Научные основы производства продуктов питания

Аэробные микроорганизмы в среде поваренной соли не развиваются. Применяется слабое, среднее и сильное соление. Чем больше используется поваренной соли, тем дольше хранится продукт и тем хуже его качество. Соль приводит к порче белков, они укрепляются, ионы Cl ингибирующе действуют на протеиназы.

III. Химические и биохимические методы консервирования.

Эти методы связаны с изменением состава продуктов в результате добавления к ним каких-либо консервирующих веществ или же образования этих веществ в результате биохимических процессов, протекающих под действием ферментов, выделяемых некоторыми видами микроорганизмов.

Добавление пищевых кислот создаёт рН среды, неблагоприятной для размножения микроорганизмов. Консервирование молочной кислотой основано на молочнокислом брожении. Накопление 0,7…1,5 % молочной кислоты препятствует развитию гнилостных микроорганизмов и способствует сохранению продуктов.

Добавление уксусной кислоты в количестве 1…2 % в виде маринадов замедляет развитие микробов и способствует удлинению сроков хранения продуктов.

Хранение продуктов в среде углекислого газа. Наличие углекис-

лого газа в атмосфере в количестве 20…30 % замедляет, а 50…80 % – приостанавливает развитие микроорганизмов.

Химические и биохимические явления служат одним из факторов сохранности копчёных изделий. Копчению подвергаются мясо и рыбопродукты. Дымовые вещества действуют отрицательно на микроорганизмы. Сейчас используются жидкие коптильные растворы, антисептические вещества из жидкостей и газов: смолы, фенол, крезол, формальдегид. Сохранность продуктов при копчении обеспечивается за счёт таких факторов, как: частичное обезвоживание; образование антисептических веществ; высокая температура; присутствие поваренной соли.

Внесение антисептиков (уротропин, сернистая кислота). Широко применяется добавка сернистой кислоты, её солей и сернистого газа для сульфитации пюре, плодов в количестве 0,1…0,2 % к массе сухого вещества продукта. Их использование оказывает сильное бактерицидное действие, упрощает технологию консервирования, улучшает цвет продукта, способствует сохранности витамина С. Однако серосодержащие вещества токсичны для человека, поэтому перед переработкой производится десульфитация продукта.

Применение уротропина разрешается только при консервировании икры.

21

Бензойная кислота и её натриевая соль используются при консервировании фруктов, овощей: они подавляют развитие плесени, дрожжей, но слабо действуют на бактерии. Наиболее эффективны реагенты в кислых средах при рН среды 25. Добавляют их в количе-

стве 0,05…0,1 %. Недостаток их использования – продукт темнеет, и остаётся привкус. Некоторые ягоды (клюква, брусника) содержат бензойную кислоту и способны к самосохранению.

Очень активным консервантом является сорбиновая кислота. Она безвредна, вносится в малых дозах (0,05…0,1 %) в кондитерские, плодоовощные и другие изделия.

Консервирование фитонцидами. Фитонциды выделяются выс-

шими растениями, особенно сильно чесноком, луком, горчицей. Фитонциды лука и чеснока мгновенно губят холерные вибрионы. Многие водоросли выделяют фитон, осветляющий воду. Консервирование данным методом не нашло широкого применения, но опыты ведутся в этом направлении.

Консервирование этиловым спиртом. При концентрации этило-

вого спирта 10…20 % развитие микроорганизмов замедляется, а свыше 20 % (вина) – происходит их гибель.

Использование антибиотиков. Для консервирования в качестве антибиотика применяется низин. Он выделяется молочнокислыми бактериями и содержится в молочнокислых продуктах, обладает сильным действием на бактерии, но слабым – на плесени и дрожжи. Добавление его в количестве не более 0,001 % вместе с сорбиновой кислотой сокращает тепловую обработку до 70 %. Низин используется при консервировании зелёного горошка, томатов и т.п.

22

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

2.1. Структурно-механические свойства пищевых продуктов

На исходное сырье и готовую продукцию распространимо понятие системы как объективного единства закономерно связанных друг с другом предметов (компонентов). Одно из важнейших технологических свойств таких систем – это особенность их структуры, т.е. взаимное расположение и взаимосвязь составляющих продукты компонентов. Детальное изучение закономерностей и кинетики структурных изменений в пищевых системах в ходе технологической переработки является основой для усовершенствования и интенсификации самих технологических процессов, а также возможности их механизации и автоматизации.

