Аналіз рецептурного складу і технологічного процесу виробництва загартованого морозива

2.1.2 Аналіз рецептурного складу і технологічного процесу виробництва загартованого морозива

Виробництво морозива - це складний технологічний процес, що поєднує в собі цілий ряд стадій обробки сировини і сумішей для морозива. До них можна віднести наступні:

-      змішування і розчинення компонентів суміші для морозива;

-      теплова обробка рідкої суміші (пастеризація), її фільтрування;

-      гомогенізація;

-      охолодження;

-      збереження;

-      піноутворення та заморожування суміші в процесі фризерування;

-      загартовування та зберігання морозива.

Механічне змішування сухих компонентів - цукру-піску, сухого молока, стабілізатора, емульгатора, які призначені для приготування суміші для морозива, необхідне для полегшення процесу розчинення їх в рідкому компоненті суміші (молоко, вода). Необхідну по рецептурі сировину підготовлюють і вводять у змішувальну ванну в такому порядку:

-      рідкі продукти - молоко, вершки, вода, сироватка, знежирене молоко, йогурт та ін.;

-      згущені молочні продукти - молоко згущене цільне і знежирене з цукром, згущені вершки з цукром, згущена сироватка й ін.;

-      сухі молочні продукти, цукор-пісок, какао-порошок, яєчний порошок, плодово-ягідні й овочеві порошки, стабілізатори й ін .

Із перелічених сухих компонентів найгірше розчиняються сухе молоко та деякі види стабілізаторів, особливо пшеничне борошно, крохмаль, желатин, пектин. Їх розчинення ускладнюється при вузькому рівні перемішування під час розчинення; при низькій або занадто високий температурі рідкого компоненту, в якому відбувається розчинення. Складнощі при цьому пояснюються тим, що сухе знежирене молоко, стабілізатори мають високодисперсну структуру та високу гідрофільність. Поєднання цих двох властивостей призводить при попаданні в рідину до утворення, на межі контакту сухого гідрофільного компоненту та рідини шару злиплих частинок сухого компоненту, який покриває велику його масу з утворенням грудочок сухого компоненту різного розміру. Особливо це явище небезпечне при високій температурі для крохмалю та пшеничного борошна, коли відбувається клейстеризація крохмальних зерен та утворення водонепроникного шару на поверхні грудочок. Тому часто застосовується взаємне, попереднє змішування сухого молока і стабілізатора з цукром-піском, яке значно полегшує та прискорює розчинення їх в рідкому компоненті. Крім того, одним з альтернативних рішень є використання нових видів стабілізаторів, в яких усунено недоліки, що перешкоджають розчиненню [1].

Із практичного досвіду відомо, що розчинення сухих компонентів найбільш легко відбувається при температурі 35…45 °С. Процес розчинення значно полегшується та прискорюється при збільшенні інтенсивності перемішування.

Теплова обробка (нагрівання) суміші здійснюється, по-перше, - для пастеризації суміші; по-друге, - для найбільш повного розчинення компонентів суміші; по-третє, - для можливості проведення процесу гомогенізації жировмісних сумішей; по-четверте - для переведення в активний стан стабілізатора.

Пастеризація суміші для морозива необхідна для знищення ферментів і патогенних мікроорганізмів, зменшення загальної кількості мікроорганізмів в суміші, а також для запобігання небажаним біохімічним процесам в готовій суміші. На підприємствах, що виробляють морозиво, суміш пастеризують в апаратах безупинної дії - автоматизованих пластинчастих пастеризаційно-охолоджувальних установках, трубчастих пастеризаторах і пастеризаторах із барабаном, виштовхує, а також в апаратах періодичної дії - ваннах із змієвиковою мішалкою, ваннах тривалої пастеризації, паро-варильних казанах і т. ін. Температурні режими пастеризації лежать в межах від 70 до 95°С в залежності від її тривалості. Такі різноманітності режимів теплової обробки сумішей пояснюється тим, що конструктивні особливості теплообмінних установок забезпечують різну інтенсивність обробки суміші; збільшення температури обробки або її тривалості прискорює та інтенсифікує знищення мікроорганізмів в ній.

При нагріванні вміст енергії в суміші для морозива підвищується. Тепловий рух частинок компонентів і атомів в їх молекулах посилюється. Внаслідок цього під час нагрівання всі складові частини суміші для морозива з незначною енергією зв’язку можуть змінюватися. Найбільшим змінам піддаються білки сироватки (денатурують), ферменти і частина вітамінів (руйнуються). Казеїн та істинно розчинні складові змінюються незначно.

