ВведениеПродукты питания с пенной структурой, от коктейлей до сдобы, сохраняют свою популярность и разнообразие на продовольственном рынке. Стабилизация и сохранение структур таких продуктов в течение всего срока годности по-прежнему остается актуальной задачей, которая привлекает внимание исследователей и производителей [1–5]. Часто аэрированные пищевые продукты стабилизируются поверхностно-активными действиями протеинов в них входящих. Это могут быть белки животного (молочные, яичные, белки крови) и растительного (белковые изоляты ячменя, овса, бобовых и т.д.) происхождения [6–9]. Интенсивное перемешивание и барботаж рассматриваются как два основных механических метода пенообразования. В способах перемешивания пена образуется при механическом смешении газовой и жидкой фаз, например, при взбивании или при смешивании с мешалкой, при встряхивании сосуда, частично заполненного раствором, при одновременном потоке газа и жидкости в трубке, при заливке жидкости на поверхность того же раствора и т.д. Эти методы наиболее часто используются в количественных исследованиях пен [4]. Каким бы ни был метод вспенивания, способность данного раствора к вспениванию определяется через объем образующейся пены в заданных условиях (время вспенивания, температура, интенсивность перемешивания и т.д.) и возможностью сохранения полученной пены.Молочные белки широко используются для стабилизации различных пищевых продуктов, в том числе и с пенной структурой [6, 10, 11]. Поэтому внимание исследователей к изучению свойств и характеристик белковой пены не ослабевает, тем самым сохраняя ее актуальность [1, 12–15].Пенообразующие свойства молока определяются его составом, режимами пастеризации и гомогенизации, используемым оборудованием и технологическими параметрами в процессе аэрирования [16–21]. Известны несколько факторов, влияющих на свойства пенообразования протеинов молока, – это внутренние (последовательность аминокислот, молекулярная масса, гидрофобность/гидрофильность, природа поверхностного белка, гибкость белка, электрические заряды и их распределение и соотношение различных фракций белков) и внешние (рН, температура и взаимодействие с другими макромолекулами, концентрация самих белков) [4, 12, 18, 22–25]. Как правило, изучают влияние внутренних факторов и/или в сочетании с физико-химическими процессами, сопровождающими пенообразования конкретного белкового раствора молока цельного, обезжиренного, концентратов молочных белков и т.п. Пенообразующие и эмульгирующие свойства зарегистрированы у казеинатов [21, 26], мономеров казеина [27] и сывороточных белков [28], в большом разнообразии применяемых в рецептурах пищевых продуктов. Исследования характеристик пенообразования молочных белков сосредоточены на достаточно низкой концентрации белка (не более 6 %). Целью данной работы было изучение влияния повышения концентрации белков обезжиренного молока на пенообразующие свойства концентратов, из него полученных, и на формирование стабильной структуры аэрированных продуктов на их основе. Объекты и методы исследованияОбъектами исследования являлись образцы молочно-белковых концентратов и приготовленная из них пена. Образцы молочно-белковых концентратов МБК-p, p % – содержание белка (табл. 1) были получены ультрафильтрацией в НИИ биотехнологии КемГУ. Коммерческие образцы сухого обезжиренного коровьего молока (34,0 % белка, 1,5 % жира, 52,6 % углеводов; ООО Маслосыркомбинат «Тюкалинский», г. Тюкалинск, Омская область, Россия) восстанавливали в очищенной воде в соответствии с рекомендациями производителя. Перед концентрированием восстановленное обезжиренное молоко сквашивали закваской молочнокислых бактерий в количестве 6 ± 1 % в течение 11 ± 1 ч до pH 4,6 ± 0,1. Закваску лиофилизированных культур прямого внесения EZAL U-D MYE 96 (состоящие из Streptococcus