (N x 6,38) 82,3, Ca 2,6, Mg 0,1, Na 0,07, K 0,29, Cl 0,05, P 1,56. Массу порошка, необходимую для получения дисперсии, рассчитывали в зависимости от содержания белка в порошке.
Порошок мицеллярного казеина гидратировали в воде MilliQ в течение 3 часов при перемешивании при комнатной температуре. Через 3 часа дисперсию белка гомогенизировали с помощью одноступенчатого гомогенизатора высокого давления EmulsiFlex C-5 (Avestin, Канада). Такая обработка снижала средний размер частиц мицеллярных казеинов, и количество неосаждаемых казеинов (κ, αs1 и αs2) в сыворотке увеличивается, что позволяет стабилизировать раствор и избежать осаждения MCI.
Средний размер частиц, определенный после гомогенизации с помощью Nanosizer ZS (Malvern Instruments, Великобритания), был монодисперсным и составлял приблизительно 250 нм.
Получение эмульсии
Эмульсии «масло в воде» получали добавлением подсолнечного масла с высоким содержанием олеиновой кислоты (Oleificio Sabo, г. Манно, Швейцария) к дисперсиям белков так, чтобы общее содержание масла в образце составляло 2,5, 5 и 10 мас.% при постоянном содержании белка 3 мас.%. Впоследствии смеси предварительно гомогенизировали с использованием Ultra-Turrax T25 basic (IKA, Швейцария) при 11 000 об/мин в течение 1 минуты для объема 500 мл. После предварительной гомогенизации проводили дальнейшую гомогенизацию эмульсий под высоким давлением с помощью гомогенизатора PandaPLUS HomoGenius 2000 (GEA, Германия) с установкой давления 50 бар для первого клапана и 250 бар для второго клапана, чтобы достичь суммарного давления 300 бар.
Таким способом эмульсии гомогенизировали два раза. После гомогенизации корректировали рН и концентрацию CaCl2 до заданных целевых значений. Образцы для различных концентраций CaCl2 с различными значениями pH выдерживали при 95°C в течение 15 мин в бане с горячей водой сразу и через 1 час после приготовления. После этого эмульсии охлаждали в ледяной воде в течение 20 минут и выдерживали при 4°C в течение 1 часа.
Затем образцы подвергали воздействию сдвигающих усилий при 16 000 об/мин в течение 2 минут с использованием Ultra-Turrax T25 basic (IKA, Швейцария) в химическом стакане емкостью 60 мл, при этом проводили тридцать циклов, чтобы обеспечить одинаковое воздействие сдвигающих усилий на весь объем. После этого эмульсии хранили при 4°C до проведения анализов.
Распределение частиц по размерам
Для оценки распределения частиц по размерам после воздействия сдвигающих усилий дисперсии и эмульсии анализировали методом динамического светорассеяния с использованием MasterSizer 3000 (Malvern Instruments Ltd, Великобритания). Образец эмульсии диспергировали в измерительной кювете Hydro SM до тех пор, пока степень затенения не достигала 9–10%. Анализировали не нагретые и нагретые образцы. Измерения проводили трижды и приводили среднее значение трех повторных измерений.
Микроструктура агрегатов белка
Замороженные срезы образцов
Для анализа образцов с использованием КЛСМ готовили замороженные срезы. Для этого к образцам в целях их консервации добавляли сахарозу и формальдегид (PRICE and JEROME, 2011). Процентное содержание от общего объема составляет 30 мас.% для сахарозы и 3,7 мас.% для формальдегида. Перед началом анализов образцы гомогенизировали на вихревой мешалке и выдерживали в течение ночи при 4°C.
После этого проводили фиксацию образцов. Данная стадия состояла в добавлении 0,5 г образца к 1 г соединения для оптимальной температуры резания (OCT; Optimum Cutting Temperature) Tissue-Tek для приготовления замороженных срезов. Композицию гомогенизировали и добавляли 0,1 г в держатель образцов криостата, в котором уже находилось соединение OCT Tissue-Tek для приготовления замороженных срезов.
Держатель образцов криостата погружали в полимерный флакон, содержащий 80 мл 2-метилбутана (99%, поставляемый компанией Sigma Aldrich, США), который, в свою очередь, погружали в контейнер Sagex с жидким азотом. Раствор 2-метилбутана обеспечивает равномерное замораживание образца и препятствует его высыханию.
Затем образцы помещали в камеру криостата CM 3050 (Leica, Швейцария). После этого готовили микротомные срезы толщиной 7 мкм при -21°C. Предметные стекла выдерживали в морозильной камере при -20°C до проведения анализов.
Предметные стекла предварительно обрабатывали HistoGrip (50 × концентрат, поставляемый ThermoFisher Scientific, США) для адгезии ткани к предметным стеклам и во избежание отделения ткани при неосторожном обращении.
