Способ определения инстантности пищевых продуктов на сухой основе с помощью оценки интегрального взаимодействия связнодисперсной системы с растворителем

 

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к физико-химическим методам анализа сырья и контроля производства. Способ предусматривает проведение конкурентного взаимодействия за растворитель эталонного, гидрофильного капиллярно-пористого тела и анализируемого образца, с последующим измерением параметров, отражающих количественные характеристики поглощаемого эталоном растворителя. Изобретение позволяет провести оценку степени инстантности исследуемых продуктов, удешевить способ ее определения. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к физико-химическим методам анализа сырья и контроля производства, и направлено на определение инстантности пищевых продуктов на сухой основе, применительно к молочной промышленности, при производстве продуктов детского питания, кроме того, предлагаемый метод можно использовать в мясной, рыбной, хлебопекарной, кондитерской отраслях пищевой промышленности.

В настоящее время для характеристики инстантных пищевых продуктов широко используют рефрактометрический метод определения относительной скорости растворения навески исследуемого образца пищевого продукта [1]. Сущность метода заключается в определении количества сухих веществ, перешедших в жидкую фазу, при регламентированных условиях взаимодействия растворителя (воды) и образца (например, сухого молока). Он осуществляется следующим образом: навеску сухого образца молока помещают в химический стакан, разравнивают слой сухого молока стеклянной палочкой, затем приливают воду комнатной температуры и проводят перемешивание в течение 5 с, далее следует отделение жидкой фазы на вакуум-фильтровальной установке, и в полученном фильтрате определяют коэффициент преломления. Затем, пользуясь аналитической зависимостью, находят относительную скорость растворения сухого продукта, по которой оценивают инстантность образца.

К основным недостаткам этого метода можно отнести низкую корректность по отношению к сложнейшему процессу взаимодействия исследуемого образца и растворителя. Определяемый параметр не в полной мере отражает существо процесса, не учитывает специфические особенности поведения высокомолекулярных биокомпонентов в системе, опускает динамику течения процессов, их взаимосвязи во времени.

Важно отметить, что именно на первых этапах взаимодействия возможны явления, связанные с проявлением эффекта сжатия объема системы, которые необходимо учитывать в связи с нелинейным характером их воздействия на используемые в методе взаимосвязи.

Кроме того, при количественных определениях сухих веществ важно поддержание условий для обеспечения линейной взаимосвязи между коэффициентом преломления и концентрацией интегрального содержания сухих веществ в жидкой фазе. Важнейшей предпосылкой для этого является близкое значение коэффициентов преломления различных биокомпонентов в водном растворе, неизменным их соотношение, когда наблюдаются некоторые отличия в этом показателе при изменении содержания сухих веществ в образце. Необходимо подчеркнуть, что во всех случаях качественный и количественный состав низкомолекулярных компонентов системы должен оставаться строго постоянным. Все эти ограничения в реальных условиях не всегда выполняются.

Необходимо выделить также, что изменение скорости распространения поперечной волны в среде зависит в значительной степени от структурных нарушений основных структурных составляющих изучаемой системы, то есть важной предпосылкой получения корректных результатов - это получение жидкой фазы с постоянным качественным составом структурных составляющих, при изменении содержания сухих веществ в условиях обработки продукта с высокими значениями температуры и давления, что крайне затруднительно.

Важно также, что рефрактометрическое определение относительной скорости растворения навески образца проводится, как в случае метода Моатса-Даббаха [2] , при концентрациях сухих веществ в системе, существенно отличающихся от реальных, получаемых при приготовлении продукта для употребления, и определяемый параметр не отражает реальной инстантности анализируемого образца.

Для реализации этого метода, кроме того, необходимо сложное оборудование: оптико-механический прибор, вакуумная установка.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в корректной оценке степени инстатности продукта (инстантность в данном случае предполагает способность системы относительно быстро, в течение нескольких минут, формировать устойчивую, развитую гелевую структуру и максимально связывать растворитель (воду), при контактировании сухого образца с растворителем без нагрева, то есть формировать гель в результате реализации способа ограниченного набухания), выявлении объективных критериев для ее оценки, обеспечении более тонкой дифференциации по предложенным критериям исследуемых продуктов, упрощение аппаратурного оснащения метода и сокращения длительности эксперимента при проведении экспрессного варианта способа. В работах [3, 4] показана зависимость состояния растворителя в геле от структурной организации высокомолекулярного компонента в системах вода - высокомолекулярный биокомпонент. Эти взаимосвязи в конечном счете оказывают решающее влияние на показатели степени инстантности пищевого продукта.