Під дією нагрівання в сумішах на молочній основі відбуваються, по-перше, реакції меланоїноутворення, які сприяють формуванню таких органолептичних показників морозива як аромат і забарвлення, а, по-друге, подальша гідратація гідроколоїдів, формування адсорбційного шару молекул води на поверхні білків та стабілізатора, що супроводжується підвищенням в’язкості системи.

Для видалення із суміші грудочок сировини, що не розчинилися (сухого молока, стабілізаторів й ін.), і можливих різноманітних механічних домішок її фільтрують після розчинення компонентів і після пастеризації.

Так як суміш сировини представляє собою грубу жирову емульсію на наступному етапі теплової обробки її піддають гомогенізації. При цьому відбувається подрібнення жирових кульок під дією зміни гідравлічних швидкостей руху потоку суміші в тонкому каналі гомогенізуючого пристрою гомогенізатора. Під час подрібнення жирових кульок значно зростає їх кількість і на новоутворених жирових кульках формується стабілізуючий шар із білків плазми суміші або емульгаторів та відбувається його стабілізація.

Суміші гомогенізують при температурі, близькій до температури пастеризації, не допускаючи охолодження сумішей. Чим більше масова частка жиру в суміші, тим менше повинний бути тиск гомогенізації. Застосовують такі тиски гомогенізації: при одноступінчастій гомогенізації для молочної суміші - від 125 до 150 кгс/см², вершкової суміші - від 100 до 125 кгс/см², пломбіру - від 70 до 90 кгс/см². При використанні двохступінчастого гомогенізатора тиск на першому щаблі відповідає тиску по кожному виді суміші на одноступінчастому гомогенізаторі, а на другій - для усіх видів суміші - від 45 до 50 кгс/см².

Після пастеризації і гомогенізації суміш охолоджується до температури не вище 6°С. При цьому відбувається два важливих процеси підготовки суміші до фризерування. По-перше, відбувається кристалізація частини молочного жиру - близько 40 %. По-друге, відбувається гідратація гідроколоїдів, в тому числі молочних білків і стабілізаторів, які були використані для приготування суміші, наслідком чого є підвищення в’язкості сумішей. Кількість утриманої вологи при цьому залежить від виду та властивостей стабілізатора, а точніше від його вологоутримуючої здатності (ВУЗ).

Фризерування - основний процес виробництва морозива, при здійсненні якого відбувається часткове заморожування і насичення сумішей повітрям, що у продукті розподіляються у вигляді дрібних пухирців. У процесі фризерування суміші утворюється структура морозива, що остаточно формується при наступній холодильній обробці продукту.

Для фризерування використовують фризери періодичної та безупинної дії. Повітря в суміш вробляється в циліндрі фризера шляхом її збивання збивально-перемішуючою частиною фризера. Суміш для морозива і повітря одночасно подаються насосом в циліндр фризера, який має робочий вал, що виконує збивальну та зрізаюче-перемішувальну функції.

Механізм утворення кульки піни полягає у формуванні адсорбційного шару на міжфазній поверхні газоподібного включення (повітря) в рідкому середовищі, що містить поверхнево-активні речовини. Швидкість формування такого шару визначається швидкістю дифузії молекул поверхнево-активних речовин із глибини фази розчину до поверхні включення. Піноутворююча здатність сумішей для морозива залежить як від вмісту, так і від складу сухих речовин, виду використаного стабілізатора, температури, в’язкості, поверхневого натягу, кислотності (рН) та інших факторів. Здатність сумішей для морозива утворювати пінну структуру обумовлена наявністю в їх складі поверхнево-активних речовин. В ролі поверхнево-активних речовин в сумішах для морозива виступають молочні білки, стабілізатори та емульгатори, які мають неполярні (олеофільні) групи, що розташовані асиметрично відносно полярних гідрофільних груп. Поверхнево-активні речовини переходять з фази розчину суміші на межу розділу фаз повітря/суміш. Жирові кульки, при цьому, орієнтуються частково навколо повітряних кульок у вигляді ланцюжків в незамерзлій частині морозива. В процесі фризерування жировмісних сумішей для морозива відбувається дестабілізація (руйнування оболонок) молочного жиру під дією інтенсивного перемішування суміші мішалкою і часткової кристалізації жиру в кульках. Частина жиру може бути видавленою із жирової кульки. Рідкий жир прикріплюється до зовнішньої поверхні оболонок, і коли до такої жирової кульки наближаються інші жирові кульки, всі ці жирові кульки з’єднуються (агломеруються) між собою. Вільний рідкий жир, який може утворюватися при послідуючому деемульгуванні, сорбується на поверхні повітряних кульок, при послідуючому охолодженні твердіє і утворює міцний каркас навколо повітряної кульки [1,3, 4].