termophilus, Lactobacterium del-brueckii spb. Bulgaricus) готовили в соответствии с инструкцией производителя. Концентрацию белков обезжиренного молока проводили на ультрафильтрационной установке МФУ-Р-45-300 (Россия) при температуре 50 ± 5 °С, скорости движения молочнокислого сгустка 2,0 × 10-2 м/с, рабочее давление 0,6 МПа, удельная производительность составила 1,178 м3/(м2⋅ч). Таблица 1 – Физико-химические характеристики восстановленного обезжиренного молока и концентрата белков из негоTable 1 – Physico-chemical characteristics of the reduced skim milk and the skim milk protein concentrateОбразецМассовая доля сухих веществ, %Массовая доля белка, %Массовая доля лактозы, %Плотность, г/см3№ 19,2 ± 0,423,4 ± 0,114,80 ± 0,011032 ± 0,001№ 211,9 ± 0,386,0 ± 0,105,00 ± 0,001042 ± 0,001№ 312,4 ± 0,356,8 ± 0,125,00 ± 0,011058 ± 0,000№ 413,7 ± 0,477,4 ± 0,155,00 ± 0,001063 ± 0,002№ 514,5 ± 0,488,8 ± 0,145,00 ± 0,001082 ± 0,001№ 618,8 ± 0,5812,0 ± 0,165,00 ± 0,001092 ± 0,001№ 723,4 ± 0,6116,0 ± 0,155,00 ± 0,001096 ± 0,002№ 1 – восстановленное обезжиренное молоко; № 2 – МБК-6,0; № 3 – МБК-6,8; № 4 – МБК-7,4; № 5 – МБК-8,8; № 6 – МБК-12,0; № 7– МБК-16,0.No. 1 – reconstituted skimmed milk; No. 2 – milk-protein concentrate 6.0; No. 3 – milk-protein concentrate 6.8; No. 4 – milk-protein concentrate 7.4; No. 5 – milk-protein concentrate 8.8; No. 6 – milk-protein concentrate 12.0; No. 7 – milk-protein concentrate 16.0. Образцы молочной пены получали вспениванием роторно-пульсационной установкой ГИД-100/1 (ВНИМИ, Россия) в течение 3 мин обезжиренного молока и молочно-белковых концентратов из нее при скорости вращения ротора 2500 об/мин, коэффициенте заполнения рабочей камеры – 0,3, величине зазора между ротором и статором не более 0,1 мм, температура обрабатываемого раствора – 24 ± 2 °C [11, 15, 29–31].Применяли общепринятые органолептические, химические и физические методы исследования. Физико-химические показатели (массовые доли) определяли по стандартным методикам: общее содержание белка (в зависимости от вида продукта) определяли по ГОСТ 25179-90, ГОСТ 23327-98 рефрактометрически и методом формульного титрования, в качестве арбитражного использовали полумикрометод Къельдаля. Фракционирование азотистых веществ, а также изучение их состава и свойств проводили по известным методикам [32–35]. Массовую долю сухих веществ определяли методом высушивания с песком по ГОСТ 3626-73. Плотность молока и молочного сырья определяли по ГОСТ 3625-84. Температуру молочного сырья определяли по ГОСТ 26754-85.Активную кислотность определяли электрометрически на pH-метр Sevew Compact (Mettler Toledo, США) по рекомендациям производителя, титруемую кислотность определяли по ГОСТ 3624-92 (8764-92). Метод основан на нейтрализации кислот и их солей раствором едкой щелочи в присутствии индикатора фенолфталеина [36].Плотность пены на молочной основе вычисляли по формуле: rп=rр (1-j),                                         (1)где  rр – плотность вспениваемого раствора,rп – плотность пены,φ – объемная доля воздушной фазы:j=(rр-rп)/rр.                                       (2)Кратность пены определяли по формуле:K=(rh/rп)100%.                                         (3)Устойчивость пены определяли по продолжительности времени до разрушения всего объема пены [37-39].Стабильность пены оценивали по способности сохранять пенную структуру, поддерживать свой объем в течение определенного периода времени до полного разрушения:FS=(V0/Vi)100%,                                       (4)где V0 – объем пены сразу после процесса взбивания,    Vi – объем пены через ti мин после формирования пены.Для описания распределения пузырьков по размерам использовали распределение Эрланга k-го порядка с непрерывным временем, под которым понимали диаметр пузырька пены, .Функция распределения Эрланга k-го порядка имеет вид:, .                           (5)Распределение Эрланга описывает поток, который получается из простейшего просеиванием событий. Если в простейшем потоке после появления первого события учитывать только события с нечетными номерами, то получим распределение Эрланга 2-го порядка. Если учитывать только каждое k-ое событие, то получаем распределение Эрланга k-го порядка.Пусть случайная величина h – размер пузырька пены в мм, ,  – допустимое отклонение размера пузырька пены. Тогда 1/l – средний диаметр пузырька, мм; число k характеризует взаимное влияние пузырьков, , , .Состояние дисперсной фазы (пузырьков газа) определяли микроскопически по изображениям свежеприготовленной пены и пены через 5 мин после приготовления. Снимки были сделаны с помощью микроскопа с системой документирования Axio Imager M2 (Carl Zeiss AG, Германия). Средние значения и стандартные отклонения размеров пузырьков определяли с помощью ПО Image-Pro Discovery (V.4.5.1.29, 2002, Media Cybernetics Inc.). Каждый эксперимент повторяли три раза и данные выражали в виде среднего ± стандартное отклонение. Обработка данных осуществлялась стандартными методами математической статистики. Однородность эффектов выборки проверяли с помощью t-критерия Стьюдента. Различия между средними значениями считались значимыми, когда доверительный интервал был меньше 5 % (P £ 0,05).  Результаты и их обсуждениеБыли измерены физические свойства восстановленного обезжиренного коровьего молока и полученных из него молочно-белковых концентратов. Плотность колебалась от 1.032 до 1.096 г/см3 (табл. 1). В целом плотность увеличивалась по мере увеличения концентрации белка. Значение pH восстановленных образцов обезжиренного молока (9,2 %) составило 6,7. Сквашенные образцы молочно-белковых концентратов имели pH 4,6. В процессе концентрирования и пенообразования рН образцов МБК изменился до 4,8–5,0. Borcherding с соавторами [17, 23] указывали, что значение рН между 6.0 и 7.0 оказывает незначительное влияние в целом на размеры пузырьков пены обезжиренного молока и на их устойчивость к дренажу. Нами установлено [11, 29], что снижение активной кислотности с 6,4 до 4,6 (в 1,4 раза) приводит к увеличению плотности пены, полученной роторно-пульсационным устройством, приблизительно в 1,1 раза, а устойчивость пены к распаду повышается в 2,7 раза (рис. 1). Известно, что массы, содержащие белок, проявляют максимальную пенообразующую способность в изоэлектрической точке, которая соответствует рН ниже 7, а для молочных белков около 4,58–4,60. В этом аспекте молочно-белковые концентраты являются более предпочтительными в использовании для получения пенообразных масс, по сравнению с другими молочными системами, в частности – с молоком. Рисунок 1 – Влияние кислотности обезжиренного молока на пенообразующие свойства молочно-белкового концентрата: 1 – плотность; 2 – устойчивостьFigure 1 – The effect of skim milk acidity on the foaming properties of milk protein concentrate: 1 – density; 2 – stabilityПоскольку свойства, в том числе и пенообразующие, белков определяются их высокомолекулярной природой и строением, то кроме pH молока и белкового раствора и температуры, как окружающей среды, так и самого раствора, влияют на их вспениваемость (рис. 2). Изменение температуры на 10 °C способствует изменению плотности ГДС от 2 % до 52 %, устойчивости – от 3 до 76 %. Установлено [11, 29], что увеличение температуры с 4 до 34 °C приводит к уменьшению плотности ГДС до 1,5 раз и увеличению устойчивости до 2,3 раза. Более того, при температуре 14 °С пена характеризуется ячеистыми пузырьками газа. Увеличение температуры свыше 25 °С придает дисперсной системе кремообразную, мелкодисперсную структуру. Процесс разрушения полученных образцов при различных температурах также имеет некоторые особенности: в диапазоне от 4 до 24 °С мелкие пузырьки газа соединяются, образуя крупные с размерами до 15–20 мм, затем полностью разрушаются. При более высоких температурах образующиеся крупные пузыри газа достигают размеров не больше 7–8 мм, после чего длительное время не разрушаются.  