Поставленная цель достигается в результате использования интегральной информации о течении процессов формирования связнодисперсной системы (чаще всего геля), начиная с момента контактирования исходного образца (сухой порошок продукта) и растворителя (воды), заканчивая с истечением временного интервала наблюдения.

Для выявления этой информации в приборе (схема и описание приведены ниже) обеспечивали конкурентное взаимодействие за растворитель с одним и тем же его объемом, как анализируемой системы, так и эталонной.

При формировании связнодисперсной системы исследуемого образца, растворитель связывается различными компонентами анализируемой композиции, где существенную роль играют высокомолекулярные биокомпоненты. Этот процесс сложный, многостадийный, разнокачественный. Необходимо подчеркнуть, что отклонения в степени дисперсности и по массово-объемным распределениям частиц испытуемых образцов должны быть минимальными. В результате образуется стабильная связнодисперсная система исследуемого образца. Одновременно из того же объема растворителя некоторая его часть поглощается эталонной связнодисперсной системой. Так как объем растворителя один, то количественные характеристики взаимосвязи поглощаемой воды различными связнодисперсными системами жестко взаимообусловлены, то есть, например, если анализируемый образец поглотил (связал) большее количество растворителя, то на такую же величину уменьшилось количество растворителя, поглощенного эталонным телом, и наоборот.

Для обеспечения более благоприятных условий формирования развитой структуры образца, что увеличивает возможности разделения, особенно на заключительных этапах образования геля, при жесткой конкуренции за растворитель с эталонной ксерогелевой, гидрофильной, капиллярно-пористой системой, активно использовали переменный потенциал давления, работающий против сил, обеспечивающих поглощение растворителя эталоном.

В качестве эталонного материала использовали гидрофильное капиллярно-пористое тело - фильтровальную бумагу. Можно в зависимости от конкретных анализируемых систем и задач использовать и другие капиллярно-пористые материалы. Если при проведении экспериментальных исследований обеспечить постоянство важнейших характеристик капиллярно-пористого тела, таких как общая пористость, коэффициент кривизны, то есть параметров, учитывающих открытые, тупиковые, закрытые объемы, отклонения в форме капилляров - их сужение, утолщение, что возможно при использовании в эксперименте фильтровальной бумаги одного сорта, одной партии, кроме того, при выдерживании постоянными геометрических параметров полоски фильтровальной бумаги: ее ширину, длину, особенно ширину, то возможно оценивать объем поглощенного (связанного) растворителя по параметру H (высота поднятия фронта растворителя по объему эталона). Кроме того, для характеристики образца продукта можно использовать параметр (скорость изменения положения фронта растворителя на определенный момент времени), параметр Δ H (изменение высоты поднятия фронта растворителя за временной интервал, например, τ₁-τ₂), параметр O = Δ₀-Δ₄, отражающий при экспрессном определении инстантности, интегральную разницу в отношении к растворителю, эталона и образца. Для более эффективного применения предлагаемых критериев, более адекватной интерпретации полученных результатов, определяющих инстантность продукта, использовали дифференциальный метод оценки взаимодействия эталона и пробы с растворителем, для этого предложено: 1. Получаемые результаты исследования образцов по величине H, соотносить с интервалами изменения H относительно воды. Предлагается выделить следующие интервалы изменения параметра H на момент окончания эксперимента: Δ1H - малые изменения в анализируемой системе, связанные с некоторым переходом в жидкую фазу низкомолекулярных компонентов; Δ2H - начальная фаза инстантного преобразования образцов; Δ3H - проявление низкоинстантных свойств исследуемых образцов; Δ4H - высокоинстатные свойства анализируемых продуктов.

Диапазоны интервалов в удобном масштабе определяют в каждом приборном исполнении.

2. Полученные результаты по величине соотносить с угловыми секторами относительно воды.

3. Получаемые интервалы параметра Δ H для разных временных отрезков исследуемых образцов, сравнивать с аналогичными интервалами для воды (фиг. 3). Предлагается выделить следующие интервалы: Δ1 = H₅ - H₁ Δ2 = H₄ - H₁ Δ3 = H₃ - H₁ Δ4 = H₂ - H₁
Δ0 = H₁ - H₀
Необходимо отметить, что важное значение для характеристики исследуемых объектов имеют изменения в положениях узловых точек и протяженности во времени выделяемых фаз, при взаимодействии образца и растворителя.

4. Получаемые результаты оценивать по стобалльной шкале, где начало шкалы - нулевая точка, соответствует величине H для воды, а окончание - точка 100, соответствует величине H для инстатного цельного молока.

