Method for predicting the consistency of ice cream during hardening

Abstract

As a result of experimental investigations a mathematical base for prediction and designing 4 new kinds of ice-cream with pre-determined chemical composition and consistency was established. Consistency of the ice-cream is evaluated by a rheological characteristic - a maximum sham stress. A chemical composition (moisture, fat, protein, carbohydrates) is evaluated by the comply index that we suggest.

Full Text

Процесс закаливания многих видов мороженого происходит в интервале температур -6...-35 °C. В этом диапазоне температур консистенция мороженого, которую определяют такие характеристики, как крепость, мягкость, густота и сопротивление таянию, практически не изучена.

Для нахождения величины сопротивления мороженого таянию необходимо выявить зависимость консистенции от температуры.

В настоящее время в основном получила распространение сенсорная оценка консистенции, которую можно идентифицировать как эмпирическую характеристику деформационного поведения материала. Органолептическая оценка качества мороженого является базовой для сбора первоначальной информации, а также дня установления корреляционных зависимостей ощущений, возникающих у потребителя, от количественных физических показателей, получаемых инструментально. Консистенция, определяемая инструментальным методом, может быть охарактеризована через реологические свойства продукта.

В [I] подробно рассмотрен инструментальный метод оценки консистенции мороженого с помощью полуавтоматического переносного малогабаритного динамометрического пенетрометра ППМ-4М. Метол основан на ручном внедрении индентора в продукт до достижения заранее заданного усилия сопротивления с фиксацией глубины проникновения с помощью цифровой индикации. Методология определения консистенции мороженого по реологическим характеристикам представлена в [2].

Для разработки методики прогнозирования консистенции мороженого при температуре закаливания были проведены комплексные исследования, объектом которых выбраны ванильное, персиковое, кокосовое с ананасом без сахара мороженое, а также виноградный лед, апельсиновый шербет, выработанные фабрикой «Баскин Роббинс».

Поскольку мороженое является гетерогенной системой, состоящей из дисперсионной среды (смесь мороженого) и трех видов дисперсной фазы жидкой/вязко пластичной, упруго эластичной и твердой, были использованы в исследованиях первые два вида дисперсной фазы. Дисперсную фазу добавляли в смесь мороженого в жидком вязко пластичном состоянии (сиропы, концентраты, соки, пюре и т.д.).

Например, ванильное мороженое состоит из дисперсионной среды белой смеси делюкс — и диспера фазы ванильного экстракта; виноградный лед соответственно из смеси лед/сорбет и виноградного концентрата; апельсиновый шербет — из смеси шербет и апельсиновое пюре.

Кроме жидкой и вязко пластичной дисперсной фазы в мороженое добавляют и упруго эластичную фазу в виде кусочков персика, ананаса, яблока и т.д., измельченных до размера в основном 5x5x5 мм. К этому виду мороженого можно отнести персиковое и кокосовое с ананасом без сахара.

Персиковое мороженое состоит из дисперсионной среды белой смеси делюкс — и смешанной дисперсной фазы: упругоэластичпой — кусочков персика (18 кг/100 л) и жидкой/вязко пластичной — персикового пюре (6 кг/100 л) и персиковой основы (6 кг/100 л).

Кокосовое мороженое с ананасом без сахара состоит из дисперсионной среды белой низко жирной смеси без сахара и дисперсной фазы кусочков ананаса (12 кг/100 л), кокосового (1,4 л) и ананасового (0,95 л) ароматизаторов.

Химические и реологические показатели выбранных образцов мороженого приведены в табл. 1.

Таблица 1

Мороженное	w•102 кг/кг	u•102 кг/кг	σ•102 кг/кг	φ•102 кг/кг	ϒ•102 кг/кг	K1	K2	B	m
Шоколадное	55,5	2,198	12,3	11,6	20,6	1,875	1,060	136,0	1,923
Ванильное	61,1	1,570	10,9	12,0	16,0	2,190	1,359	117,6	1,952
Апельсиновый шербет	66,28	1,966	4,38	1,84	27,5	2,384	1,587	106,0	2,050
Виноградный лед	67,66	2,092	2,34	0	30,0	2,437	1,647	100,0	1,990
Кокосовое с ананасом без сахара	66,94	2,096	31,4	1,66	0	3,915	2,618	27,0	2,300
Персиковое	61,80	1,618	14,6	9,4	14,2	2,400	1,500	132,8	1,920
Примечание. Расшифровку значений w. u. σ. φ. ϒ. K. B. m. см в формулах (1)-(3).(6)

Консистенцию закаленного мороженого определяли по предельному напряжению сдвига — ПНС (пепетрационной прочности), измеряемому прибором ППМ-4М с коническим индентором (угол при вершине 10°, фиксированное усилие 0,5 кг) при десяти кратной повторное (табл. 2).