Конфокальная сканирующая лазерная микроскопия
Чтобы отличать белки и жировые глобулы друг от друга, отдельные образцы 100/0 (MCI/SPI) и 0/100 (MCI/SPI) окрашивали красителями.
Для окраски белков использовали малахитовый зеленый, а для жировых глобул — нильский красный. Согласно работе FOWLER et al., 1985, нильский красный является идеальным красителем для выявления межклеточных липидных капелек с помощью флуоресцентной микроскопии, он отличается высокой гидрофобностью и интенсивностью флуоресценции. 25 мг нильского красного солюбилизировали в 100 мл этанола. Длина волны возбуждения 488 нм была достигнута с помощью излучения полупроводникового лазера, и данные для испускаемого света регистрировали в диапазоне от 488 нм до 630 нм.
Малахитовый зеленый представляет собой органический краситель с характерным электростатическим притяжением к заряженным группам белков (MERRIL and WASHART, 1998). Он может нековалентно связываться с представляющим интерес биополимером за счет электростатических взаимодействий (AUTY, 2013). Длина волны возбуждения 633 нм была установлена с помощью излучения полупроводникового лазера, и данные для испускаемого света регистрировали в диапазоне от 633 нм до 740 нм. При использовании малахитового зеленого его концентрация в воде составляла 1 мас.%.
Образцы окрашивали смесью нильского красного (100 мкл) и малахитового зеленого (3 мл). Смесь помещали на предметные стекла на 10 мин и промывали. Микропрепараты закрепляли фиксирующей заливочной средой Vectashield Hard Set (Vector Laboratories, США).
Затем микропрепараты анализировали с помощью конфокального сканирующего микроскопа Zeiss LSM 710 (Zeiss, Германия). КЛСМ оборудован лазерами, обеспечивающими возбуждение нескольких флуоресцентных зондов одновременно; такая возможность позволяет получать несколько изображений образца, выбирая корректную длину волны возбуждения и фильтры для регистрации испускаемого света от конкретного красителя. Для всех изображений использовали A 10 × /0,45 ∞/0,17/PL APO и 63 × /1,4 масло/DIC 420782-9900/PL APO.
Реологические характеристики
Через день после воздействия сдвиговых усилий проводили эксперименты по определению реологических характеристик с использованием реометра с контролируемым напряжением сдвига Physica MCR501 (Anton Paar, Австрия) с кюветой с концентрическими цилиндрами CC27-SS/S (диаметр = 27 мм, зазор = 1,14 мм, Anton Paar, Австрия).
Измерения реологических характеристик в стационарном режиме проводили при постоянной температуре 25°C; к образцам прилагали напряжение сдвига 100 1/с в течение 5 минут с последующим применением четырех скоростей сдвига, в одном случае 0,1–500 1/с, а во втором случае 500–0,1 1/с, и такую процедуру повторяли дважды; выполняли 15 измерений каждые 30 с. Регистрировали кажущуюся вязкость в зависимости от скорости сдвига.
Для каждого измерения в чашку реометра помещали аликвоту (19 мл) образца эмульсии. Измерения проводили трижды и приводили среднее значение трех повторных измерений.
Содержание растворимого белка
Для характеристики содержания растворимых белков в продуктах в соответствии с изобретением эмульсии через день после приготовления центрифугировали при 16 000 g при комнатной температуре в течение 20 мин с использованием центрифуги Eppendorf 5418 (Vaudaux-Eppendorf AG, Швейцария). Надосадочную жидкость осторожно отделяли и хранили при 4°C для анализа методом обращенно-фазовой сверхвысокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ СВЭЖХ).
Система СВЭЖХ (Waters Corp Milford Ma, США) состояла из бинарного насоса, термостатированного автоматического пробоотборника (система обработки образцов UPSMPM6R) и детектора с фотодиодной матрицей (UPPDA-E). Управление оборудованием осуществлялось с помощью программного обеспечения Empower 3, версия Pro.
Разделение проводили на обращенно-фазовой аналитической колонке Acquity UPLC BEH300 C4 1,7 мкм 2,1 x 150 мм (Waters Corp, г. Милфорд, штат Массачусетс, США) и с использованием предколонки VANGUARDTM BEH300 C4 1,7 мкм 2,1 x 5 мм (Waters Corp, г. Милфорд, штат Массачусетс, США). Хроматографические виалы для СВЭЖХ в автоматическом пробоотборнике находились при постоянной температуре 8°C ± 2°C, и ввод образцов осуществляли с помощью системы обработки образцов. Использовали инжекционный шприц объемом 500 мкл и петлю инжектора объемом 250 мкл.