Многие виды сырья и готовых изделий представляют собой дисперсные системы, состоящие соответственно не менее чем из двух фаз

– дисперсной фазы и дисперсионной среды, что позволяет рассматривать их в качестве объектов физико-химических дисперсных систем. Причем большая часть пищевой продукции является многокомпонентными смешанными дисперсными системами, т.е. одновременно пеной и эмульсией или эмульсией и суспензией, с возможным приоритетом одного из типов систем. При этом практика и теория свидетельствуют о том, что им присущи многие свойства и закономерности, характерные для идеальных дисперсных систем того или иного типа.

Определяющая роль поверхностных явлений, которые характерны для дисперсных систем и проявляются в технологических процессах, зависит от дисперсности фазы. Заметно они проявляются, если размер частиц дисперсной фазы составляет 1·10-5 м и менее.

Такие изделия, как муссы, кремы, самбуки, соусы на растительном масле, овощные пюре и ряд других, при механическом способе их получения по дисперсности дозы соответствуют или близки к указанной величине. При ручном грубом измельчении продуктов частицы дисперсной фазы редко бывают менее 10-2–10-3 м. Гравитационную устойчивость подобных суспензий на практике повышают посред-

23

ством увеличения вязкости дисперсионной среды, например при выработке супов-пюре.

В табл. 1 приведено возможное подразделение некоторых видов пищевой продукции по типам классических дисперсных систем в соответствии с агрегатным состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Таблица 1

Классификация пищевой продукции в качестве дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы

Агрегатное состояние		Жидкость		Твёрдое тело
дисперсионной среды
Агрегатное состояние	Жидкость	Газ	Твёрдое	Жидкость	Газ		Твёрдое
дисперсной фазы			тело				тело
Классическое определе-	Эмульсия	Пена	Суспензия	Твёрдые растворы
ние дисперсной системы			(кол. сист.)
Пищевая продукция	Соусы: майонез, голландский. Заправки: салатная, горчичная	Коктейли, взбитые сливки	Супы-пюре, икра овощная, соусы основные с протёртым гарниром, пюре из овощей	Подвергнутые тепловой обработке овощи, фрукты	Муссы, самбуки, безе, некоторые выпеченные изделия		Крупеники, запеканки, пудинги

Многие естественные пищевые продукты, используемые в практике, – мясо, овощи, крупы, фрукты – по размеру пор и содержащихся в них в растворённом состоянии веществ (белки, жиры в эмульгированном состоянии и др.) представляют собой системы с достаточно высокой дисперсностью фазы.

В соответствии с вышеизложенным структура дисперсных систем определяется:

-свойствами частиц дисперсной фазы;

-свойствами дисперсионной среды;

-взаимодействием частицдисперснойфазысдисперсионнойсредой;

-взаимодействием частиц дисперсной фазы между собой. Свойства дисперсной фазы и дисперсионной среды и их взаимо-

действие в совокупности устанавливают присущие пищевой продук-

24

ции структурно-механические показатели. И хотя многие изделия имеют сложную неоднородную структуру, в которой можно выделить твёрдые и жидкие компоненты, нарушение непрерывности тела и другие особенности (например, неоднородность котлетной массы), вследствие которых свойства изделий изменяются от одной точки к другой, фактические исследования показывают, что для многих из них теоретические представления о вязкости, упругости и пластичности могут быть с успехом использованы для описания механических свойств

иподбора оборудования для их производства и регулирования режимов обработки.

Без описания структурно-механических свойств дисперсных масс невозможно не только изучить закономерности их образования, но

иобосновать технологические параметры их переработки.

Спозиций существующих представлений о деформационном поведении идеализированных материалов (тел) (табл. 2) можно выделить группу реологических показателей, позволяющих дать достаточно полное описание упруговязкопластичных свойств продукции.