Наступним етапом при фризеруванні сумішей, є перетворення в фазі розчину. Волога, яка є розчинником всіх розчинних складових суміші для морозива, при зниженні температури нижче кріоскопічної підлягає фазовому перетворенню - перетворюється на лід. Частка вологи, що підлягає вимерзанню під час фризерування і послідуючого загартовування різна для різних видів морозива і визначається їх складом - масовою часткою вільної вологи (залежить від ВУЗ стабілізатора та інших компонентів) та концентрацією розчинених в ній речовин.

Паралельно з процесом вимерзання вологи в морозиві на молочній основі відбувається один із важливих фізичних процесів - фазові зміни лактози, тобто формування її кристалів (від 10 до 70 мкм), яке залежить від концентрації останньої в розчині. Підвищення концентрації лактози призведе до прискорення утворення центрів кристалізації та інтенсифікації процесу в цілому. З цього випливає, що вимерзання води та лактози пов’язані між собою, тобто обидва залежать від якісного та кількісного вмісту вологоутримуючих речовин. А чим менші їх кристали та більш рівномірно вони розповсюджені у загальній масі морозива, тим краще його якість.

У виробництві загартованого морозива продукт після фризерування піддають подальшому заморожуванню (загартовуванню), намагаючись наблизити температуру морозива до температури камери схову (-18...-20°С) і нижче. Цей процес варто проводити в максимально короткий термін, щоб не припустити істотного збільшення розмірів кристалів льоду, які утворилися під час фризерування. Цей процес призводить до ще більшого концентрування лактози в розчині, зростання кількості великих кристалів, прискорення їх росту і появі вад борошнистість та пісчанистість.

Існують принципові відмінності при виробництві м’якого та загартованого морозива. У фризерах для м’якого морозива суміш та готове морозиво знаходяться значно довше і тому підлягає більш тривалій механічній дії, чим у фризерах для загартованого морозива. Тому при його приготуванні та зберіганні найбільш ймовірне виникнення пороків, обумовлене збільшенням жирових часточок. Дестабілізації та деемульгуванню жиру сприяють також тривалий вплив низьких температур та порівняно невелика збитість [5]. Незважаючи на рухливу стійкість структури м’якого морозива, вміст стабілізатора в ньому, передбачений рецептурою, набагато менший ніж у загартованому (табл.2.2).

Суміші морозива є складними системами. В їх водній фазі (60...70% від маси сумішей) знаходиться декілька складових частин, які відрізняються не тільки розмірами часточок, а й хімічним складом. Це такі, як солі органічних та неорганічних кислот, сахароза, лактоза, сечовина, молочні білки, стабілізатори та жирові включення. Згідно з класифікацією за агрегатним станом в залежності від температури морозиво можна розглядати як емульсію або суспензію молочного жиру та як концентровану емульсію газу у воді, тобто піну [1]. Таблиця 2.2 - Вміст стабілізатора в м’якому та загартованому морозиві [6]

Найменування морозива	Вміст стабілізатора в морозиві, %
	загартованому	м’якому
Молочне	3	0,3
Вершкове	3	0,3
Пломбір	3	0,3
Фруктово-ягідне	4-5	0,6-1
Ароматичне	5-7	0,5-1
Аматорські види	3-5	0,5-1

Для отримання таких систем необхідне використання певної сировини, яку умовно можна розділити на основну та допоміжну (смако-ароматичні та функціональні добавки). З основної сировини частіше за все використовують молоко та молочні продукти, рідкіше - плодово-ягідні та овочеві пюре, соки, яйця, рослинні жири та ін.

Аналіз ринку показав, що не зважаючи на широкий асортимент морозива, представлений сучасним зарубіжним та вітчизняним виробником, його склад базується на класичних рецептурах традиційних видів морозива – молочного, вершкового, пломбіру, плодово-ягідного (табл. 2.3, 2.4).

Таблиця 2.3 - Рецептури молочного, вершкового морозива та пломбіру (в кг на 1т) [6]

Найменування сировини	Найменування морозива
	Молочне	Вершкове	Пломбір
Молоко коров’яче незбиране (жир 3,2%, сомо 8%)	684	25	480
Масло коров’яче несолоне (жир 82,5%)	15,9	-	131,5
Молоко нежирне згущене з цукром (сомо 26%, цукор буряковий 44%)	174,2	331,2	-
Молоко незбиране згущене з цукром (жир 8,5%, сомо 20%, цукор буряковий 43,5%)	-	-	308
Вершки з коров’ячого молока (жир 40%, сомо 4,8%)	-	248	-
Цукор буряковий	83,4	14,3	26,1
Агар	3	3	3
Вода питна	39,5	378,5	51,4