Стандартные растворы казеинов готовили в концентрациях 0,1, 0,3, 1, 3 и 5 мас.% путем разбавления водой milliQ раствора стандартного образца 10 мас.%. В микропробирку Eppendorf емкостью 1,5 мл добавляли 200 мкл образца и 800 мкл буферного раствора {гуанидин-HCl 7,5 М; тринатрийцитрат 6,25 мМ; дитиотрейтол (ДТТ) 23 мМ}. Готовили точные навески образца и буферного раствора. Затем композицию гомогенизировали с помощью вихревой мешалки и инкубировали в малогабаритном термомиксере Eppendorf Thermomixer Compact (Vaudaux-Eppendorf AG, Швейцария) при 60°C и 650 об/мин в течение 10 мин.
После инкубации образцы гомогенизировали и центрифугировали при 16 000 g в течение 10 мин при комнатной температуре с использованием центрифуги Eppendorf 5418 (Vaudaux-Eppendorf AG, Швейцария). Затем осторожно отделяли надосадочную жидкость и переносили ее в хроматографическую виалу для СВЭЖХ, обращая внимание на слой жира, а также стараясь на взмучивать слой осадка при его наличии. Объем вводимой пробы менялся в пределах от 30 мкл до 150 мкл в зависимости от содержания белка в образце (определяемого методом Кьельдаля, N x 6,38), чтобы обеспечить достаточную интенсивность сигнала. Для учета разброса измерений также вводили стандартные растворы со скорректированными объемами.
Градиентное элюирование проводили с двумя растворителями, которые смешивали в процессе элюирования. Растворитель A состоял из 0,1%-го раствора трифторуксусной кислоты (ТФУ) в воде, а растворитель B представлял собой 0,1%-й раствор ТФУ в смеси ацетонитрил/вода (90/10) (об. : об.). Разделение проводили с линейным градиентом 15–35% B за 4 мин (5% B.мин-1), 35–47% B за 24 мин (0,5% B.мин-1) и от 47% В до 80% В за 4 мин (8,25% B.мин-1). Затем проводили изократическое элюирование при 80% B в течение 1 мин. Затем в течение 2 минут исходные условия возвращали линейным образом с последующим повторным уравновешиванием колонки в течение 5 мин.
Расход составлял 0,6 мл/мин-1, и температуру колонки поддерживали постоянной при 40 ± 1°C. Регистрацию проводили при λ = 214 нм (разрешение 2,4 нм - 20 точек/сек — автоматическое время экспозиции).
Интегрирование каждой хроматограммы выполняли вручную. Для калибровочных кривых строили зависимость суммарной площади пика от количества введенных белков. Содержание растворимого белка рассчитывали из соотношения количества белка, присутствующего в надосадочной жидкости после центрифугирования, и общего количества белка, присутствующего в эмульсии без центрифугирования, и выражали результат в процентах.
Результаты
Распределение частиц по размерам
На фиг. 2 показано, что после термической обработки и воздействия сдвиговых усилий пик распределения по размерам в эмульсиях при рН 7,0 для 3 исследованных концентраций подсолнечного масла выявлен в области 400–600 нм. Напротив, при термической обработке, осуществляемой в присутствии 5 мМ добавленного свободного кальция, образуются более крупные частицы. Таким образом, наблюдали четкий сдвиг распределения по размеру до приблизительно 15–25 мкм, что указывает на то, что первоначальные капли масла агрегировали с образованием более крупных частиц на основе белка.
Микроструктура
Микроструктура агрегатов на основе белка хорошо видна на фиг. 3. Значительно больше агрегатов образуется при увеличении содержания масла в эмульсии (фиг. 3А–3С). Интересно, что при большем увеличении видно, что частицы состоят из капель масла, плотно включенных внутри окружающей белковой матрицы (фиг. 4). Чем выше содержание подсолнечного масла в эмульсии, тем более компактной и сферической была форма частиц (фиг. 4C). Напротив, при самой низкой концентрации масла получались более разветвленные и удлиненные частицы (фиг. A). Было обнаружено, что содержание растворимого белка в эмульсии при концентрации 5 мас.% масла и pH 7,0 составляло 76%, в то время как при термической обработке в присутствии 5 мМ хлорида кальция его содержание составляло приблизительно 3% по результатам анализа методом СВЭЖХ.
Реологические характеристики
Реологические характеристики эмульсии, полученной при 5 мас.% масла, сравнивали после термической обработки и воздействии сдвиговых усилий при рН 7,0 и после добавления 5 мМ CaCl2. Реологические характеристики представлены на фиг. 5.