Таблица 2

Реологические характеристики простых идеализированных тел

Тело	Вид	График течения	Уравнение	Условные
	модели		состояния	обозначения
Тело Гука				Р –	касательное
				или	нормальное
				напряжение, Па;
			Р = Е	ε, γ – линейная
				или	угловая де-
			Р = G·γ	формация;
				Е – модули упру-
				гости при линей-
				ной или угловой
				деформации, Па
Жидкость				γ΄	– скорость
Ньютона				сдвига, с-1;
			Р = η·γ΄	η – вязкость при
				сдвиге, Па·с

25

Тело			При Р < Рт	Рт – предел теку-
Сен-Венана			деформация	чести при сдви-
			отсутствует,	ге, Па
			при Р = Рт –
			течение тела

Упругость или жесткость продуктов характеризуют модулем упругости растяжения (сжатия) Е или модулем упругости сдвига G1, которые связаны отношением

Е = 2G1 (1+М),

где M – коэффициент Пуассона для жидкообразных систем, близкий по значению к 0,5.

Специфика упругой (обратимой) деформации многих реальных тел и продуктов заключается в том, что часть упругой деформации развивается с высокой скоростью (условно-мгновенная деформация), а часть – замедленно во времени (деформация запаздывания, или высокоэластическая деформация). Проявление последней определяют термином «упругое последействие».

Условно-мгновенная деформация фигурирует в формулах для вычисления модулей упругости Е и G1, которые часто называют также условно-мгновенными.

Способность продуктов к высокоэластической деформации определяют модулем эластичности G2:

G2 =	P	=	P	,
	εm −ε0
			εэ

где Р – касательное или нормальное напряжение, Па; εm – суммарная (общая) деформация;

ε0 – условно-мгновенная деформация; εэ – высокоэластическая деформация.

Если невозможно строго разграничить во времени условно-мгно- венную и высокоэластическую деформацию, определяют равновесный модуль:

Gр=	P		=	G1 G2	.
	ε
		m		G +G
				1 2

Отношение εэ/εm иногда используют в качестве характеристики эластичности системы.

Развитие (при Р = const) и спад (Р = 0) упругих деформаций в продуктах можно представить графически (рис. 1).

Деформация может быть как линейная, так и угловая.

26

В случае упругопластичных структур (а) за время τ в продукте полностью развилась высокоэластическая деформация, а после снятия напряжения и условно-мгновенная и высокоэластическая деформация полностью спали, продукт вернулся в исходное состояние.

Практически для реальных тел подобная картина не наблюдается, так как, во-первых, скорость натекания эластической деформации очень мала и достичь ее полного развития не удаётся. Поэтому модуль эластической деформации определяют на момент конкретного времени ее развития. Во-вторых, наряду с развитием высокоэластической деформации в системе возможна незначительная пластическая деформация, и протекают релаксационные процессы.

		ε
	εm
	εТ	ε0
	а	εэ
	εэ
	ε0	εТ

0	τ
ε

	εm
б	εэ	ε0

ε0 εэ

0	τ

Рис. 1. Зависимость деформации при напряжении и разгрузке для упругопластичных (а)

и упругих (б) структур:

ε0 – условно-мгновенная деформация; εэ – высокоэластическая деформация; εТ – деформация течения;

εm – суммарная (общая) деформация

В результате релаксации упругие напряжения в системе, возникшие в теле вследствие его деформации при приложении силы, расса-

27

сываются, а деформация из упругой переходит в остаточную. Релаксация объясняется некоторой подвижностью молекул и других структурных элементов системы и их способностью перемещаться друг относительно друга в результате теплового движения.

Если время воздействия деформирующей силы значительно меньше периода релаксации, то за это время остаточная деформация не успевает развиться, и тело ведет себя как твердое упругое, т.е. чем больше период релаксации, тем в большей степени проявляются упругие и высокоэластические свойства тела. Следует учитывать, что релаксация до конца не идет.

Релаксационные свойства систем имеют значение при производстве штампованной продукции: коржиков, пряников и др. Время воздействия штампа на продукт должно соответствовать релаксационным процессам, т.е. спаду упругих напряжений в нем в такой степени, чтобы после снятия штампа заданный им рисунок хорошо сохранялся.

Структурированные дисперсные системы, каковыми является вся пищевая продукция, подразделяют на два типа: жидко- и твердообразные (рис. 2).

