MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ. Sledování jakostních ukazatelů mražených krémů pomocí NIR spektroskopie

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA Ústav technologie potravin Sledování jakostních ukazatelů mražených krémů pomocí NIR spektroskopie Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Táňa Lužová, PhD: Autor práce: Kateřina Horníková Brno 2013

2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem předkládanou diplomovou práci vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. V Brně Kateřina Horníková

3 Poděkování Děkuji Ing. Táni Lužové, PhD. za její rady a konzultace při psaní této diplomové práce, rodině za podporu při studiu a Ing. Anně Babjakové za pomoc při konečných úpravách práce.

4 Abstrakt Tato práce se zaměřuje na technologii při výrobě zmrzlin a především možnosti měření obsahových složek (sušiny, tuku, bílkoviny a kyselosti) v mražených smetanových krémech pomocí NIR spektroskopie. Vzorky byly rozborovány nejprve pomocí referenčních metod a následně proměřeny ve dvou režimech, za použití kovového zrcátka a v kádince na NIR spektrometru. Spektra byla upravena a vyhodnocena programem TQ Analyst a srovnána s výsledky referenčních metod. Při kalibraci byla použita metoda částečných nejmenších čtverců (PLS). Na základě těchto srovnání lze říci, že NIR spekrometrie je vhodný nástroj ke stanovení obsahu sušiny u mražených smetanových krémů (pro zrcátko byl vypočten korelační koeficient kalibrace R=0,982 a korelační koeficient validace R=0,929; směrodatná odchylka kalibrace SEC=0,67 % a směrodatná odchylka validace SEP=1,32 %; kalibrační variační koeficient CCV=1,81 % a predikční variační koeficient PCV=3,54 % a pro kádinku korelační koeficient kalibrace R= 0,957 a korelační koeficient validace R=0,926; směrodatná odchylka kalibrace SEC=1,03 % a směrodatná odchylka validace SEP=1,35 %; kalibrační variační koeficient CCV= 2,76 % a predikční variační koeficient PCV=3,62 %); pro bílkoviny se podařilo sestavit kalibrační model pro orientační stanovení za použití zrcátka (pro zrcátko byl vypočten korelační koeficient kalibrace R=0,998 a korelační koeficient validace R=0,932; směrodatná odchylka kalibrace SEC=0,07 % a směrodatná odchylka validace SEP=0,38 %; kalibrační variační koeficient CCV=2,47 % a predikční variační koeficient PCV=13,86 % a pro kádinku korelační koeficient kalibrace R= 0,967 a korelační koeficient validace R=0,861; směrodatná odchylka kalibrace SEC=0,26 % a směrodatná odchylka validace SEP=0,54 %; kalibrační variační koeficient CCV= 9,50 % a predikční variační koeficient PCV=19,62 %). Kalibrace pro obsah tuku nebyla dostatečně spolehlivá, výsledky byly pro kádinku: R (kalibrace)=0,909; R (validace)=0,860; SEC=1,47 %; SEP=1,80 %; CCV=15,14 %; PCV=18,65 % a pro zrcátko: R (kalibrace)=0,921 R (validace)=0,899 SEC=1,37 % SEP=1,55 % CCV=13,67 % PCV=15,73 %. Kalibrace pro kyselost se nepodařilo stanovit.

5 Klíčová slova: zmrzlina, technologie, NIR spektra, kalibrace

6 Abstract This paper deals with technology of ice-cream production and posibilities of measuring content of dry matter, fat, proteins and acidity in cream and milk ice-creams by nearinfrared (NIR) spectroscopy. The samples were analysed firstly by means of reference methods and then measured in 2 modes: using a metal mirror reflecting the light and in a little beaker, both on NIR spectrometer Nicolet Antaris. The spectra were edited and compared with results of reference methods with TQ Anylyst programme and the results evaluated metod. For calibration method of Partial Least Square (PLS) was used. Considering the results given, it can be said that NIR spectroscopy is an excellent method to determine dry matter content in cream and milk ice-creams (for a mirror mode correlation coefficient of calibration R=0,982; correlation coefficient of validation R=0,929; standard error of calibration SEC=0,67 %; standard error of prediction SEP=1,32 %; calibration coefficient of variation CCV=1,81 %; prediction coefficient of variation PCV=3,54 % and for the beaker mode correlation coefficient of calibration R= 0,957; correlation coefficient of validation R=0,926; standard error of calibration SEC=1,03 %; standard error of prediction SEP=1,35 %; calibration coefficient of variation CCV= 2,76 %; prediction coefficient of variation PCV=3,62 %). For proteins a calibration model for orientational analyse of unknown samples was set up, using a mirror (for mirror was calculated correlation coefficient of calibration R=0,998; correlation coefficient of validation R=0,932; standard error of calibration SEC=0,07 %; standard error of prediction SEP=0,38 %; calibration coefficient of variation CCV=2,47 %; prediction coefficient of variation PCV=13,86 % and for the beaker correlation coefficient of calibration R= 0,967; correlation coefficient of validation R=0,861; standard error of calibration SEC=0,26 %; standard error of prediction SEP=0,54 %; calibration coefficient of variation CCV= 9,50 %; prediction coefficient of variation PCV=19,62 %). Calibration for fat content was not enough reliable, the results are following: for the beaker: R (calibration)=0,909; R (validation)=0,860; SEC=1,47 %; SEP=1,80 %; CCV=15,14 %; PCV=18,65 %; and for the mirror: R (calibration)=0,921; R (validation)=0,899; SEC=1,37 %; SEP=1,55 %; CCV=13,67 %; PCV=15,73 %. Calibration for acidity was not set up successfully.

7 Keywords: ice-cream, technology, NIR spectra, calibration 7

8 OBSAH OBSAH ÚVOD CÍLE PRÁCE LITERÁRNÍ PŘEHLED Infračervená spektrometrie (IR) Popis IR Princip měření složek zmrzlin na IR Blízká červená spektroskopie (Near-Infrared Spectroscopy, NIR) Historie Spektra Instrumentace Typy spektrometrů Chemometrie Aplikace NIR v potravinářském průmyslu Autenticita Historie zmrzliny Dělení zmrzlin Průmyslová, balená zmrzlina Běžná zmrzlina Softová zmrzlina Legislativa pro mražené smetanové krémy Definice mraženého krému Legislativní úprava pro zmrzliny a mražené smetanové krémy Nebalená zmrzlina

9 Balené zmrzliny Reologie zmrzlin Fyzikální struktura; formace a stabilita Význam jednotlivých komponentů Úprava reologických vlastností zmrzlin Technologie výroby zmrzlin a mražených krémů Suroviny Technologické kroky při výrobě zmrzlin Příprava mixu, standardizace a homogenizace surovin Pasterace Homogenizace Chlazení Zrání Mražení Balení zmrzliny Řemeslná výroba zmrzlin Suroviny pro výrobu zmrzlin klasickou cestou Racionalizační přípravky Vady zmrzlin MATERIÁL A METODIKA Použitý materiál Metodika Referenční metody Příprava vzorku k rozborům Stanovení sušiny Stanovení tuku Stanovení bílkovin Titrační kyselost

10 ph NIR VÝSLEDKY PRÁCE A DISKUZE Výsledky práce Výsledky referenčních metod Výsledky NIR Kádinka Zrcátko Grafické podklady Měření kádinka Měření zrcátko Interpretace Diskuze ZÁVĚR SEZNAM LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM GRAFŮ SEZNAM ZKRATEK

11 1 ÚVOD Produkce potravin je v současné společnosti z podstatné části založena na jejich výrobě ve velkých množstvích, ve specializovaných závodech. S touto specializací rostou i náklady na každou výrobní dávku a proto je cílem co nejméně znehodnocených dávek a co nejpřesnější a organizované řízení procesů v potravinářské výrobě. Pro kontrolu surovin, meziproduktů a hotových výrobků se využívá ve větší míře moderní techniky. Ta s sebou nese možnost rychleji a jednodušeji posoudit kvalitu, případně autenticitu. Bývá diskutován potenciál technologií pro ověření kvality a autenticity potravin. Od roku 2001 se objevují analytické techniky, které mohou být využívány právě na poli bezpečnosti potravin a možnosti jejich zavedení do průmyslové velkovýroby, kde jejich použití, přes větší počáteční náklady, může mít dobré výsledky. Uplatnění specifických technik, v kombinaci s chemometrickou analýzou, najdeme při snaze klasifikovat vzorky potravin podle jejich kvality a původu. Patří mezi ně spektroskopie (UV, NIR, MIR, Vis, Ramanova), analýza izotopů, chromatografie, elektronický nos, PCR, ELISA nebo termická analýza. 11