Эмульсия, полученная при рН 7,0, проявляла свойства ньютоновской жидкости с отсутствием зависимости вязкости от скорости сдвига. Это объясняется тем, что вязкость главным образом определяется объемной долей масла, и что масляные капли не взаимодействуют друг с другом. В образце настоящего изобретения, содержащем 5 мМ кальция, динамика жидкости характеризуется снижением вязкости при сдвиге, что указывает на формирование чувствительных к сдвиговой деформации частиц, влияющих на общее поведение жидкости. Вязкость образца сравнивали для 3 исследованных концентраций подсолнечного масла при скорости сдвига 10 с-1, что соответствует условиям внутри полости рта (см. фиг. 6). Видно, что при pH 7,0 вязкость незначительно увеличивается по мере увеличения содержания масла. Для образцов настоящего изобретения, приготовленных в присутствии кальция, вязкость была приблизительно в 10–100 раз больше, чем в соответствующем образце при pH 7,0. Это со всей очевидностью показывает, что частицы настоящего изобретения отвечают за формирование вязкости при гораздо более низком содержании масла, что позволяет снижать концентрацию жира в пищевых продуктах, см. фиг. 5.
Пример 3. Добавление кальция в молоко удвоенной концентрации, термическая обработка и распылительная сушка
Материалы и методы
Набор из 2 образцов получали в соответствии со следующей процедурой, включающей: концентрирование имеющегося в продаже цельного молока с общим содержанием твердых веществ (ТВ) до 35%, добавление переменного количества CaCl2 (5 и 10 мМ) в молочный концентрат, стандартизованную термическую обработку, включая стадию прямого впрыска пара, и распылительную сушку с получением функционализированного сухого молока.
Имеющееся в продаже пастеризованное и профильтрованное через микрофильтр гомогенизированное цельное молоко (содержание жира 3,5%, Cremo, г. Ле Мон-сюр-Лозанна, Швейцария) концентрировали до общего содержания твердых веществ, как указано в таблице 2, с помощью тонкопленочного испарителя с вращающимся конусом Centritherm CT1-09 (Flavourtech Inc., Австралия).
Процесс концентрирования проводят в порционном режиме с рециркуляцией, начиная с молока при 4°C. Молоко подают эксцентриковым винтовым насосом из буферного бака через пластинчатый теплообменник с заданной на выходе температурой 40°C и в испаритель Centritherm CT1-09, а затем возвращают в буферную емкость. Таким образом происходит постепенное увеличение концентрации твердых веществ и температуры молока в буферной емкости. При достижении критического порогового значения концентрации молоко доводят до желаемого общего содержания твердых веществ на конечной стадии прохождения через испаритель без повторного смешивания и собирают в отдельном накопительном баке.
Используют следующие параметры процесса: расход 100 л/ч, температура на впуске испарителя 40 C, вакуум в испарителе 40–100 мбар, температура пара в испарителе 90°C. В результате температура концентрата на выходе составляет приблизительно 35°C, а расходы в испарителе постепенно уменьшаются от 50 л/ч до 30 л/ч по мере увеличения концентрации молока. Высокие расходы продукта около 100 л/ч и стабильная температура на впуске продукта 40°C важны для того, чтобы избежать загрязнений поверхности теплообменника в устройстве Centritherm молочным концентратом.
Молочный концентрат охлаждали до 10°C, и при перемешивании в молоко добавляли необходимое количество порошка CaCl2, 2H2O (Merck, г. Дармштадт, Германия). Характерный временной интервал добавления порошка кальция к партии массой 40 кг составляет около 15 минут.
Охлажденный концентрат молока с добавленным кальцием подвергали термической обработке в полунепрерывном режиме на серийно выпускаемой экспериментальной производственной линии MVE HT320-20 DSI SSHE (OMVE Netherlands B.V., Нидерланды). Стадии обработки представляют собой: предварительный нагрев в трубчатом теплообменнике OMVE до 60°C, прямой впрыск пара до температуры на выходе 95°C, период горячего выдерживания 300 с при 95°C в двух скребковых теплообменниках линии OMVE, соединенных последовательно и эксплуатируемых при максимальных оборотах, и последующее охлаждение до температуры выхода продукта приблизительно 23°C на трубчатом теплообменнике OMVE, охлаждаемом ледяной водой. Расход устанавливают на 14 л/ч, чтобы суммарная продолжительность пребывания на обрабатываемых скребком поверхностях блоков теплообменника составляла приблизительно 300 с. Продолжительность пребывания в охладителе OMVE составляет приблизительно 2 минуты. Продолжительность пребывания представляет собой средние значения объемных расходов и мертвого объема линейных элементов (трубчатый теплообменник, теплообменник со скребковой поверхностью).
Засорение инжектора DSI является критическим нарушением, и линию следует тщательно контролировать на предмет такого нарушения. Мгновенное испарение не используют, и конденсирующийся пар полностью остается в продукте.
Молочный концентрат после термической обработки с добавлением 5 мМ кальция подвергали распылительной сушке в распылительной башне пилотного масштаба производства Niro SD 6.3 (GEA NIRO Process Engineering, Дания), оборудованной центробежным распылителем FS1. Рабочие параметры представляют собой: скорость подачи продукта 10–20 кг/ч, температура на впуске продукта в центробежный распылитель 25–30°C, скорость центробежного распылителя 25 000 об/мин, поток воздуха 350–400 кг/ч (контроль массопереноса), температура воздуха на входе 160°C, температура отводимого воздуха 80°C и относительная влажность отводимого воздуха 15%. Готовый порошок продукта сразу упаковывают в воздухонепроницаемые мешки, и его остаточная влажность составляет менее 4%.