Необходимо отметить, что возможно активное воздействие на параметры H Δ H, O при взаимодействии образца и растворителя путем изменения ширины полоски фильтровальной бумаги, от основного значения d = 10 мм на величину ± L, где L = 1 мм, 2 мм... и т.д. Кроме того, можно изменять условия проведения эксперимента, когда перед размещением эталонного тела производят перемешивание в мерной пробирке помещенной пробы и растворителя посредством кругового перемещения оплавленной стеклянной (или из другого материала), палочки диаметром от 1 мм до 2 мм, по периметру кругового отверстия пробирки на 3 и более оборотов, строго выдерживая условия проведения эксперимента для всей партии образцов. Допустимо в определенных случаях размещать эталонное тело не с момента подготовки исходной системы (порошок + вода или порошок + вода после перемешивания), а через некоторый промежуток времени в течение которого часть процессов в образцах (в исходной системе) произошла и эталоном отражается развитие последующих процессов.

Важно отметить, что предлагаемые оценочные параметры (критерии) степени инстантности, отражающие количество растворителя, поглощенного эталонным телом, определяют при концентрациях сухого вещества в исследуемых образцах, аналогичных восстановленным продуктам.

Для практического проведения измерений параметров H, ΔH, O, при стандартной комнатной температуре, предлагается максимально простой прибор (фиг. 1). Он состоит из:
- пробирки градуированной с коническим шлифом на 20 - 25 мл (возможно использование и других пробирок, но в этом случае для сравнения показаний необходимо вводить коэффициент согласования) (1);
- держателя пробирки (2);
- эталонного материала (3);
- устройства закрепления (4);
- пробки (5).

Устройство закрепления (4) и пробка (5) конструктивно объединены в едином узле - комбинированной пробке.

Способ осуществляется следующим образом: навеску сухого образца 0,5 г помещают в мерную пробирку, осторожно разравнивают образец стеклянной палочкой, приливают 2 см³ растворителя (воды), опускают в пробирку закрепленную на пробке полоску фильтрованной бумаги (она не должна касаться стенок пробирки), фиксируют закрытие объема пробирки и установки эталонного тела комбинированной пробкой. Включают секундомер. По шкале пробирки через некоторые промежутки времени (удобные для экспериментатора) считывают показания положения фронта растворителя на эталонном теле. Для возможности сравнения показаний, полученных для разных приборов с разными шкалами, необходимо пересчитывать показания с учетом коэффициента согласования.

С помощью данного способа возможно проведение исследований взаимодействия компонентов образца и растворителя при активном воздействии на их интенсивность протекания посредством механического воздействия при перемешивании оплавленной стеклянной палочкой суммарного объема образца и растворителя, когда с одной стороны обеспечивается равномерное распределение растворителя в объеме образца, а с другой, выполняются энергетические и стерические условия осуществления долговременных контактов биополимер - биополимер в дискретных элементах анализируемой пробы. Необходимо подчеркнуть, что число оборотов стеклянной палочки по периметру отверстия измерительной пробирки необходимо строго выдерживать при анализе всей партии исследуемых образцов.

Примеры конкретного осуществления способа. Применяя данный способ, были исследованы пищевые системы, полученные на основе гречневой муки, обработанной в экструдере, причем образцы II и III в более жестких условиях, чем образец V, кроме того, в образец III перед обработкой в экструдере была добавлена патока. Наряду с образцами II, III и V проведены аналогичные операции с водой - образец I, и с инстантным цельным молоком - образец IV.

Пример N 1. Для определения инстантности пищевого продукта, полученного на основе гречневой муки, обработанной в экструдере, образец II - берут навеску продукта 0,5 г, помещают в мерную пробирку, осторожно разравнивают слой образца стеклянной палочкой, приливают 2 см³ воды, опускают в пробирку (мерная пробирка со шлифом на 20 см³) закрепленную в зажиме комбинированной пробки, полоску фильтрованной бумаги с геометрическими параметрами: l - 155 мм, d - 10 мм, закрывают пробирку, включают секундомер и считывают значения параметра H на каждый фиксируемый момент времени. Полученный результат отражен на фиг. 2, фиг. 3.

Пример N 2. Был исследован образец пищевого продукта на основе гречневой муки, обработанной в экструдере, но в отличие от образца II - пример N 1 с добавлением перед баротермической обработки патоки. Методические операции и последовательность их проведения аналогичны описанным в примере N 1. Результаты проведенного определения приведены в графическом виде на фиг. 2.

Пример N 3. Был исследован образец пищевого продукта на основе гречневой муки, обработанной в экструдере - образец V, но в отличие от образцов II и III условия барометрической обработки более мягкие. Методические операции и последовательность их проведения аналогичны описанным в примере N 1. Результаты проведенного исследования приведены в графическом виде на фиг. 2.