12 2 CÍL PRÁCE Cílem této práce bylo: Prostudovat dostupnou odbornou literaturu zabývající se zpracováním mražených krémů. Prostudovat dostupnou odbornou literaturu zabývající se NIR spektroskopií. Věnovat pozornost studiu dostupné zahraniční literatury. Podle pokynů vedoucího provádět rozbory mražených krémů - stanovení obsahu sušiny, tuku a titrační kyselosti. Provádět měření na NIR spektofotometru. Porovnat a statisticky vyhodnotit funkčnost vytvořených kalibračních modelů. 12

13 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Infračervená spektrometrie (IR) Popis IR Pokud se frekvence záření sladí s vibrující molekulou, dochází k přenosu energie záření předává energii molekule. K přenosu energie však dochází podle jistých pravidel energie neproudí kontinuálně, ale v diskrétních jednotkách, nazývaných kvanta (Osborne, 2006). K přechodu mezi energetickými hladinami a absorpci emisi může dojít pouze tehdy, když jsou energetické hladiny sousedící nebo alespoň blízké. Čím je větší rozdíl energetických hladin, tím je větší intenzita tzv. přechodových pásů (overtone bands) a nejvíce disharmonické, co se týče oscilace, jsou vazby obsahující vodík, uhlík, dusík nebo kyslík (Osborne, 2006). Lze tedy říci, že absorpce infračerveného záření způsobí změnu vibračního nebo rotačního stavu molekuly. S jakou intenzitou je záření absorbováno, záleží na struktuře molekuly. K nejintenzivnější absorpci infračerveného záření dochází při určité vlnové délce, což lze graficky znázornit jako absorpční spektra, kde je jednotlivým vlnovým délkám přiřazena míra absorpce záření, absorbance. Téměř každé absorpční spektrum je jedinečné a spektra mírně odlišných materiálů jsou mírně odlišné (Osborne, 2006, Niemöller et al., 2008). 13

14 Obr. 1: Vlnové délky a názvy jednotlivých oblastí záření (Anonym, 2012) Princip měření složek zmrzlin na IR Principem měření je vyjádření funkční závislosti části energie, která prošla vzorkem (transmitance, T) nebo absorbance (což je dekadický logaritmus 1/T) na vlnové délce dopadajícího záření. Tato závislost, znázorněná graficky, se nazývá spektrum. Výsledkem měření je tedy spektrum konkrétní látky, které je jiné pro každou organickou látku. Spektrum je komplexním zobrazením látky. Mezi výhody metody patří především možnost měřit látky jak tekuté, tak práškové nebo dokonce vysoce viskózní (med) bez předchozí přípravy vzorku. Kyvety a misky jsou vyrobeny z běžného křemenného průhledného skla. Jako největší předností metody se při větším počtu vzorků a v běžném potravinářském provozu jeví doba analýzy jednoho vzorku v rámci sekund, maximálně minuty. To znamená velký rozdíl oproti běžné laboratorní analýze, která zabere řádově desítky minut a je mnohem náročnější na spotřebu činidel a chemikálií, tzn. časová a materiální náročnost, ekologická zátěž a možné poškození zdraví činidly a chemikáliemi. Na druhé straně klasickou laboratorní analýzu je vhodné a potřebné použít ke kalibraci přístroje. 14

15 Odlišné principy měření na IR Rozptýlený odraz (difuzní reflektance) Vstupující paprsek se odráží od pevných malých částic a od překážky se záření odráží do různých směrů. Používá se především u suchých vzorků Transmitance, prostupnost Měří se oslabení intenzity záření prošlého vzorkem, využívá Lambert-Beerova zákona Transflektance Záření prochází vzorkem dvakrát projde vzorkem, odráží se od odrazné plochy za vzorkem, prochází znovu vzorkem a do detektoru. Použitelné pro vzorky s nízkou optickou hustotou, které méně absorbují Spekulární reflektance V tomto případě záření neinteraguje se vzorkem, jen se odráží od povrchu a podle odklonu paprsku se dá určit povrchová struktura. Neslouží ke stanovení složení vzorku (Koplík, 2012) Blízká červená spektroskopie (Near-Infrared Spectroscopy, NIR) Blízká červená spektroskopie (NIRS, near-infrared spectroscopy) je definována jako analýza látky podle její schopnosti pohlcovat světlo v určité oblasti elektromagnetického záření. Výsledné spektrum je molekulárním otiskem prstu dané látky a umožňuje velmi přesnou identifikaci a kvantifikaci dané látky. Jedná se o metodu nedestruktivní, to znamená, že analýzou vzorku nedochází k jeho zničení nebo poškození. Tato metoda se používá, díky svým charakteristikám, v celé řadě odvětví, kde je potřeba provést měření obsahových složek různých materiálů. Konkrétně v potravinářství se využívá schopnosti NIR rychle, efektivně a poměrně přesně změřit obsah tuku, bílkovin, cukrů a sušiny (vody). Při měření je měřena absorbance funkčních skupin charakteristických pro jednotlivé složky. U tuků je touto 15

16 charakteristickou skupinou C-H, u bílkovin N-H, u sacharidů C-O-H a O-H u vody. (Paré et al., 1997). Obr. 2: Spektrum s absorpčními pásy jednotlivých funkčních skupin (Walstra et al., 1999) Protože spektrum NIR obsahuje obvykle jen několik významných píků, které jsou informačně velmi bohaté (řada překrývajících se absorpčních pásů), je interpretace NIR spekter relativně náročná a prakticky nemožná bez použití matematických a statistických metod, například chemometrických metod. Za pomocí těchto metod jsme schopni získat z NIR spektra potřebné informace (Workman, 2005). Oproti oblasti MIR, kde grafickým výstupem jsou spektra s ostrými píky, v NIR oblasti jsou absorpční pásy širší a intenzita absorpce (výška píků) nižší. Intenzita odrazu je v NIR oblasti vyšší než v MIR. Prakticky to znamená, že pásy vznikající v NIR spektru jsou mnohem širší než u IR spekter, a proto se látky neidentifikují na základě přiřazení pásů k jednotlivým funkčním skupinám, ale využívá se tzv. celospektrálních metod (Koplík, 2012) Historie Postulát o existenci infračerveného záření poprvé vyslovil Sir Isaac Newton v roce 1666, ale až v roce 1800 Sir William Herschel objevil energii tohoto záření, a to rozkladem paprsku slunečního světla hranolem. Umístil teploměr za červenou část viditelného spektra teplota vzrostla. Z toho pokusu Herschel usoudil, že spektrální 16

17 škála slunečního paprsku pokračuje dále za červenou, viditelnou částí. Ale trvalo více než jeden a půl století, než byla infračervená spektroskopie uznána jako analytický nástroj. Až v 60. letech 20. století uvedl Karl Norris z United States Department of Agriculture (USDA, Oddělení zemědělství Spojených států amerických) technologii NIR spektrometrů. V této době totiž počítače začaly dosahovat té úrovně, že byly schopné zpracování velkého množství dat informací o spektrech u vzorků ze zemědělství a potravinářství, spolu s údaji o složení (Niemöller et al., 2008). Brzy potom Phil Williams, výzkumník v oblasti zrnin na Canadian Grain Comission (Kanadské obilnářské komisi), dosáhl významného pokroku tím, že nahradil Kjeldahlovu metodu, která je zdlouhavá a náročná, určením obsahu bílkovin v zrnu pomocí NIR spektroskopie (Armstrong et al., 2006). To byl počátek období NIR. Použití se rychle rozšířilo ze zemědělství do dalších průmyslových odvětví (Armstrong et al., 2006; Giangiacomo et al., 2004). Klíčové v rychlém rozšíření v posledních desetiletích nebyl pouze rozvoj jednoduše použitelných přístrojů, doplňků a softwaru, ale také rozvoj počítačů. Dříve byla dostupnost počítače výrazně nižší; dnes je již běžným pomocníkem a navíc jeho výkon umožňuje vyhodnocení dat z NIR přístroje, což byl v minulosti náročný až neřešitelný úkol. Od 90. let, tedy s masivním rozšířením a rozvojem počítačů, dochází k rozšířenějšímu použití NIR metody v různých odvětvích průmyslu. V roce 2005 na konferenci VII CISETA v Cernobbio bylo diskutováno další možné použití NIR přístrojů, a to pro analýzu zmrzlinových směsí. V roce 2009 proběhlo Pittcon 2009 Waters Symposium, na kterém promluvilo 5 řečníků na téma historie NIRu a rychle rostoucí možnosti jeho použití. Karl Norris, označovaný jako otec NIRu, popsal vývoj a počáteční zdokonalování prvních přístrojů používaných při měřeních vzorku zrn obilnin. Peter Flinn vysvětlil vědeckou podstatu této technologie a důležitost použití chemometrie při interpretaci dat z NIR. Franklin Barton ukazoval, jak byly vyvinuty první oficiální, standardizované metody a popsal vývoj kompaktního, specializovaného NIR spektrometru pro rychlou, nedestruktivní analýzu materiálu přímo v provozu. Phil Williams podal bližší informace o NIR v komerční sféře a rozšíření NIR po světě (Bosco, 2010). 17