γ

γ

η	η0	η
	η(р)
	ηm	ηm

РУ

Рис. 2. Зависимость скорости сдвига и вязкости от напряжения для жидкообразных (а) и твердообразных (б) систем:

η0 – наибольшая вязкость неразрушенной структуры;

28

ηm – наименьшая вязкость разрушенной структуры; η(р) – эффективная вязкость; РУ – предел упругости

(как адекватные используются термины: предел прочности, предел текучести, предельное напряжение сдвига)

К жидкообразным системам относят структурированные жидкости. Течение этих систем происходит при сколь угодно малом напряжении сдвига с постоянной скоростью, если время действия напряжения превосходит период релаксации. В отличие от истинных (ньютоновских) жидкостей, характеризующихся наличием пропорциональности градиента скорости и действующего напряжения во всем диапазоне напряжений и, следовательно, постоянным значением вязкости, в структурированных жидкообразных системах вязкость зависит от

напряжения сдвига и нелинейна в зоне Р1 – Р2. ПриР < P1 система характеризуется наибольшей (ньютоновской) вязкостью практически неразрушенной структуры – η0, при Р > Р2 – наименьшей (ньютоновской) вязкостью предельно разрушенной структуры – ηm. В области P1 – Р2 вязкость нелинейна, и при её характеристике указывают напряжение или скорость, при которых она снята. Подобную вязкость определяют термином «эффективная вязкость» [η(р)].

К твердообразным системам относятся как упругоили эластичнохрупкие, так и упругопластичные тела. В отличие от жидкообразных систем, твердообразные имеют предел упругости РУ, ниже которого период релаксации и вязкость стремятся к бесконечности, а системы начинают течь лишь при напряжениях выше этой величины.

При напряжениях ниже предела упругости имеют место лишь упругие или высокоэластические деформации, исчезающие после снятия напряжения. При напряжении выше предела упругости имеется участок медленного течения типа ползучести с незначительным разрушением структуры, которое ограничивается предельной деформацией, характерной для твердых тел. Последующее увеличение напряжения превосходит предел прочности системы РП и вызывает лавинное разрушение жесткого каркаса, и в системе в зависимости от вида структуры возникает или разрыв сплошности (чисто кристаллизаци- онно-конденсационные структуры), или течение, уже не ограниченное предельной деформацией (смешанные кристаллизационно- коагуляцион-ные структуры). До напряжения, вызывающего предельное разрушение структуры, вязкость определяется как эффективная, зависящая от напряжения или скорости сдвига.

29

Свойствами жидкообразных структурированных систем обладают многие напитки, близки к ним по поведению, вследствие малой величины предела упругости, соусы, супы-пюре и др. Свойства твердообразных систем характерны для изделий из котлетной массы, вареных овощей, желе и др.

В целом для характеристики структурно-механических свойств пищевой продукции целесообразно использовать следующие реологические показатели: условно-мгновенный модуль сдвига, модуль эластичности (упругого последействия), равновесный модуль сдвига, наибольшую вязкость неразрушенной структуры, эффективную вязкость, наименьшую вязкость разрушенной структуры, предел упругости, границу прочности неразрушенной структуры, напряжение предельного разрушения структуры, а также релаксационные характеристики.

Как сказано выше, любая дисперсная система характеризуется взаимодействием дисперсной фазы с дисперсионной средой и по этому признаку подразделяется на гидрофильные (лиофильные) и гидрофобные (лиофобные) системы. Для первых свойственно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы с водной средой, для вторых – слабое.

Типично гидрофильные системы термодинамически устойчивы

ихарактеризуются самопроизвольным диспергированием. Оно может протекать при условии, что увеличение свободной энергии компенсируется уменьшением энтальпии в ходе гидратации и ростом энтропии системы за счет поступательного движения образующихся частиц.

Практика с подобными продуктами встречается нечасто – это сухое обезжиренное молоко, альгинат натрия, некоторые виды пектинов

идр. Большая часть продуктов представляет собой гидрофобногидрофильные системы.

По характеру связей между частицами фазы (в том числе макромолекулами) дисперсные структуры подразделяют на коагуляционные, конденсационно-кристаллизационные и смешанные коагуляци- онно-кристаллизационные. При производстве продукции массового питания все они имеют место.

Структурно-механические свойства многих продуктов определяют коагуляционные структуры с жидкой коагуляционной средой. Интенсивность взаимодействия между частицами устанавливается ван-

30