Рисунок 2 – Влияние температуры вспениваемого раствора на пенообразующие свойства молочно-белкового концентрата: 1 – плотность; 2 – устойчивостьFigure 2 – The effect of the solution temperature on the foaming properties of milk protein concentrate: 1 – density; 2 –stability Дисперсность и размеры пузырьков белковой пены смоделировали с использованием распределения Эрланга k-го порядка. Обычно для этого используют распределение Пуассона, нормальное распределение, логарифмически нормальные распределения, распределения типа Вейбула и др. [40]. Однако для этого лучше выбрать то распределение, которое, с одной стороны, учитывает наличие взаимного влияние пузырьков друг на друга, а, с другой стороны, является непрерывным. Метод вложенных цепей Маркова идеально подходит, но трудно воспринимаем. Поскольку распределение пузырьков по размерам достаточно плотно, то хотелось бы иметь возможность. В ряде случаев рассмотрение вместо непрерывного аналога дискретного распределения приводит к упрощению моделей, причем далеко не всегда в ущерб качеству. Мы для реализации этой цели выбрали распределение Эрланга, а пуассоновский процесс описывает простейший поток событий, для которого время между соседними событиями является случайной величиной с экспоненциальной функцией распределения, являющейся частным случаем распределения Эрланга [29].Преимущество применения распределения Эрланга при исследовании процесса пеногенерирования состоит в том, что можно использовать экспоненциальное распределение, т.е. распределение Эрланга 1-го порядка, хотя более точным является, в нашем случае, распределение Эрланга 3-го порядка. Это позволяет построить ряд математических моделей, представимых в виде систем дифференциальных уравнений, которые дают возможность получить аналитическое решение и при этом можно оценить погрешность, возникающую за счет пренебрежения взаимным влиянием пузырьков. Кроме того, распределение Эрланга оказывается достаточно устойчивым, относительно изменения начальных условий, его определяющих.Полученные результаты приведены в таблице 2. В зависимости от использованного сырья и концентрации белков в нем лучше описывало распределение пузырьков по размерам распределения Эрланга 2-го или 3-го порядка.Таблица 2 – Влияние содержания белков в концентрате на дисперсность, средний пузырьков пеныTable 2 – Effect of the protein content in the concentrate on foam dispersion, average number of foam bubbles Относительное распределение пузырьков, % со средним диаметром, ммСредний диаметр, мкм, ммsОбразецменее 11–33–5более 5d0  № 10582715207 ± 73  *4,1858,6423,1814,00 2,3962,396**5,0456,4826,9711,51 2,4901,761***6,0755,0129,679,25 2,5471,471№ 228372510136 ± 60  *25,7235,9723,1815,13 1,4211,421**27,7537,3422,1812,73 1,5681,109***23,0839,7621,0816,08 1,6870,974№ 33728323130 ± 58  *25,3438,3330,875,46 1,4821,482**26,8240,8127,045,33 1,2290,869***28,0342,2726,013,69 1,1120,642№45332150127 ± 52  *49,7937,559,473,19 1,4511,451**52,8844,022,960,14 1,1290,798***53,0545,941,000,01 1,0710,618№55930110116 ± 37  *57,6034,786,251,37 1,1661,166**58,9739,231,750,05 1,0080,713***59,0140,450,540,00 0,9800,566№6881200103 ± 22  *88,0011,830,170,00 0,5720,572**88,0011,980,020,00 0,6470,457***88,0012,000,000,00 0,6930,400№710000092 ± 11  *100,000,0000 0,0590,059**100,000,0000 0,0950,067***100,000,0000 0,1030,059Распределение Эрланга: * – 1-го, ** – 2-го, *** – 3-го порядкаErlang distribution: * first degree, ** second degree, *** third degree Если в качестве критерия устойчивости пены используется средний диаметр ее пузырьков, не превосходящий 1 мм и имеющий наименьший разброс в образце, то распределение Эрланга 3-го порядка рекомендует рассматривать в качестве основы белковых пен молочно-белковые концентраты обезжиренного молока с концентрацией не ниже 12 %. Полученные диапазоны наиболее вероятных размеров пузырьков пены для образцов № 1–7 в мм следующие: 1,076–3,623, 0,713–2,400, 0,470–1,582, 0,453–1,524, 0,414–1,394, 0,293– 0,986 и 0,044–0,147. Условиям устойчивости удовлетворят образцы № 6 и № 7 с диапазонами значений 0,293– 0,986 и 0,044–0,147.