18 Dnes je NIR používán v mnohem širším měřítku a to při nedestruktivní kvalitativní a kvantitativní analýze surovin, meziproduktů a hotových výrobků, tzn. od počátku až do konce výrobního procesu. Konkrétně lze zmínit využití v pekárenském průmyslu (kvalita obilnin a mouk), v masném průmyslu, v mlékárenské výrobě nebo krmivářství. Mimo potravinářství je to využití ve farmacii, v technických oborech se využívá pro analýzu materiálů, např. pro stanovení kvality černého uhlí (Ritz et al., 2006) Spektra Oblast spektra, kterou označujeme jako blízké infračervené záření (near-infrared region, NIR) leží v rozsahu vlnových délek 780 nm až 2500 nm (Siesler et al., 2002; Niemöller et al., 2008) Instrumentace Pro úspěšnou analýzu pomocí NIRS je třeba vybrat nejvhodnější přístroj pro daný úkol. Důležité je uživatelské rozhraní, jednoduchost v ovládání, cena, servis a uživatelská podpora, v jaké formě skupenství bývají analyzované vzorky (tekuté, práškové, pevné) a zda je možno změnou nástavce měřit vzorky různých forem Typy spektrometrů Filtrové fotometry Filtrové přístroje jsou nejjednodušší a obvykle tou nejlevnější variantou NIR přístrojů a jsou schopné provádět analýzu pouze makrosložek. Ve srovnání s ostatními technologiemi nevytváří spektra, protože neprovádí kontinuální skenování. Místo toho jsou v přístroji použity různé filtry (obvykle mezi 2 a 19), umístěné a pohybující se na rotujícím kole. Tímto způsobem dochází k vyselektování malých oblastí vlnových délek/vlnočtů spektra. Použitá vlnová délka je vybrána v závislosti na požadovaném úkolu podle toho, zda se jedná o analýzu bílkovin, tuku či vlhkosti. Filtrové fotometry jsou obecně málo flexibilní a mohou být zdrojem chyb (například při změně teploty). 18

19 Naproti tomu jejich výhodou jsou nízké pořizovací náklady a možnost vykonat danou analýzu komponentů o vysoké koncentraci, a to v laboratoři či provozu. Obr. 3: Schéma filtrového fotometru (Niemöller et al., 2008) Disperzní spektrofotometry U tohoto typu spektrofotometrů je světlo o různých vlnových délkách vysláno směrem na vzorek a prošlé nebo odražené světlo pak projde úzkou štěrbinou. Vydutá (konkávní) difrakční mřížka pak rozdělí světelný paprsek podle vlnových délek a jejich intenzita je skenována na výstupní štěrbině. Diskrétní vlnové délky, které projdou výstupní štěrbinou, jsou následně měřeny na detektoru. Tento typ, stejně jako ostatní spektrofotometry, je flexibilní a nabízí celou řadu analytických možností. Obr. 4: Schéma disperzního spektrofotometru (Niemöller et al., 2008) Spektrofotometry s detektorem diodového pole U tohoto typu spektrofotometru jsou skenující mřížka, výstupní štěrbina a detektor nahrazeny stacionární mřížkou a detekčním polem. Na různé části detektorového pole dopadají různé vlnové délky a dochází k simultánnímu měření, takže tyto spektrofotometry mohou být velmi rychlé. Nicméně omezený počet detekčních elementů na políčku znamená, že přístroj má buď nižší rozlišení nebo pouze pokrývá 19

20 detekci jen určité části spektra. Spektrofotometry s Fourierovou transformací (FT-spektrofotometry) Cílem je registrovat závislost intenzity záření (absorbance, transmitance) na vlnové délce. U FR-NIR spektrometru jsou vlnové délky modulovány, převedeny z IR do oblasti audiofrekvencí (khz) a detektory tak mohou zaznamenat jak vlnovou délku, tak intenzitu záření. Přístroje u FT-spektrofotometrie mají namířený zdroj světla na Michelsonův interferometr. Interferometr sestává z děliče svazku paprsků, pevného zrcátka a pohyblivého zrcátka, které se pohybuje tam a zpět a má vysokou přesnost pohybu, snímanou s vysokou přesností referenčním laserem s laserovým detektorem. Dělič paprsků je tvořen tenkou vrstvou germania na nosiči propustném pro záření v dané vlnové oblasti (bromid draselný nebo jodid cesný). Dělič paprsků odráží polovinu světla do pevného zrcátka a druhou půlku přenáší na pohyblivé zrcátko. Jak pevné, tak pohyblivé zrcátko zaměří světlo zpět do děliče paprsků, kde interferují. Tato interference se periodicky mění spolu s pohybem mobilního zrcátka, a tak se mění intenzita světla na detektoru. Intenzita světla jako funkce pohybu zrcátka se nazývá interferogram. Interferogram je převodníkem analogového signálu převeden na digitální a pak je použita Fourierova transformace, abychom získali spektrum. (Detailní popis operací u spektrofotometrů s Fourierovou transformací lze najít v literatuře, např. Griffiths a Haset, 1986). FT-spektrofotometr nabízí vysoké rozlišení, příznivou rychlost a vysoký poměr signál : šum. Nicméně jejich největší výhoda pramení z faktu, že pozice pohybujícího se zrcátka je řízena helio-neonovým laserem. K tomu neodmyslitelně patřící stabilita vlnové délky laseru umožňuje vysokou přesnost a spolehlivost vlnové délky. To má dále za následek stabilitu kalibračního modelu v čase a umožňuje jednoduchý přenos kalibračních modelů mezi přístroji (Niemöller et al., 2008; Manuál, 2001). 20

21 Obr. 5: Schéma FT-NIR spektrofotometru (Koplík, 2012) Chemometrie Při provádění experimentu máme nějaký cíl, který zohledňujeme při jeho přípravě. Je nutná určitá předběžná představa o sledovaném ději a představa znalost předmětu sledování. Následně se výsledky pokusu zpracovávají, často matematicky, někdy i za použití počítače. Dochází ke sběru velkého množství dat, která musejí být zpracována. Proto je u metodologie experimentu viditelný přesun od logické analýzy výsledků kvalitativních pokusů k matematickému zpracování naměřených dat, a to obvykle počítačovému (značný počet dat je již nezpracovatelný papírově a s kalkulačkou ). Počítač bývá často připojen hned za měřící přístroj a zaznamenává měření. Proto souvisí metodologie chemie úzce s chemometrií, chemickou disciplínou využívající matematických metod, jako je teorie pravděpodobnosti, rozdělení pravděpodobnosti, náhodnou veličinu, matematickou statistiku-statistické testování, závislost dvou proměnných, lineární regrese. Chemometrické metody jsou využívány k volbě nejvhodnější experimentální strategie a k získání maximálního množství podstatných informací z experimentálních výsledků a k jejich prezentaci. 21