Для характеристики распределения частиц по размерам в образце, микроструктуры и реологических характеристик использовали те же способы, что и в примере 2. Для проведения экспериментов с порошком, высушенным распылительной сушкой, содержащим 5 мМ CaCl2, образец перед измерением разбавляли до 13 или 50% ТВ. В химический стакан наливали дистиллированную воду и нагревали в водяной бане до 42°C – 44°C. Отмеряли объем 150 мл дистиллированной воды при 42°C – 44°C и переносили в стеклянный химический стакан при помощи мерного цилиндра. К 150 мл дистиллированной воды при 42°C добавляли сухое молоко в количестве 22,5 г и перемешивали ложкой в течение 30 с.
Результаты
Образцы жидкости
43
32
2
-1
Таблица 2. Средние диаметры D и D и вязкость при скорости сдвига 13 с, измеренные при 25°C для молока удвоенной концентрации (25% ТВ) до и после термической обработки в присутствии CaCl при 95°C в течение 300 с
Образец
pH
D(4,3) (мкм)
D(3,2) (мкм)
Сдвиговая вязкость 13 с<sup>-1</sup> (мПа·с)
Молоко с 25% ТВ и 5 мМ CaCl<sub>2 </sub>без нагревания
6,38
0,836
0,569
6,2
Молоко с 25% ТВ и 5 мМ CaCl<sub>2 </sub>с нагреванием
6,39
28,40
9,42
349
Молоко с 25% ТВ и 10 мМ CaCl<sub>2 </sub>без нагревания
6,23
0,816
0,542
4,23
Молоко с 25% ТВ и 10 мМ CaCl<sub>2 </sub>с нагреванием
6,24
66,80
11,20
150
Из таблицы 2 видно, что в образцах настоящего изобретения выявлено заметное увеличение размера частиц после термической обработки, приводящее к увеличению вязкости. Очевидно, что в присутствии добавленных 10 мМ хлорида кальция D(4,3) увеличивался до 66,8 мкм, что приводило к незначительной песчанистости образца. Для данной концентрации молока наилучшие условия и профиль агрегации были получены при добавлении 5 мМ CaCl2, что можно также заключить, исходя из достигнутой более высокой вязкости (349 мПа.с) по сравнению с добавлением 10 мМ CaCl2 (150 мПа.с). После распылительной сушки образцы анализировали после восстановления в воде MilliQ.
Распределение частиц по размерам
Распределение частиц после восстановления характеризуется пиком в области около 20 мкм (см. фиг. 7), который очень близок к размеру частиц, полученных до распылительной сушки (D (4,3) = 28,4 мкм, таблица 2). Незначительное уменьшение размера частиц может быть связано с воздействием сдвига, возникающего во время распылительной сушки продукта. Неожиданно было обнаружено, что содержание растворимого белка после разведения порошка при 13% ТВ составляло 7% от общего содержания белка, что указывает на то, что большая часть молочных белков входит в структуру агрегатов.
Микроструктура
Микроструктура частиц представлена на фиг. 8 A и В. Агрегаты были достаточно компактными и состояли из белков и капель жира без признаков наличия непрореагировавших белков, что подтверждает малое количество растворимых белков. При большем увеличении частиц на фиг. 8B видны глубоко внедренные капли жира со средним размером 1–2 мкм, включенные в плотную белковую матрицу. Отмечаются незначительные признаки коалесценции капель жира, что указывает на формирование агрегатов по механизму образования хлопьев.
Реологические характеристики после разведения при 50% ТВ
Сухое молоко распылительной сушки в соответствии с настоящим изобретением восстанавливали до 50% ТВ, что по существу представляет собой уровень ТВ, при котором проводили распылительную сушку цельного молока. На фиг. 9 видно, что реологические свойства характеризуются очевидным снижением сдвиговой вязкости с резким отрицательным наклоном и высокой вязкостью при низком сдвиге. Это указывает на то, что продукт после восстановления образовал определенную структуру, и что агрегаты белка были способны взаимодействовать друг с другом. Неожиданно было обнаружено, что такая структура может восстанавливаться после прекращения стрессового воздействия на образец, поскольку восходящие и нисходящие кривые почти совмещались.