Таблица 2

Мороженное	Температура закаливания ° С
	-30		-24		-18		-12		-8		-6
	hп.ср	θк Па	hп.ср	θк Па	hп.ср	θк Па	hп.ср	θк Па	hп.ср	θк Па	hп.ср	θк Па
Шоколадное	71	99,2	91	60,4	118	35,9	177	16	258	7,5	341	4,3
Ванильное	76	86,6	95	55,4	126	31,5	182	15,1	271	6,8	358	3,9
Апельсиновый шербет	65	118,3	84	70,8	112	39,9	171	17	258	7,5	345	4,2
Виноградный лед	75	88,9	95	55,4	125	32	196	13	296	5,7	378	3,5
Кокосовое с ананасом без сахара	84	70,9	108	42,9	154	21	247	8,2	389	3,3	-	-
Персиковое	75	88,9	90	61,7	125	32	178	15,8	265	7,1	349	4,1
- среднее значение глубины перентрации

Математическая обработка экспериментальных данных позволила выявить вид зависимости изменения предельного напряжения сдвига θ₀ (Па) мороженого при температурах закаливания от —6 до -30 °C. В этом интервале температур кривые Q=f(t) спрямляются влогарифмических шкалах (рис. 1) и имеют следующий вид:

θ₀ = B_θ(-t) ^m,                                   (1) 

где B_θ и m₀ коэффициенты, зависящие от вида мороженого;

B_θ -условное предельное напряжение сдвига при температуре -1°C;

m —теми изменения предельного напряжения сдвига от температуры, т.е. тангенс угла наклона прямой θn= ƒ(t) в логарифмических шкалах.

Значения B_θ и m₀ для исследуемых образцов мороженого после математической обработки приведены в табл. 1.
Для того чтобы разработать единую методику прогнозирования консистенции мороженого, оцениваемую ПНС, необходимо в первую очередь выбрать критерии или комплексный показатель, вракторизующий влияние различных отношений химического состава мороженого при минусовых температурах. Для смесей мороженого ранее был поищем комплексный показатель К_см химического состава при плюсовых температурах:

К _см=[(1+σ)/(1+φ + ϒ)]w^-1                        (2)

где σ, φ, ϒ, w — соответственно содержание белка, жира, углеводов и влаги в смеси мороженого, кг на 1 кг продукта (т.е. доли единицы).

Взяв за основу данный показатель, путем логическою рассуждения о влиянии каждого химического компонента на консистенцию продукта эмпирически получили значение комплекса показателя химического состава мороженого после кристаллизации в нем влаги.

К =[(1+σ)/(1+φ + ϒ)]u                 (3)

где u—содержание влаги в мороженом, кг на 1 кг абсолютно сухого вещества.

Рис.1. Изменение предельного напряжения сдвига мороженого от температуры закаливания t диапазон температур для виноградного льда 2-то же, для апельсинового шербета и ванильного мороженого;3 - то же для алкалидного; 4-кокосового с ананасом без сахара 5-персикового мороженого

Комплексный показатель мороженого К₂ отличается от комплексного показателя его смеси К_см тем, что в первом случае [формула (3)] влага, выраженная через влагосодержание, входит в числитель, т.е. при минусовых температурах она кристаллизуется, увеличивая тем самым консистенцию мороженого, а во втором случае — в знаменатель [формула (2)|, так как при температурах выше температуры кристаллизации влага уменьшает консистенцию.

Характер изменения коэффициентов В_в и для различных видов мороженого в зависимости от комплексного показателя К₂ [формула (3)] представлен на рис. 2.

Математическая обработка соответствующих криволинейных графических зависимостей (кривые 3,4) позволила получить следующие уравнения:

В_н= 151,5 + 8,8 К_2, — 24,3 К₂   (4а)

m₀ = 2,08+0,156 К₂² 0,306 К₂.      (4)

Внесение в дисперсионную систему мороженого дисперсной фазы в виде упруго эластичной добавки (кусочки персика, ананаса и т.д.) изменяют значение коэффициентов в уравнении (4).

Обобщенное уравнение для расчета ПНС однородного, гомогенного, а также с упруго эластичными добавками мороженого при температурах закаливания —6...—30 °C имеет следующий вид:

θ_О = [(151,5+8,8 К₂-24,ЗК₂²)+175 С_уэ]                       (5)

где С_уэ — содержание упруго эластичной добавки в виде кусочков персика, ананаса, яблока размером 5x5x5 мм (в долях единицы).

Для упрощения уравнения (5) был рассмотрен преобразованный комплексный показатель химического состава мороженого при —6...—30 °C следующего вида:

К =[(1+σ)/(1+φ + ϒ)]/[(1+u)/(1+у)].            (6)

Рассчитанный по формуле (6) показатель К₁ для различных видов мороженого приведен в табл. 1.

Рис. 2. Зависимость В при температуре t=—1 °C и изменения от комплексных показателей химического состава

Зависимость B_θ и m₀ от показателя К₁ характеризуют прямые 1и 2 (см. рис. 2), обработка которых позволила получить следующую обобщенную зависимость для определения ПНС мороженого.

Мороженое шоколадное, ванильное, персиковое и кокосовое с ананасом без сахара имеет степень избитости 100 %.

Проведенные специальные исследования влияния степени взбитости С (%) на консистенцию перечисленных видов мороженого фирмы «Баскин Роббинс» при температурах закаливания -6...-30 °C позволили установить, что скорость изменения ПНС от С практически остается постоянной, а В является переменной величиной и подчиняется следующей зависимости:

B_θ= В 1,4/(С-76)+0,942],                  (7)

где B_θ предельное напряжение сдвига мороженого при степени взбитости от 80 до 120 %.

Полученные маге магические уравнения позволяют прогнозировать консистенцию мороженого при температуре закаливания по реологическим характеристикам в зависимости от химического состава, температуры и степени взбитости.