22 Chemometrické zpracování výsledků často usnadní výklad určitého chemického jevu a jeho příčin, zejména tím, že umožňuje získat z dat informace, které nejsou bez takového zpracování patrné. Chemometrie dále umožňuje vytvářet matematické modely experimentálních metodik a kvalifikovat pojmy, řešené dosud pouze kvalitativně, přičemž často nachází vztahy mezi pojmy, které byly dříve brány za nezávislé. Chemometrie také podává pravidla, jak prezentovat výsledky, aby byly zřejmé meze jejich platnosti. Zcela obecně lze k chemometrii zařadit vše, co nám v chemii slouží k tomu, aby se jednotlivá dílčí fakta a experimentální výsledky, ale i různá empirická pravidla a domněnky, změnily v informace, resp. v ucelené poznatky. Chemometrie vznikla koncem šedesátých, začátkem sedmdesátých let minulého století a od té doby se stále vyvíjí. Označení chemometrie použil poprvé S. WOLD v roce Zatímco pro chemometrii sedmdesátých let, zaměřenou hlavně na fyzikálněchemické metody a výsledky, je při zpracování dat charakteristické hlavně to, že model byl vždy znám z teorie, a proto se určovaly jen hodnoty koeficientů pro daný model (tj. hodnoty látkových, rychlostních a rovnovážných konstant), objevuje se v chemometrii v druhé polovině osmdesátých let zájem ostatně zřejmý v celé přírodě o komplikované systémy. Složitost těchto systémů je dána nejen velkým počtem subsystémů a složitými relacemi mezi nimi, ale i velkým počtem faktorů, které funkci systému ovlivňují a jsou často ve vzájemné interakci. To vyžaduje zpracování více rozměrných souborů dat, používání faktorové analýzy, multikriteriální rozhodování apod. Poměrně autonomní částí oboru je tzv. analytická chemometrie, která se zabývá otázkami optimální analytické strategie a metodami zpracování analytických dat. Dnes pomocí počítače, zapojeného přímo na analytický instrument (konkrétně v případě této diplomové práce NIR spektrometr). Prof. G. Kateman charakterizoval v roce 1988 analytickou chemometrii jako nehmotnou část analytické chemie. Experimentální výsledky, zejména jsou-li dobře matematicky zpracovány, by měly vždy vést k zobecnění, k potvrzení nebo posílení dosavadní hypotézy (domněnky) nebo 22

23 uznávané teorie, event. k jejímu rozšíření. Výsledek experimentu však může naopak vést i k popření, vyvrácení dosavadní hypotézy a vést k návrhu alternativní domněnky (Eckschlager et al., 2008) Aplikace NIR v potravinářském průmyslu Pokud se podíváme na výhody NIRS, je poměrně jasné, proč je metoda tak používaná. Plusem je především rychlá, spolehlivá, nedestruktivní analýza s minimální nebo žádnou přípravou vzorku. Pro obsluhu přístroje je třeba minimální trénink a v podstatě kdokoli v provozu či laboratoři je schopen analýzu provést. Rychlé měření a jednorázové zjištění všech komponent ve vzorku umožňuje analýzu více vzorků v daném čase. To umožňuje rychlejší kontrolu surovin, výrobků a výrobního procesu. Navíc při automatickém vzorkování lze analyzovat bez účasti operátora. Dalším důležitým aspektem, majícím vliv při použití NIR metody, je rozvoj kalibrací pro NIR. Kalibrační metody jsou založeny na multivariačních statistických metodách. Ty jsou odlišné od klasických jednovariačních statistických metod, které jsou běžně užívány v analytické chemii. Zajištění nejlepší možné kvality produktu ve všech fázích produkčního řetězce je v zájmu jakéhokoli průmyslu. Díky NIRS může být zkontrolováno zboží během sekund a kontrola během výrobního procesu má zajistit, že produkce je ve zvládnutém stavu. U hotového produktu jde o zajištění kvality už pro cílového zákazníka (Nilsson, 2012). Nejčastěji je metoda v potravinářství používána k určení bílkovin, sušiny (obsahu vody), škrobu, tuku, popelovin, chloridu sodného a dalších složek (Ferosekhan, 2009). Provádí se i kalibrační měření pro minoritní složky (například u mléka močovina, polyaminy u tvarůžků), ale modely dosahují nižší spolehlivosti ve srovnání s majoritními složkami, protože IR spektra jsou ovlivněna více fyzikálně-chemickým složením majoritních složek (Dračková et al., 2009). 23

24 Autenticita Spotřebitelé a potravinářský průmysl požadují prostředky, jak změřit kvalitu některých surovin pro výrobu potravin a také parametry konečných výrobků. Konkrétně u mléčných výrobků, jako mléko, zmrzlina, jogurt, sýry, máslo atd. jsou tato měření žádaná. Jedná se totiž o potraviny s vyšší přidanou hodnotou, a to je činí náchylnými k falšování (Karoui et al., 2006). Cílem podobného falšování bývají především výrobky vyšší kvality, prémiové, které ve skutečnosti deklarovanou kvalitu nemají a tak i vyšší cena, která bývá obvykle spjata s výrobkem lepší kvality, nemá faktické opodstatnění. Proto je jak pro zákazníka, tak pro provozovatele potravinářských podniků, distributory, prodejce a kontrolní instituce tak důležitá autenticita, pravost výrobků, shoda s deklarovaným obsahem, jeho kvalita a původ (kvalita např. kakaa či kávy dle místa původu). Aby tedy byla zajištěna férová soutěž na trhu, využívají se v dnešní době spektroskopické techniky (NIR, MIR), fluorescenční spektroskopie, technika stabilního izotopu a nukleární magnetická rezonance spolu s chemometrickými nástroji (Reid, 2006). Oproti klasickým analytickým metodám jsou totiž schopné prokázat původ výrobku region, ze kterého výrobek či surovina pochází. Za pomoci těchto technik můžeme získat jakýsi otisk prstu (fingerprint), identitu potraviny/suroviny. Ten je potom následně srovnán s knihovnou těchto fingerprintů. (Karoui et al., 2006) Použití dalších alternativních technik, jako spektroskopické NIR, MIR, FFFS (front-face fluorescence spectroscopy), techniky stabilního izotopu a NMR spolu s chemometrickými nástroji mají potenciální výhody při hodnocení identity mléčných výrobků (mléko, zmrzlina, jogurt, máslo, sýr atd.). Tyto techniky pro použití v analýze potravin zkoumali například Karoui et al., kteří se zabývali určením kvality a/nebo identity mléčných výrobků použitými metodami a vhodností jejich použití. Jejich výsledky jsou uvedeny v tabulce: 24

25 Tabulka 1: Výhody a nevýhody blízké červené spektroskopie (NIR), spektroskopie s Fourierovou transformací (FT-IR) fluorescence a nukleární magnetické rezonance (NMR) při měřeních neředěného mléka Spektroskopická technika Citlivost Informační obsah Absence interferencí Opakovatelnost Absence rozptylu světla NIR FT-IR Fluorescence NMR Vysvětlivky: Citlivost a informační obsah:, nízké;, vysoké; absence interferencí:, mnoho interferencí;, málo interferencí; opakovatelnost:, špatná;, dobrá; absence rozptylu světla:, rozsáhlý rozptyl světla;, žádný rozptyl. (Karoui et al., 2006) 3.2 Historie zmrzliny Podle toho, co je bráno jako zmrzlina, začíná historie zmrzliny. Jako směsi ovoce (medu, vína) a ledu či sněhu lze najít informace o zmrzlinách již v písemných materiálech z období antického Řecka a Říma. Ovšem kvůli jejich nákladnosti (v létě bylo nutno dovážet sníh z hor) se jednalo o výsadu nejvyšších vrstev, pochoutku na hostinách. Vzhledem k použití přírodního sněhu či ledu neklesala teplota těchto pochoutek pod 0 C a zmrzliny tak byly směsicí šťáv, tekutin, dření a postupně odtávajících krystalků ledu či sněhu. Ovšem zmrzliny, které tak označujeme dnes, mají jiné vlastnosti. Prvním, citelným rozdílem je teplota, jakou má zmrzlina, kterou konzumujeme. Dnes, kdy valná většina evropských domácností disponuje mrazícím zařízením, má konzumovaná zmrzlina teplotu dosti nižší než 0 C. 25