Характеристики пенообразования образцов молочно-белковых концентратов приведены в таблице 3. Увеличение кратности происходило с увеличением содержания сухих веществ в образцах молочно-белковых концентратов с увеличением концентрации белков. Наблюдалась значительная разница (от 4 до 46 %) между вспенивающими характеристиками восстановленного обезжиренного молока и молочно-белковых концентратов из него полученного. Кратность пены составила от 285 до 417 %. В нашем исследовании самую высокую кратность имела пена из молочно-белкового концентрата с содержанием белка 16,0 %. Авторы [4] сообщали, что пенообразующая способность увеличивалась с увеличением концентрации молочного белка до достижения предельного значения, после которого стабилизировалась. Наблюдается отличие пенообразующих характеристик в зависимости от соотношения молочных белков (казеин/сывороточные белки). Казеин придавал большие, чем сывороточные белки, пенообразующие свойства растворов восстановленного обезжиренного молока с добавлением молочных белков. В работе [12] вспениваемость белковых растворов с казеином достигала 1422 %, с сывороточными белками – до 534 %. Объясняли лучшие вспенивающие характеристики казеина поверхностно-активными свойствами и низкой адсорбцией белков молока на поверхности раздела фаз воздух-раствор и приводя ссылки аналогичные результаты других авторов [41, 42]. Таблица 3 – Пенообразующие характеристики молочно-белковых концентратов обезжиренного молокаTable 3 – The foaming characteristics of the skim milk protein concentratesОбразецКратность пены, %Плотность пены, г/см3Устойчивость пены, минСредний диаметр пузырька, мкмd0d5№ 1285 ± 32322 ± 0,0165 ± 3207 ± 73319 ± 87№ 2297 ± 23308 ± 0,0167 ± 5136 ± 60181 ± 66№ 3303 ± 20281 ± 0,0072 ± 4130 ± 58171 ± 63№ 4322 ± 19267 ± 0,0174 ± 3127 ± 52163 ± 61№ 5334 ± 21254 ± 0,0082 ± 5116 ± 37147 ± 42№ 6356 ± 32228 ± 0,0087 ± 4103 ± 22144 ± 39№ 7417 ± 14220 ± 0,01110 ± 392 ± 11136 ± 29№ 1 – восстановленное обезжиренное молоко; № 2 – МБК-6,0; № 3 – МБК-6,8; № 4 – МБК-7,4; № 5 – МБК-8,8; № 6 – МБК-12,0; № 7– МБК-16,0.No. 1 – reconstituted skimmed milk; No. 2 – milk-protein concentrate 6.0; No. 3 – milk-protein concentrate 6.8; No. 4 – milk-protein concentrate 7.4; No. 5 – milk-protein concentrate 8.8; No. 6 – milk-protein concentrate 12.0; No. 7 – milk-protein concentrate 16.0. Плотность пены исследуемых образцов (табл. 3) принимала значения от 322 до 220 г/см3. С увеличением содержания белков плотность пены уменьшалась. Авторам [17, 23] удалось получить пены из сконцентрированного обезжиренного молока ультрафильтрацией (6 % белка) с меньшей плотностью от 110 до 220 г см-3. По-Видимому, восстановленное обезжиренное молока в процессе сушки теряет пенообразующие характеристики из-за меняющихся свойств белков молока. Авторы [12] получили пену плотностью от 69 до 179 г/см3 внесением в восстановленное обезжиренное молоко концентратов молочных белков (казеина и/или сывороточных). Большие пенообразующие свойства белковому раствору придавал казеин, рассмотренные концентрации приводили к увеличению пенообразования без достижения стабилизации.