Пример 4. Добавление кальция в молоко утроенной концентрации, термическая обработка и распылительная сушка
Материалы и методы
Стандартный образец молока
Имеющееся в продаже пастеризованное гомогенизированное цельное молоко (содержание жира 3,5%, Emmi, г. Люцерн, Швейцария) концентрировали на испарителе с падающей пленкой Scheffers 3 effects (Scheffers B.V.) до 50%-го общего содержания твердых веществ. Молочный концентрат охлаждали на пластинчатом теплообменнике до 4°C, и по результатам измерений pH гомогенизированного жидкого молочного концентрата составлял 6,5. Композицию снова нагревали до 60°C с использованием пластинчатого теплообменника и впоследствии нагревали до 85°C с использованием системы прямого впрыска пара (собственной конструкции Nestlé) со временем выдержки 15 секунд. После термической обработки молочный концентрат быстро охлаждают с использованием теплообменника 3VT460 CREPACO (от APV Invensys Worb) до температуры 40°C. Молочный концентрат затем высушивают распылением на установке Nestlé (собственной конструкции) Egron, 3,5 м с использованием двухфазной форсунки (сопло диаметром 1,8 мм) до максимального влагосодержания 3% и упаковывают в герметичные пакеты. Условия распылительной сушки: поток продукта 413 кг/ч при 37°C, температура горячего воздуха на впуске 270°C, скорость потока воздуха 4664 кг/ч и температура воздуха на выходе 88°C.
Образец настоящего изобретения
Имеющееся в продаже пастеризованное гомогенизированное цельное молоко (содержание жира 3,5%, Emmi, г. Люцерн, Швейцария) концентрировали на испарителе с падающей пленкой Scheffers 3 effects (Scheffers B.V.) до 37%-го общего содержания твердых веществ. Молочный концентрат охлаждают с использованием пластинчатого теплообменника до 4°C и добавляют 6,5 мМ хлорида кальция. Концентрат молока со скорректированным содержанием кальция снова нагревали до 60°C с использованием пластинчатого теплообменника и впоследствии нагревали до 95°C с использованием системы прямого впрыска пара (собственной конструкции Nestlé) со временем выдержки приблизительно 300 секунд. После термической обработки молочный концентрат быстро охлаждают с использованием теплообменника 3VT460 CREPACO (от APV Invensys Worb) до температуры 40°C. Молочный концентрат затем высушивают распылением на распылительной сушилке NIRO SD6 3N с использованием системы распылительных насадок с вращающимся диском при 17 000 об/мин до максимального влагосодержания 3% и упаковывают в герметичные пакеты. Условия распылительной сушки: основной поток 20 л/ч при 40°C, температура горячего воздуха на впуске 160°C и скорость потока воздуха 360 м³/ч при температуре воздуха на выходе 80°C.
Измерения распределения по размерам
Сухое молоко настоящего изобретения сравнивали с описанными выше стандартными образцами и анализировали методом лазерной дифракции, чтобы определить распределение частиц по размерам (PSD = Particle Size Distribution)
Перед измерением порошковые образцы восстанавливали. В химический стакан наливали дистиллированную воду и нагревали в водяной бане до 42°C – 44°C. Отмеряли объем 150 мл дистиллированной воды при 42°C – 44°C и переносили в стеклянный химический стакан при помощи мерного цилиндра. К 150 мл дистиллированной воды при 42°C добавляли сухое молоко в количестве 22,5 г и перемешивали ложкой в течение 30 с.
Дисперсия жидкого или восстановленного образца порошка в дистиллированной или деионизированной воде и измерения распределения частиц по размерам методом лазерной дифракции.
Использованные параметры измерений включают показатель преломления 1,46 для капель жира и 1,33 для воды при поглощении 0,01. Все образцы были измерены при степени затенения 2,0–2,5%.
Реологические характеристики
Образцы разводили до 50% ТВ, следуя описанной выше процедуре. Эксперименты по определению реологических характеристик проводили с использованием реометра с контролируемым напряжением сдвига Physica MCR501 (Anton Paar, Австрия) с кюветой с концентрическими цилиндрами CC27-SS/S (диаметр = 27 мм, зазор = 1,14 мм, Anton Paar, Австрия).
Измерения реологических характеристик в стационарном режиме проводили при постоянной температуре 25°C; к образцам прилагали напряжение сдвига 100 1/с в течение 5 минут с последующим применением четырех скоростей сдвига, в одном случае 0–100 1/с, а во втором случае 100–0 1/с, и такую процедуру повторяли дважды; выполняли 15 измерений каждые 30 с. Регистрировали кажущуюся вязкость в зависимости от скорости сдвига.
Для каждого измерения в чашку реометра помещали аликвоту (19 мл) образца эмульсии. Измерения проводили три раза.