26 Skutečné zmrzliny v dnešním smyslu slova počaly vznikat v době, kdy jsme začali být schopni uměle snížit teplotu za pomoci ledu a soli. Tato směs se nazývá eutektická, to je taková, jejíž složky jsou mísitelné v tekutém stavu, směs má více fází a její vlastností je eutektická teplota nejnižší teplota, při které je v kapalném stavu a může být nižší než body tání jednotlivých kapalin. Prakticky to při výrobě zmrzliny znamená, že tekutou zmrzlinu lze přeměnit na polotuhou nepřímým kontaktem se směsí ledu a chloridu sodného (v poměru cca 3:1). Tak lze teoreticky docílit teploty až -21,2 C. Tímto způsobem byla zmrzlina vyráběna již ve středověku, především ve Francii, Itálii a Německu. Koncem 18. století se poprvé objevil stroj na výrobu zmrzliny v USA. Systém chlazení pomocí eutektických směsí byl využíván až do 50. let 20. století. Zásadně přispěl k průmyslové výrobě zmrzlin vynález Carla von Lindeho, který zkonstruoval na základě znalostí o výparném teple kapalných chladiv kompresorový chladící systém, který je s jistými modifikacemi používán dodnes. Jeho základem jsou expanzní ventil, výparník, kondenzátor chladiva, kompresor a elektromotor. Podstatou tohoto systému, využívaného v chladničkách, mrazničkách a výrobnících zmrzliny je chladící kapalina. Jako chladící kapalina se v minulosti používaly čpavek nebo chlorované a fluorované uhlovodíky (CFC), které však byly kvůli poškozování ozonové vrstvy nahrazeny hydrogenovanými CFC, které se rozloží dříve, než se dostanou do výšky ozonové vrstvy. Obecně se ale jedná o kapaliny s nízkým bodem varu (cca 20 C při atmosférickém tlaku). Chladivo se ve výparníku vypařuje vlivem sníženého tlaku (to způsobuje nižší bod varu) a k přechodu mezi kapalným a plynným skupenstvím je třeba dodat skupenské teplo výparné (je odebráno chlazenému prostoru). Páry nasává kompresor, který páry stlačuje a ty potom přechází do kondenzátoru, kde dojde k jejich ochlazení a tím zkapalnění. Kapalina je vytlačována tlakem nezkondenzovaných par do škrtícího ventilu, kde se skokem snižuje tlak a dochází k varu a opakování celého cyklu. V praxi se již s výrobou zmrzlin pomocí eutektické směsi ledu a soli nesetkáme (především kvůli nutnosti obstarávat led/sníh, pracnosti a nestandardní kvalitě zmrzliny). V menší míře se lze ještě setkat s použitím suchého ledu, pevného oxidu uhličitého, který sublimuje při teplotě -78,9 C. Této vlastnosti se používalo při 26

27 tvarování měkké zmrzliny nebo ochlazování zásobníků na přepravu potravin. Dnes je nejběžnějším způsobem mražení zmrzliny použití hlubokomrazících zařízení s kompresorovým zařízením (Reichl et al., 2012). 3.3 Dělení zmrzlin Zmrzliny a mražené krémy Ačkoli v běžné mluvě se používá termín zmrzlina pro veškeré sladké mražené pochoutky, které konzumujeme, tak pokud budeme přísně rozlišovat, existují dvě rozdílně kategorie ledových pochoutek: zmrzliny a mražené krémy. Společným znakem zmrzlin a mražených krémů je třífázovost: výrobky jsou tvořeny fází tuhou (krystalky ledu), kapalnou (ze suspenzí a emulzí použitých surovin) a plynnou fází (vzduchové bublinky). Kvalita výrobku, především senzorická (struktura, textura), ale také tím ovlivněná kvalita mikrobiologická, je určována poměrem jednotlivých fází, jejich homogenitou a velikostí částic v jednotlivých fázích (více v kapitole Reologie zmrzlin, 3.6). Rozdíl mezi zmrzlinou a mraženým krémem spočívá v následujících charakteristikách: 1. Konzistence zmrzliny jako takové jsou vláčnější, hladší, krémovější, nadýchanější, v ústech vytváří měkčí dojem; oproti tomu mražené krémy jsou tužší, hutnější, kompaktnější a v ústech pocitově studenější. 2. Teplota a způsob zpracování klasická zmrzlina se stále ještě vyrábí řemeslně (i když dochází obvykle k míchání práškových směsí s vodou), výroba má menší kapacitu a probíhá diskontinuálně, někdy kontinuálně v přístrojích s menší výrobní kapacitou. Tekutá zmrzlinová směs je zchlazována při teplotě mezi -14 až -16 C. Oproti tomu mražené krémy se vyrábí ve větších objemech a při teplotách -23 až -26 C. 3. Nášleh u zmrzlin je menší, řádově % po zmrazení zmrzlinové směsi, ve výjimečných případech lze dosáhnout nášlehu 80 %. Ve srovnání s tím mražené 27

28 krémy dosahují na automatických linkách nášlehu až dvojnásobného, tj. do 140 %. 4. Konzumace a distribuce zmrzliny jsou zpravidla konzumovány ihned po výrobě, zatímco mražené krémy jsou po výrobě baleny a skladovány v mrazírnách. 5. Technologie zatímco zmrzlina se míchá a chladí zároveň, u mražených krémů a zmrzlinových krémů se směs nejdřív vyšlehá a až následně, už vyšlehaná, je zchlazena (Skoupil, 1998) Průmyslová, balená zmrzlina Také nazývaná hard zmrzlina, tvrdá zmrzlina, se vyrábí ve výrobnících zmrzliny. Směs surovin pro výrobu zmrzliny je zpracována, vložena do výrobníku zmrzliny a celá dávka ve výrobníku je zmražena. Tvrdé zmrzliny bývají běžně balené v malých porcích a někdy jsou pokryté čokoládovou polevou. Mají mnohem nižší teplotu (např. -25 C). Málokdy obsahují nezmraženou vodu, a proto jsou velmi tvrdé a mají dlouhou minimální dobu trvanlivosti (několik měsíců) Běžná zmrzlina Tato zmrzlina má nižší teplotu než softová zmrzlina ( -10 až -15 C), ale není natolik chladná, aby byla úplně pevná. Skladuje se v řádu týdnů ve vaničkách, ze kterých se servírují jednotlivé porce. Bývá servírována ve formě např. kopečkové zmrzliny Softová zmrzlina Vyrábí se z tekuté směsi (bývá prodávána ve formě prášku, který se míchá s pitnou vodou). Zmrzlina je pod tlakem vytlačována ze zásobníku s tekutinou, chlazena a proces je kontinuální v daný moment je vytlačena jen daná porce zmrzliny pro 28

29 zákazníka, další porce až na žádost dalšího. Je určena k okamžité spotřebě, vyrábí se přímo na místě prodeje a její teplota je běžně mezi -3 až -5 C. Obsahuje velké množství vody, která není zmražená a obsah tuku je poměrně nízký. Softová zmrzlina se vyznačuje nižší hustotou, pocitově je lehčí, teplejší, měkčí, méně kompaktní. 3.4 Legislativa pro mražené smetanové krémy Co se týče zákonné úpravy pro zmrzliny a mražené smetanové krémy, jsou v současné době platné následující legislativní normy: Zákon 110/97 Sb. o potravinách a tabákových výrobcích, novelizovaný Vyhláška Ministerstva zemědělství 77/2003 Sb., o požadavcích pro mléko, mléčné výrobky, mražené krémy a jedlé tuky a oleje, v aktualizovaném znění Nařízení Komise 273/2008, kterým se stanoví prováděcí pravidla k nařízení Rady (ES) č. 1255/1999, pokud jde o metody analýzy a hodnocení jakosti mléka a mléčných výrobků netýká se přímo zmrzlin, ale jen surovin, jako smetana, mléko, máslo atd. Vyhláška 252/2004 Sb., o požadavcích na pitnou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody, ve znění pozdějších předpisů Vyhláška 147/1998 Sb., o způsobu stanovení kontrolních bodů v technologii výroby Vyhláška 366/2005 Sb., o požadavcích na některé zmrazené potraviny Definice mraženého krému Jako mražený krém označuje vyhláška 77/2003 Sb. výrobek získaný zmrazením směsi připravené v závislosti na skupině mraženého krému, zejména z vody, mléka, smetany, cukru a dalších složek, pevné nebo pastovité konzistence, který je uváděn do oběhu a určen ke konečné spotřebě ve zmrazeném stavu. ( 6, vyhl. 77/2003 Sb.)) Zmražení se provádí na teplotu -18 C a nižší. 29

30 Tabulka 2: Členění mražených krémů na druhy, skupiny a podskupiny (Vyhl. 77/2003 Sb., Příloha 4) Druh Mražený krém Skupina Smetanový Mléčný S rostlinným tukem Vodový Ovocný Sorbet Podskupina (Podle použité ochucující složky) např.:) vanilkový, čokoládový, citrónový, pomerančový, jahodový, malinový, pistáciový, oříškový, meruňkový, kávový, kakaový, karamelový... Konkrétně u mražených krémů smetanových, podle přílohy 5 uvedené vyhlášky, jsou požadavky na minimálně 8 % hmotnostních mléčného tuku; u mléčných krémů potom minimálně 6 % tukuprosté mléčné sušiny a nejméně 2,5 % hmotnostní mléčného tuku (Příloha 5, vyhl. 77/2003 Sb.). Mražený krém musí mít jemnou, hladkou, krémovitou konzistenci bez hrudek, větších ledových krystalů a velkých vzduchových bublin. Na závadu nejsou viditelné částice přidaných ochucujících složek (čokoláda, ovoce) v nerozmělněné formě. U mraženého krému smetanového a mléčného nesmí být záměrně přidaný jiný než mléčný tuk a bílkoviny jiné než mléčné Legislativní úprava pro zmrzliny a mražené smetanové krémy Nebalená zmrzlina Vztahují se na ni tato legislativní nařízení: stejné vyhlášky jako pro balenou zmrzlinu 30