Устойчивость пены оценивали по времени полного разрушения и по среднему размеру ее пузырьков (табл. 3). Диаметр пены определяли сразу после пенообразования и через 5 минут после. Увеличение концентрации белка привело к уменьшению начального среднего диаметра пузырьков от 207 до 102 мкм в образцах растворов молочных белков обезжиренного молока. Аналогичные результаты приведены в работах [4, 17], где начальный средний диаметр пузырьков обезжиренного молока восстановленного или невосстановленного, а также белковых концентратов на их основе уменьшался с увеличением концентрации белка. Средний диаметр пузырька, полученного после 5 мин образования пены, был больше начального среднего диаметра пузырька от 136 до 319 мкм, размер которых также находился в обратной зависимости от концентрации белка. У авторов [12] был получен аналогичный результат, однако, они установили, что белковые растворы с добавлением концентрата казеина имели меньшую стабильность и большую неоднородность по размерам пузырьков около 3 %, чем в растворах с добавлением сывороточных белков.Качество готовой белковой пены, кроме содержания газовой фазы, формы и количества пузырьков, характеризуется устойчивостью или стабильностью – временем сохранения некоторого объема пены или числа пузырьков, величина позволяющая судить о кинетических особенностях процесса старения [11]. Стабильность белковой пенной структуры изучали по сохранению начального объема пены, которую приняли за 100 %. Результаты приведены на рис. 3. Все полученные пены были достаточно стабильные первые 5 мин после создания. В дальнейшем скорость разрушения пенных структур была различна и коррелировала с концентрацией белков во вспениваемом растворе. Рисунок 3 – Изменение объема белковой пены с течением времени после создания: 1 – восстановленное обезжиренное молоко; 2 – МБК-6,0; 3 – МБК-6,8; 4 – МБК-7,4; 5 – МБК-8,8; 6 – МБК-12,0; 7– МБК-16,0.Figure 3 – Changes of the protein foam volume in time: No. 1 – reconstituted skimmed milk; No. 2 – milk-protein concentrate 6.0; No. 3 – milk-protein concentrate 6.8; No. 4 – milk-protein concentrate 7.4; No. 5 – milk-protein concentrate 8.8; No. 6 – milk-protein concentrate 12.0; No. 7 – milk-protein concentrate 16.0. Известно, что казеиновый комплекс с определенной концентрацией выступает как стабилизатор пенной структуры и при превышении этой концентрации (авторы указывают более 1 %) происходит перенасыщение межфазной пленки белком, что приводит к ухудшению стабильности белковой пены [4, 43]. Поэтому избыток казеина в белковом концентрате снижает устойчивость полученной пены [12].ВыводыМолочно-белковые концентраты из обезжиренного молока подтвердили наличие перспективных пенообразующих характеристик. Концентраты с самым высоким содержанием белка (16 %) имели большую вспениваемость (рис. 3) и большую устойчивость к разрушению (табл. 2–3). Восстановленное обезжиренное молоко и концентраты его белков идеально подходят для производства пены, поскольку они обеспечат как хорошую пенообразовательную способность, так и стабильность продуктов на их основе. Известно, что размеры пузырьков и стабильность пены достаточно тесно связаны. Однородность пены с пузырьками малого диаметра обеспечивает замедление механизмов дестабилизации за счет наименьшей скорости истечения жидкости с поверхности, более медленной адсорбции газа между ними и обеспечивает лучшее качество готовой пены при уменьшенном объеме стабилизаторов с увеличением срока хранения. Пенообразующая способность растворов зависит как от общего содержания белка, так и от соотношения казеин/сывороточный белок, поэтому если для повышения белкового содержания не проводить концентрирование, а вносить уже готовый концентрат, следует отдавать предпочтение сывороточным белкам. Однако это не исключает использование и концентрата казеина, доза внесения которого должна контролироваться. Конфликт интересов Автор заявляет, что конфликта интересов нет. ФинансированиеМатериалы подготовлены без финансовой поддержки.