Таблиця 2.4 - Рецептури деяких видів плодово-ягідного морозива (в кг на 1т) [6]

Найменування сировини	Морозиво
	із суниці , полуниці, малини	з винограду	з чорниці, голубиці	з журавлини	з лимону
1	2	3	4	5	6
Пюре та сік із суниці, полу ниці, малини (сухі речовини 10%, кислотність 200оТ)	300	-	-	-	-
Пюре та сік з винограду (сухі речовини 16%, кислотність 100оТ)	-	250	-	-	-
Пюре та сік з чорниці, голубиці (сухі речовини 10-12%, кислотність 200оТ)	-	-	200	-	-
Пюре та сік із журавлини (сухі речовини 6%, кислотність 450°Т)	-	-	-	150
Пюре та сок з лимонів (сухі речовини 10,5%, кислотність 900оТ)	-	-	-	-	77
Цукор буряковий	240	240	240	240	240
Те ж додатково для приготування інвертного сиропу	80	80	80	80	80
Агар	4	5	5	5	5,5
Кислота лимонна харчова	0,64	2,88	1,92	0,16	-
Вода питна	375,36	422,12	473,08	524,85	597,5

Аналізуючи рецептурний склад треба сказати, що за кількісним складом найважливішим компонентом в морозиві є молоко та молочні продукти, що пояснюється вмістом в них молочного білку, який відіграє у технологічному процесі певну роль. По-перше, під час гомогенізації він утворює емульсію жирових кульок та стабілізує її до повного охолодження. При витримці суміші білок десорбує з поверхні частинок жиру, після чого частинки білка стають більш гідратованими та разом зі стабілізатором підвищують в’язкість суміші. По-друге, під час фризерування молочний білок сприяє насиченню суміші повітрям та її стабілізації за рахунок реалізації його поверхнево-активних властивостей, обумовлених вмістом гідрофільних та гідрофобних груп [4].

Жири впливають на формування органолептичних показників морозива, таких як смак та консистенція, у першу чергу. Вони, також, стабілізують повітряні пухирці під час загартовування та зберігання морозива. Але надмірний вміст жиру у морозиві погіршує збитість. (Зі збільшенням дисперсності повітряних пухирців стінки повітряних чарунок стають тонкішими та лопаються. Присутність жиру послаблює стінки, тому що зчеплення між жиром та плазмою менше ніж між частинками плазми).

Цукор формує смак морозива, знижує його кріоскопічну температуру, впливає на консистенцію морозива – робить його більш еластичним.

Важливою складовою морозива є стабілізатор. Хоча вміст його в морозиві невеликий, він відіграє значну роль на всіх етапах технологічного процесу та в значній мірі сприяє як формуванню, так і стабілізації структури морозива протягом зберігання.

Встановлено, що стабілізатор у розчині утворює біополімерну плівку різноманітного характеру, а разом зі структурними елементами харчових продуктів (білками та полісахаридами) – комплекси біополімерів типу мембран, які і є основою для формування структури морозива [7].

З огляду на вищесказане, аналіз рецептур та технологій виробництва морозива для запропонування шляхів їх удосконалення доречно зробити за допомогою горизонтальної декомпозиції зі знаходженням у ній проблемного елементу (рис. 2.4) [8].

З рисунку можна побачити, що якість морозива обумовлюють властивості його складових речовин, які здатні утворювати структуру морозива за зберігати її протягом часу. Головна роль серед цих речовин належить стабілізаторам, тому що вони безпосередньо впливають на характер перебігу багатьох процесів під час виготовлення морозива та його зберігання, таких, як, наприклад, зв’язування та вимерзання вологи, кристалізація лактози, агломерація та коалесценція жиру, насичення суміші морозива повітрям й ін. Але стабілізатори, які використовують при виробництві морозива зараз, мають суттєві недоліки (висока собівартість, важкоємність отримання, хімічна природа, низька стабілізуюча дія), що дозволяє вважати їх проблемним елементом в системі “Морозиво”. Це обумовлює необхідність аналізу функціональних властивостей стабілізаторів, виявлення вад, пошук та дослідження нових речовин, які б могли використовуватись в якості альтернативи добре відомим. Крім того для кожного конкретного виду морозива роль стабілізатора може бути скорегована та серед його функціональних властивостей повинні бути відібрані лише необхідні. Тому незважаючи на те, що морозиво досить відомий продукт харчування, питання підбору та використання стабілізаторів є досить актуальним та потребує більш детального вивчення, що і пропонується зробити в наступному розділі.