31 k výrobě lze použít jen suroviny vyhovující zákonu 110/1997 Sb. o potravinách a tabákových výrobcích a některé doplňující zákony Nařízení Evropského parlamentu a rady č. 178/2002, kterým se stanoví obecné zásady a požadavky potravinového práva, zřizuje se Evropský úřad pro bezpečnost potravin a stanoví postupy týkající se bezpečnosti potravin Nařízení ES č. 852/2004 o hygieně potravin požadavky na provozovny prodávající jakékoli potraviny Nařízení Komise (ES) č. 2073/2005, o mikrobiologických kritériích pro potraviny Vyhláška 77/2003 Sb., kterou se stanoví požadavky pro mléko a mléčné výrobky, mražené krémy a jedlé tuky a oleje a její novela 370/2008 Sb.; oddíl 2 Vyhláška 173/2004 Sb. a vyhláška 602/2006 Sb. o značení zmrzlinových směsí nařízení týkající se bezpečnosti potravin Vyhláška 137/2004 Sb., o hygienických požadavcích na stravovací služby a o zásadách osobní a provozní hygieny při činnostech epidemiologicky závažných, ve znění vyhlášky č. 602/2006 Sb. (zde jsou stanoveny požadavky na značení zmrzlinové směsi) V současné době se připravují jak točená, tak kopečková zmrzlina studenou cestou, což znamená, že zmrzliny jsou vyráběny z hotové práškové směsi a ke zmrazování dochází přímo ve stroji, který se nachází v prodejně. Málokde dochází k mísení surovin, vyšlehávání a chlazení přímo v prodeji. Dle legislativy má být zmrzlina směs na zmrzlinu umístěna ve zmrzlinovém stroji při teplotě -8 C a musí být spotřebována do 2 dnů (48 hodin) po zmrazení a nesmí se převážet. Legislativně není rozdíl mezi podmínkami pro prodej zmrzliny točené a kopečkové, ani mezi prodejem zmrzlin uvnitř (cukrárny apod.) nebo venku, na ulici. Prakticky to tedy znamená, že kopečkové i točené zmrzliny musí dostát požadavkům na zdravotní nezávadnost, přídatné látky, kontaminanty a je nezbytné dodržení vhodných hygienických podmínek při prodeji a mít stanoveny kritické body ve 31

32 výrobě a plnit plán CCP. Nezbytností je ochrana před škůdci (především hmyzem), ale i mikroorganizmy ze vzduchu, zmrzliny chránit před přímým kontaktem se zákazníkem a prodavač je povinen používat vhodné ochranné pomůcky (rukavice, vhodný oplach servírovacího náčiní), provozovatel musí zajistit řádnou očistu strojů a použitého nádobí. Aktuálně je ovšem nejžádanější zmrzlinou zmrzlina tvrdá, průmyslová, balená ve vaničkách, kelímcích nebo ve formě nanuků. U zmrzliny měkké, cukrářské řemeslné je totiž relativně krátká trvanlivost, jen v řádu hodin, ve srovnání se zmrzlinou tvrdou, průmyslovou ta má, pokud je neotevřená, trvanlivost až 2 roky. Pro mražené krémy mimo již zmíněné legislativy existují normy, stanovující pravidla správné výrobní praxe a správné hygienické praxe. Specificky se jedná o ČSN , která stanoví obecná pravidla a doporučení pro zavedení a dodržení zásad správné hygienické a výrobní praxe při průmyslové výrobě, manipulaci, skladování, přepravě a nabízení mražených krémů a zmrzlin k prodeji. Cílem ČSN je jakost a zdravotní nezávadnost produktů, jak s úspěchem provádět technologické operace ve všech fázích výroby od suroviny po nabízení produktů zákazníkovi. V této souvislosti je neoddiskutovatelnou nutností dodržení teplotního řetězce, na němž záleží koncová hygienická i senzorická kvalita. Musí být dodržen po celou dobu, nesmí dojít k rozmrznutí a znovuzmražení zmrzlin a zmrzlinových krémů. Tím by byla narušena jejich stabilita, struktura a mohlo by dojít i k narušení zdravotní nezávadnosti (pomnožení nežádoucích mikroorganismů). Je podstatné poskytnout tuto informaci i zákazníkovi, aby nedošlo k narušení teplotního řetězce v rámci přenosu z distribuční sítě. Toto se ale týká především prodeje balených zmrzlin. Norma nestanovuje požadavky pro prodej porcované zmrzliny konečnému zákazníkovi. Pravidla ohledně označování zmrzlinových směsí pro potřebu provozovny určují, že na jejím obalu je nutno uvést název výrobku, datum a přesný čas výroby. Dochází-li k rozvozu zmrzlinové směsi do jiných provozoven, musí být na obalu výrobku zřetelná obchodní firma nebo název výrobce, a to včetně sídla nebo místa podnikání; dále název výrobku, údaj o jeho množství, datum výroby, datum spotřeby a údaj o skladovací teplotě. 32

33 Mražený krém se může přepravovat pouze dopravním prostředkem, který umožňuje zachování teploty mraženého krému -18 C nebo nižší. Skladuje se v mrazírenském skladě při stejné teplotě. Teplota vzduchu musí být měřena vhodným přístrojem pro záznam teplot. Mražený krém se při prodeji uchovává o teplotě -18 C a nižší, v mrazicích boxech a mrazicích zařízeních schopných udržet jeho teplotu. Mrazicí box musí být vybaven ukazatelem teploty vzduchu umístěným na viditelném místě. V otevřeném mrazicím nábytku se teplota měří v místě sání vzduchu na úrovni vyznačeného maximálního plnění. Teplota ve všech bodech mraženého krému během doby skladování nesmí být vyšší než uvedených minus osmnáct stupňů. Zmrazování roztátých výrobků není dovoleno. Vyhláška povoluje přípustné záporné hmotnostní a objemové odchylky. To znamená, že skutečná hmotnost mraženého krému může být o trochu nižší než hmotnost uvedená na obale. Mražený krém do 100 ml nebo 100 g může být lehčí o 5 %, krém do 500 ml/500 g, o 3 % a krém nad 500 ml/500 g o 1 %. Pokud by byl rozdíl mezi skutečnou hmotností krému a hmotností uvedenou na obale větší než povoluje vyhláška, posuzuje se tato skutečnost jako klamání spotřebitele. Jestliže výrobek váží více než je hmotnost uvedená na obale, není tato skutečnost posuzována jako klamání. Na kvalitu zmrzliny má vliv i způsob skladování (Burešová, 2003) Balené zmrzliny Stejně jako u nebalených zmrzlin, i na balené zmrzliny se vztahuje vyhláška č. 77/2003 Sb., kterou se stanoví požadavky pro mléko a mléčné výrobky, mražené krémy a jedlé tuky a oleje. Tato vyhláška se vztahuje na výrobky vyrobené v ČR a ze zemí mimo EU, dovezené přes ČR. U zemí EU musí být výrobek v souladu s předpisem země, ve které byl vyroben. Při značení balených zmrzlin platí, že všechny údaje musí být, stejně jako u kteréhokoli potravinářského výrobku, uvedeny v českém jazyce. Dále musí být uveden název výrobku, jeho druh (mražený krém/zmrzlina), skupina (smetanový, mléčný, s rostlinným tukem, vodový, ovocný či sorbet) a podskupina (např. čokoládový), datum minimální trvanlivosti, jméno a adresa výrobce či dovozce, údaj 33

34 o složení a množství výrobku. Zásadní je i označení složek, které s sebou mohou nést zdravotní riziko z důvodu možnosti vyvolat potíže u osob s poruchou metabolizmu, jako fenylalanin, lepek, laktóza. Zdravotní upozornění se týká i látek vyvolávajících alergické reakce, u mražených krémů to mohou být nejčastěji ořechy, mandle, arašídy, případně vejce či sója. Nutné je také poučení o vhodném skladování (Vyhláška č. 113/2005 Sb., Vyhl. 77/2003 Sb.). Mražený krém balený lze označit jako zmrzlinu. U mraženého krému ochuceného látkou k aromatizaci se označí slovy s příchutí, s výjimkou vanilkového ochucení. Další označení mraženého krému jsou následující: Tabulka 3: Označování ochucení zmrzlin Označení Podmínka pro označení Čokoládový Min. 3% hmotnostní kakaa Kakaový Min. 1,5% hmotnostní kakaa Skořápkové plody (ořechy, mandle, pistácie ad.) Alkoholická složka Min. 1,0% hmotnostní těchto plodů či jejich past (ne pro mražené krémy ovocné a sorbet) Max. 3,0%, musí bý uvedeno povinně Druh ovoce Použité ovoce bez minimálního limitu Jogurtový, tvarohový apod. U mraženého mléčného krému, kde byl použit jiný mléčný výrobek (jogurt, tvaroh apod.) Stejně jako u nebalených zmrzlin musí i balené splňovat požadavky na jakost jemnost, hladkost, krémovitost, bez hrudek, větších krystalů a velkých vzduchových bublin. U mraženého krému smetanového a mléčného nesmí být záměrně přidané jiné bílkoviny a tuky než mléčné. 34