Результаты
Распределение частиц по размерам
Распределение по размерам цельного молока после распылительной сушки при 50% ТВ определяли после разведения до 13% ТВ (фиг. 10). На фиг. 10A видно, что основной пик находился в области 0,5 мкм с последующим спадом до 6 мкм. Это указывает на то, что измерения капель молочного жира и мицеллярного казеина из молока происходит одновременно, и что в системе не происходило заметной агрегации. Для образца настоящего изобретения, который обрабатывали в присутствии 6,4 мМ добавленного хлорида кальция, распределение по размерам было сдвинуто в сторону больших по диаметру частиц. D(4,3) достигал 11 мкм, что определялось присутствием белковых агрегатов, тогда как незначительный остаточный пик в области около 0,5 мкм, по-видимому, относился к непрореагировавшим мицеллярным казеинам (фиг. 10B). Концентрации растворимых белков в контрольном образце молока составляли 33,5%, тогда как в образце, полученном в присутствии добавленного кальция, концентрация составляла 15,5%. Это еще раз подтверждает, что настоящее изобретение способствует агрегации белка и захвату капель масла агрегатами белка.
Реологические характеристики
Два образца сухого молока восстанавливали до 50% ТВ и сравнивали их реологические характеристики. Контрольный образец цельного молока после распылительной сушки при 50% ТВ характеризовался снижением сдвиговой вязкости и низким плато сдвиговой вязкости около 100 Па.с (см. фиг. 11). Молоко настоящего изобретения при восстановлении при 50% ТВ также характеризовалось снижением сдвиговой вязкости, но вязкость при низком сдвиге была в 100 раз больше, а область снижения сдвиговой вязкости имела гораздо более сильный наклон. Этот признак свидетельствует о высоком уровне структурированности образца, а также является доказательством взаимодействия между агрегатами белка. Это также показывает, что настоящее изобретение, очевидно, позволяет создавать более высокую вязкость при равном содержании жира и поэтому позволяет уменьшить содержание жира в пищевых продуктах.
Агрегаты на основе молочного белка, полученные при добавлении хлорида кальция в мороженое
Материалы и методы
Приготовление смеси для мороженого
Были проведены два испытания, и в обоих случаях приготовление смеси для мороженого было аналогичным. В смесителе Lanco было приготовлено 200 фунтов смеси со следующими концентрациями ингредиентов:
Таблица 3. Композиция смеси для мороженого
Ингредиент
Концентрация (%)
Сливки (жирность 40%)
13,397
Сгущенное обезжиренное молоко (30% SNF)
32,354
Вода
24,973
Жидкая сахароза (67% твердых веществ)
26,607
Сухая пахта
2,346
Гуаровая камедь
0,147
Пектин (этерификация 60%)
0,177
Целевые показатели конечной смеси: 36,7% твердых веществ, 5,5% жира, 13% сухого обезжиренного молочного остатка (SNF; solids-not-fat).
Затем смеси разделяли на образцы по 40 фунтов, добавляли хлорид кальция при перемешивании и оставляли без перемешивания на 30 минут перед обработкой. Смесь пастеризировали и гомогенизировали с помощью устройства Microthermix. Все смеси предварительно нагревали до 145°F, затем гомогенизировали при давлении 1500 на первой стадии и 500 на второй стадии. Конечное нагревание проводили при 182°F со временем выдержки 90 секунд. Затем смесь охлаждали до 45°F и хранили при 40°F в течение ночи. Во втором испытании все смеси аэрировали и замораживали в морозильной камере непрерывной заморозки KF-80. Температура извлечения для каждой смеси составляла 21°F, и каждое мороженое замораживали до 105% взбитости.
Определение ионного (свободного) кальция
Концентрацию ионного кальция измеряли с помощью чувствительного к кальцию электрода Mettler-Toledo perfectION и pH/мВ/ионометра Mettler-Toledo Seven Multi в режиме мВ. Концентрацию ионов кальция рассчитывали по показаниям в милливольтах по уравнению регрессии из стандартной кривой показаний мВ для стандартных растворов кальция 10, 25, 100, 250 и 500 мг/л. Такие стандартные растворы готовили из исходного раствора 1000 мг/л, поставляемого Mettler-Toledo.
Определение вязкости смеси
Вязкость смесей измеряли с помощью реометра MCR302 производства компании Anton Paar. Каждую смесь измеряли при 40°F (4,44°C) с помощью измерительной системы с коаксиальными цилиндрами CC27. Для расчета оценочной вязкости при сдвиге 0 использовали модель Оствальда — де Ваале (степенной закон).
Измерения плавления мороженого
Использовали анализатор расплавов Meltdown MDA-1 (Certa Fides GmbH) при 22°C. Образцы помещали на предварительно взвешенные проволочные сетчатые лотки (отверстие 2,4 мм, эквивалентное №8 меш США) и подвешивали на датчиках веса. Измерения массы мороженого, остающегося на сетчатых лотках, выполняли каждые 5 секунд в течение всего периода испытаний. На основании полученных результатов программное обеспечение MDA рассчитывает «% стекания», исходя из массы в данный момент времени по сравнению с первоначальной массой образца.