Пример N 4. Был исследован образец IV цельного сухого молока. Методические операции и последовательность их проведения аналогичны описанным в примере N 1. Полученные результаты приведены в графическом виде на фиг. 2.

Пример N 5. В качестве образца I была использована система, представленная только водой. Методические операции и последовательность их проведения с поправкой на отбор микропипеткой жидкой водной пробы аналогичны описанным в примере N 1. Результаты проведенного исследования приведены на фиг. 2, фиг. 3.

Полученные результаты дают возможность уверенно разделять анализируемые образцы пищевых продуктов по степени инстантности, используя предлагаемые критерии. В табл. 1, 2, 3 приведены показательные результаты полученных данных для различных пищевых продуктов при использовании различных предлагаемых способов обработки экспериментального материала.

На гистограмме (фиг. 4) показана динамика воздействия пробы на растворитель, из которой наглядно видно, что степень изменения исходного сырья в ходе баротермической обработки в экструдере определяет способность получаемого продукта к формированию гелевой структуры, приближаясь по качественному характеру взаимодействия с растворителем к эталонной системе.

Показательно, что при выполнении условий аналитического равенства Θ = Δ₀-Δ₄, при Θ≤0 анализируемый образец по качественным и количественным характеристикам взаимодействия с растворителем приближается к показателям эталонного материала. При этом, как видно из фиг. 4, для H₁ (I - II) динамика связывания жидкой фазы компонентами сухого образца качественно сходна с поведением растворителя с эталонным материалом (с развитой гелевой пористой структурой). Этот факт характеризует явное проявление развитых инстантных свойств анализируемого пищевого продукта.

Заявляемый способ позволяет более корректно подойти к проблеме инстантного пищевого продукта, к ее оценке. Предлагает оценочные параметры степени инстантности. Данный способ может быть использован как для предварительного анализа исходного сырья технологических целей контроля процесса обработки исходного сырья, так и для решения вопросов рецептурного построения пищевой системы. Способ может быть применим и в экспрессном варианте, когда предлагаемые оценочные параметры применяются на начальных этапах эксперимента (0-15 мин).

Применение в качестве эталона гидрофильного капиллярно-пористого тела - фильтровальной бумаги - позволило, с одной стороны, максимально упростить конструкцию прибора и методику измерения, с другой, капиллярно-пористая система, обладающая огромным количеством капилляров и пор, дает возможность получать усредненную величину параметра H, что повышает адекватность и точность измерения, и, кроме того, позволяет уменьшить погрешности, связанные с локальными наводками, вносимыми некоторыми элементами исследуемого образца пищевого продукта.

Способ дает возможность анализировать качественно разнообразные связнодисперсные системы: концентрированные эмульсии, пасты, гели, при значительном интервале концентраций сухих веществ, высокомолекулярных биокомпонентов.

Предлагаемый способ позволяет оценивать и анализировать течение процессов в изучаемой системе.

Реализация способа максимально проста, дешева и экологически чиста.

Источники информации
1. Технические условия ТУ 49 595-79. Молоко сухое быстрорастворимое (прототип).

2. А.А. Олехнович. Диссертация канд. хим. наук. М., 1984.

3. А. А. Олехнович, Э.В. Каменская. Термический анализ пищевых гелей. Академия наук СССР. Проблемы аналитической химии, том VIII, методы анализа пищевых продуктов, отв. редактор Ю.А. Клячко, С.М. Беленький, Москва, Наука, 1988.

4. А. А. Олехнович, А.П. Ощенко, И.М. Лоскутова. Изучение формирования структуры в системах вода-полисахарид, в печати.

Формула изобретения

1. Способ определения степени инстантности пищевого продукта на сухой основе, предусматривающий конкурентное взаимодействие за растворитель с одним и тем же его объемом анализируемого образца и эталонного тела, при этом параметры, отражающие количество растворителя, поглощенного эталонным телом, определяют при концентрациях сухого вещества в анализируемых образцах, аналогичных восстановленным продуктам, навеску сухого образца помещают в мерную пробирку, разравнивают образец стеклянной палочкой, приливают необходимый объем растворителя и опускают в пробирку эталонное тело, фиксируют установку эталонного тела и закрытие пробирки пробкой, через определенные промежутки времени по шкале пробирки проводят считывание показаний положения фронта растворителя на эталонном теле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед размещением эталонного тела производят перемешивание в мерной пробирке помещенной пробы и растворителя.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что размещение эталонного тела осуществляется через некоторый промежуток времени, в течение которого часть процессов в исследуемом образце произошла и эталонным телом отражается развитие последующих процессов.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что время проведения эксперимента ограничивается временным интервалом, достаточным для выявления начальных фаз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5