35 Jako ovocnou složku lze použít ovoce, ovocnou dřeň, ovocnou šťávu či jiný ovocný výrobek, čerstvý nebo konzervovaný. Ohledně uvádění zmrzlin do oběhu upřesňuje vyhláška transport hotového výrobku. Dopravní prostředek musí umožňovat zachování teploty zmrzliny max. -18 C. Krátkodobě se může teplota výrobku zvýšit nejvýše na -15 C. O teplotě musí být veden záznam s datem pořízením záznamu schváleným přístrojem pro záznam teploty vzduchu. Záznam o teplotách musí být archivován po dobu nejméně 1 roku nebo, je-li minimální trvanlivost výrobku delší než jeden rok, pak do data minimální trvanlivosti. Je dovoleno takto dopravovat do vzdálenosti 200 km. Toto platí, pokud se jedná o rozvoz mražených krémů do maloobchodu, zařízení společného stravování a domácností. Při skladování v mrazírenských skladech nesmí teplota stoupnout nad -18 C (u skladů o objemu 10 m 3 a větších se měří vhodným přístrojem pro záznam teplot, u menších alespoň jedním dobře viditelným teploměrem v nejteplejším místě skladu). Zásady pro uchování záznamů z měřícího zařízení jsou stejné jako při rozvozu. Dále legislativa zmiňuje požadavky na kvantitu objem a hmotnost mražených krémů uváděných do oběhu. Skutečná hmotnost může být až o 5 % menší u mraženého krému do 100 ml či 100 g, o 3% menší u deklarované hmotnosti 500 g/objem 500 ml, nad tuto hmotnost či objem může být skutečná hmotnost menší o 1 %. 3.5 Reologie zmrzlin Fyzikální struktura; formace a stabilita Chemické složení zmrzlinové směsi může být stejné, ale dalším z faktorů rozhodujících o chuťovém zážitku jsou další vlastnosti: rozdíly ve vzhledu, konzistenci (pocit v ústech) a chuť. Tyto vlastnosti vyplývají z fyzikální struktury. Zmrzlina je vícefázový komplex, který se skládá z ledových krystalků, vzduchových bublinek a tukových kuliček usazených ve vysoce viskózním koncentrovaném základu. Mikrostruktura těchto složek má zásadní vliv na kvalitu vnímanou spotřebitelem a je 35

36 proto snahou zvládnout manipulaci zmrzlinové směsi tak, aby bylo dosaženo co nejlepších výsledků (Goff et al., 2004). Zatímco v tuhém stavu je dominantní struktura tvořena ledovými krystaly, při roztávání se stává důležitou struktura pěny. Stabilita zmrzlinové pěny koreluje s vnímáním její krémovitosti. Může být vylepšena menšími vzduchovými bublinkami a sníženou koalescencí (splývání disperzních částic ve větší celky). Viz následující obrázek: Obr. 6: Struktura zmrzliny - jednotlivé složky Air cell vzduchová bublinka; ice crystal ledové krystaly; lactose crystal krystaly laktózy, fat globule tuková globule, casein micelle kaseinová micela (Walstra, 1999) Pokud je zmrzlá polovina vody (kolem 5 C), můžeme rozlišit následující strukturní částice: a) Ledové krystaly: d = µm, průměrně kolem 50 µm, cca 30 % objemu b) Krystaly laktózy: délka cca 20 µm, 0,5 % objemu, ale ne vždy jsou přítomny c) Vzduchové bublinky: průměr µm, 50 % objemu d) Tukové globule: < 2 µm, 6 % objemu včetně shluků e) Shluky tukových globulí: až do 10 µm 36

37 Velikost krystalů závisí na intenzitě míchání a na rychlosti a účinnosti chlazení během zmrazování: čím rychlejší je zmrazování, tím menší jsou krystaly. Ihned po zmražení nejsou přítomny žádné krystaly laktózy. Další charakteristikou prostorového uspořádání zmrzlinových směsí je jistá deformace vzduchových bublinek vlivem ledových krystalů. Tyto struktury mohou být pozorovány mikroskopicky. Nejde o něco překvapujícího, především vzhledem k tomu, že prostor je více méně kompletně zaplněný. Navíc vzduchové bubliny jsou téměř kompletně pokryty tukovými globulemi a jejich shluky. Shluky tukových globulí, spolu se vzduchovými bublinkami, na které jsou napojené, tvoří spojitou síť v kapalině. To obnáší následující efekty: a) Vzduchové bublinky jsou stabilizovány tukovými globulemi. b) Po té, co ledové krystaly roztají (např. po vložení do úst), hmota získá určitou pevnost ( stand-up ). Stand-up je hodnocenou organoleptickou vlastností. c) Shlukování tukových globulí mění texturu, takže zmrzlina vypadá méně lesklá a hladká, a tak se zdá lidem atraktivnější. Tato vlastnost je nazývána suchost a koreluje velice dobře s experimentálně získaným churned fat index (index shlukování tuku). d) Zmrzlina, která nemá dostatečnou suchost, se lepí na výrobní zařízení, může dojít k narušení operací balení ad. Tato síť shluklých tukových globulí je utvořena ve zmrzlině během mražení. Vzduchové bublinky se téměř úplně pokrývají tukovými globulemi. Shlukování je způsobeno mechanickými silami, takže například tukové globule jsou k sobě tlačeny během nášlehu kvůli přítomnosti ledových krystalů a těmi jsou i ničeny. Čím je nižší teplota, tím je ve směsi více ledu, tím rychlejší je shlukování tukových globulí. Pokud bychom vzali nehomogenizovanou zmrzlinu, všechny tukové globule by stačily na pokrytí vzduchových bublinek o průměru 100 µm, 50 % objemu. Ale tukové globule přírodního mléka se rychle shlukují a vytvořené agregované tukové částice nejsou schopné úplně obalit takové vzduchové bublinky. To znamená, že vzduchové bublinky by byly nestabilní během mražení a po mražení a může dojít ke koalescenci, (splývání disperzních částic ve větší celky) a k Ostwaldovu zrání. Vznikají velké 37

38 vzduchové bublinky, které mají za následek drsnou texturu. Tukové globule se homogenizací zmenšují, a tak mohou pokrýt mnohem větší povrch vzduchových bublinek, i když se globule shluknou. Nicméně homogenizované tukové globule mají tendenci se hodně shlukovat, takže žádoucí síť ve zmrzlině se nevytvoří. Situace se ale změní, pokud dojde k přídavku povrchově aktivní látky (obvykle nazývané emulgátor). Emulgátor funguje tak, že část bílkovin přemístí z povrchových vrstev, což způsobí menší stabilitu a částečnou koalescenci. Je zřejmé, že struktura zmrzliny by měla zůstat stabilní, a to i při dlouhodobém skladování. Vzduchové bublinky nemůžou splývat ve větší celky, protože jsou imobilizovány. Ale je možné Ostwaldovo zrání vzduchových bublin, ledových krystalů a krystalů laktózy. Ostwaldovu zrání je možné nejúčinněji zamezit jejich enkapsulací tukovými globulemi. Alternativou je přítomnost polysacharidů, které vytvoří dostatečně pevný gel při nízkých teplotách a dostatečná koncentrace cukru. Ostwaldovu zrání ledových krystalů nejde zamezit, pokud teplota není velmi nízká. Koncentrace a viskozita tekuté části je vyšší, když teplota je nižší. Difúzní koeficient vody a rozpuštěných látek je nižší, a to způsobuje, že všechny změny jsou pomalejší. U teplot ještě nižších (-30 C) je dosaženo sklovitého stavu a difuzní koeficient je nekonečně malý, a tak se neobjevují postřehnutelné změny. Z toho důvodu je vhodné uchovávat zmrzlinu při velmi nízké teplotě. Kolísání teplot při skladování způsobuje hrubnutí strukturních částic, především vlivem Ostwaldova zrání Význam jednotlivých komponentů Tuk má speciální důležitost kvůli chuti a tvorbě struktury při mrznutí. Tuk ovlivňuje konzistenci, vzhled a tání. Vysoký obsah tuku způsobuje suchou, téměř zrnitou strukturu; naproti tomu nízký obsah tuku dodává zmrzlině jemnou, homogenní a poněkud mazlavou strukturu. Mléčná tukuprostá sušina se podílí na chuti. Částečně je také zodpovědná za snížení bodu mrznutí a zvýšení viskozity. Bílkoviny částečně stabilizují přepážky bublin pěny během zapracování vzduchu a jsou podstatné při tvorbě membrán tukových globulí během homogenizace. Laktóza může krystalizovat při velmi nízkých teplotách. Krystaly 38