Распределение частиц по размерам
Распределение частиц по размерам определяли с помощью анализатора размеров частиц Malvern Mastersizer 3000. Температура образца составляла 4,4°C со следующими параметрами прибора: без ультразвука, скорость перемешивания 1700 об/мин, показатель преломления частиц 1,4550, коэффициент поглощения 0,100, показатель преломления дисперсанта 1,3300.
Микроструктура образца
1 часть смеси для мороженого по массе разбавляли 9 частями буферного раствора красителя толуидинового синего O по массе и перемешивали. Концентрация красителя составляла 0,04 мас.%, растворенного в смеси 0,5 мас.% калибровочного буферного раствора Ricca/BDH pH 7 в деионизированной воде и профильтрованного через фильтровальную бумагу для удаления какого-либо нерастворенного материала. Буферный раствор pH 7 содержит NaH2PO4 и K2HPO4. Через 60 секунд 2 капли окрашенной смеси для мороженого помещали на предметное стекло микроскопа и покрывали каждую квадратным покровным стеклом размером 22 мм. Использовали 10х объектив микроскопа с оптикой DIC и регистрировали 40 изображений при сканировании обоих покровных стекол.
Результаты
Определение ионного кальция показало, что содержание свободного кальция в мороженом увеличивается при добавлении в смесь хлорида кальция (фиг. 12). Неожиданно было обнаружено, что изменение наклона становится очевидным при критической концентрации добавленного CaCl2 8 мМ, что может соответствовать поверхностному насыщению белков ионами кальция в данной рецептуре для мороженого.
Как уже отмечено в примере 1, добавление хлорида кальция приводило к линейному снижению рН, что указывает на вытеснение ионами кальция белков с поверхности белков и, следовательно, снижение плотность их заряда (см. фиг. 12).
Вязкость мороженого
Как показано на фиг. 14, при пастеризации вязкость смеси для мороженого увеличивалась при увеличении концентрации свободного кальция до 0,25 г/л (6,25 мМ кальция). Такое увеличение вязкости, вероятно, связано с образованием агрегатов белка в смеси таким образом, чтобы происходило взаимодействие частиц. После дополнительного увеличения количества кальция в смеси было отмечено снижение вязкости, которое могло быть отчасти обусловлено диссоциацией мицеллярных казеинов, а также избыточным зарядом поверхности белка, так что агрегация частиц была затруднена.
Размер и морфология частиц
Результаты измерения размеров частиц после разбавления смеси для мороженого указывали на формирование агрегатов частиц (см. таблицу 4). Видно, что D(4,3) увеличивался вплоть до добавления 10 мМ CaCl2, а затем снижался при дополнительном добавлении ионов кальция. Морфологию агрегатов можно наблюдать на фиг. 15, где показаны микрофотографии смеси для мороженого, на которых агрегаты на основе белка окрашены с использованием толуидинового синего. В контрольной смеси для мороженого наблюдали агрегаты очень малых размеров (фиг. 15A), тогда как в присутствии 0,15% добавленного CaCl2, что соответствовало 10 мМ свободного кальция, формировались частицы гораздо больших размеров (фиг. 15B).
Таблица 4. Средний размер частиц (D 4,3) в смеси для мороженого в зависимости от добавления хлорида кальция
CaCl2 (мМ)
0
1,36
3,4
5,44
10,2
13,61
17,00
D(4,3) в мкм
1,25
1,25
3,06
4,58
16,21
11,28
9,24
Плавление мороженого и неформальная дегустация
На фиг. 16 представлены профили плавления мороженого, содержащего различные концентрации добавленного хлорида кальция.
Видно, что низкая концентрация добавленного кальция приводила к такому же профилю плавления, что и контрольный образец, тогда как более высокое содержание кальция приводило к более медленному плавлению. Поэтому уровень агрегации белка, вызванной кальцием, оказывает важное воздействие на готовое мороженое, и его следует регулировать в зависимости от потребностей.
Дегустацию образцов проводила группа экспертов, и было обнаружено, что добавление хлорида кальция в низкой концентрации приводило к приятному вкусу образцов, тогда как более высокие концентрации приводили к заметным проблемам текстуры и вкуса (см. таблицу 5).
Таблица 5. Результаты органолептической оценки
CaCl2 в смеси, мМ
Текстура (по сравнению с 0%)
Вкусоароматические свойства (по сравнению с 0%)
3,4
Очень похоже, немного менее холодное
Нет различий
10,2
Более однородный, более тягучий, медленнее плавится
Небольшой посторонний привкус, нельзя считать неудовлетворительным
17,00
Немного более однородный, несколько менее холодный, несколько медленнее плавится
Очень сильный посторонний привкус, мучнистый, вкус дезинфицирующего средства
Следует понимать, что специалистам в данной области будут очевидны различные изменения и модификации предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления, описанных в настоящем документе. Такие изменения и модификации можно вносить без отступления от сущности и объема объекта настоящего изобретения и без уменьшения его предполагаемых преимуществ. Следовательно, предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает такие изменения и модификации.