39 by měly být co nejmenší, aby se zamezilo písčitosti zmrzliny. Proto by mělo být chlazení při zmrazování rychlé a po zmražení by mělo být zabráněno výkyvům teplot. Cukr sacharóza je podstatnou složkou určující chuť zmrzliny. Ovlivňuje také bod mrznutí (při větší koncentraci cukru se snižuje bod mrznutí). Pokud je ve zmrzlině málo cukru, vytvoří se příliš ledu; naopak větší kvantum cukru ovlivňuje spíše organoleptické vlastnosti, zmrzlinu vnímáme jako přeslazenou. Aby se předešlo těmto problémům, bývá část cukru nahrazena, např. glukózovým sirupem (odlišná sladivost, větší snížení bodu mrznutí na kg cukru). Cukr také zapříčiňuje vyšší viskozitu, především když většina vody zamrzne. Nicméně nejdůležitější rolí je snížení množství vody, která zamrzne než při stejném složení zmrzliny, ale bez cukru. Zmrzlina je tak jemnější a pocitově v ústech je méně zmrzlá. Role stabilizátoru, přesněji zahušťovadla, není úplně objasněna. Mezi ztužujícími látkami jsou do zmrzlin nejčastěji používány želatina, alginát, karagenan, pektin, karubin, guarová guma, xanthan, karboxymethylcelulosa a jejich směsi. Tyto sloučeniny samozřejmě ovlivňují konzistenci a tím zprostředkovaně i přenos tepla během zmrazování. Pokud se málo shlukují tukové globule, například u nízkotučných zmrzlin, můžeme dosáhnout požadované pevnosti a zabránit nadměrnému Ostwaldovu zrání přídavkem ztužujících látek a zahušťovadel; na druhou stranu ztužující látky mohou způsobit pocit poněkud mazlavé konzistence v ústech. Již zmíněným efektem je potlačení Ostwaldova zrání ledových a laktózových krystalů, a dokonce se může zabránit krystalizaci laktózy. Mnoho stabilizátorů ve vyšších koncentracích (jako je tomu v případě zmrzliny při nízké teplotě) snižují krystalizaci, a tak zpomalují Ostwaldovo zrání, ale je velmi nepravděpodobné, že by ho úplně zastavily. Emulgátor není nezbytný (během homogenizace je přítomno více než potřebné množství bílkovin) a nemá podstatnou roli při tvorbě pěny. Technologickým důvodem přídavku emulgátoru je lepší shlukování tukových globulí. Mezi používané emulgátory patří vaječný žloutek, monoglyceridy, estery polyoxyethylensorbitanu (Tween) a estery kyseliny citronové. Aromata mají jasný úkol vytvořit, případně podpořit chuť a vůni zmrzliny. Někdy bývají přidána spolu s anitoxidanty. Ledové krystalky jsou nepostradatelné pro správnou konzistenci a chladivost 39

40 v ústech. Krystaly by neměly být příliš velké, aby toho bylo dosaženo, směs musí být rychle zmražena a teplota nesmí následně kolísat. Vzduchové bublinky dávají zmrzlině lehkost, bez nich by byla zmrzlina těžká. Zjemňují její konzistenci a umožňují tím její deformaci v ústech. Zmírňují chladnost snížením přenosu chladu z ledu; bez nich by byla zmrzlina pocitově daleko chladnější Úprava reologických vlastností zmrzlin Běžným přístupem při pokusu o změnu reologických vlastností u zmrzlin bývá změna receptury. S jiným řešením přišli Eisner et al. (2004), kteří navrhli krok navíc v procesu výroby zmrzliny. Tento krok má umožnit správnou disperzi vzduchových bublinek, způsobenou působením velké střihové síly. Narušení vzduchových bublinek tímto způsobem je možno účinně provádět při vysoké viskozitě základu, to znamená při určitém množství zmrzlé vody a potažmo tedy teploty. U běžně používaného výměníku tepla s oškrabováním zmrzlé směsi z povrchu, kde je našleháván a mražen zmrzlinový premix, je teplota na výstupu obvykle mezi -5 až - 8 C, což znamená relativně malou viskozitu. Oproti tomu u extrudéru s nízkou teplotou (LTE, Low Temperature Extruder), který následuje po klasickém chlazení, dosáhne vychlazení až na -12 C. Aplikovaná síla ve střihu může být využita 2-3krát efektivněji než při klasickém chlazení. Maximální velikost bublinek je redukována z 52 na 19 µm. Kromě toho jsou v extrudéru podpořeny i změny ve struktuře tuku dochází k tvorbě shluku tukových globulí, které pěnu stabilizují. Tyto strukturální změny mají výrazný dopad na ukazatele kvality pěny, což bylo prokázáno měřením reologie při tání (Eisner et al., 2005). Bolliger et al. (2000) provedli experiment, ve kterém zkoumali vliv emulgátorů. Konvenčním pochodem v mrazícím zařízení výměníku tepla a proti tomu ve výměníku s napojeným nízkoteplotním extrudérem bylo vyrobeno šest vzorků zmrzliny s různým stupněm emulzifikace. Cílem bylo zjistit vliv emulgátorů na proces výroby, protože jak přídavek emulgátorů, tak nízkoteplotní extruze mohou mít podobný vliv na podpoření tvorby koloidní struktury zmrzlin. Vzorky zmrzlin připravené oběma metodami byly analyzovány na tuhost/pevnost v tahu, index destabilizace tuku, 40

41 schopnost rozpouštění (melting performance) a mikrostrukturu. Obecně se dá říct, že nízkoteplotní extruze podporuje lepší destabilizaci tuku, nicméně velikost tukových částic a rozpouštědly extrahovatelný tuk ukázaly různé závislosti podle stupně emulzifikace u zkoumaných dvou výrobních systémů. Ačkoli rozpouštědlem extrahovatelný tuk dosahoval vysokých hodnot s rostoucí emulzifikací, velikost shluků tukových částic byla podle získaných dat určována spíše mechanicky (uplatnění střihové síly). Průkazný rozdíl byl pozorován mezi dvěma výrobními systémy i u odtávacího testu (meltdown test). U neemulgovaných a velmi málo emulgovaných zmrzlinových směsí z extrudéru bylo odtávání velmi slabé a zůstávala zachována forma. Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) ukázala celkově menší vzduchové bublinky u zmrzlin z extrudéru. Lepší strukturu tuku v okolí vzduchových bublinek a v séru byla prokázána u neemulgovaných extrudovaných vzorků (Bolliger et al., 2000). Wildmoser et al. (2004) použili oscilační termo-reometrii (OTR) pro určení korelace reologických vlastností zmrzliny s mikrostrukturou a ukazateli kvality zmrzliny. K měření využili rotační reometr (talíř na talíři) a sledovali reologické chování zmrzlin při nízké deformaci u tří rozdílných teplotních rozsahů. U teplot -20 až -10 C byla tuhost a snadnost tvorby kopečku. Mezi teplotami -10 C až 0 C se srovnával senzorický dojem chladu. Nakonec rozmezí teplo 0 10 C bylo vymezeno pro zkoumání mikrostruktury plynné (vzduchové bublinky) a tukové fáze, které mají podstatný vliv na dojem krémovosti, především při těchto teplotách (Wildmoser et al., 2004). Aime et al. provedli senzorickou a instrumentální analýzu u běžné zmrzliny (10 % tuku), zmrzliny s redukovaným obsahem tuku (5 %), nízkotučné (2,5 %) a netučné vanilkové zmrzliny. Redukovaná, nízkotučná a netučná zmrzlina byly připraveny s přídavkem modifikovaného hrachového škrobu jako náhražky tuku. Byly provedeny dva výrobní testy, napodobující kontinuální výrobní podmínky. Zatímco senzorické parametry vzorku s redukovaným obsahem tuku byly srovnatelné s běžnou vanilkovou zmrzlinou, trénovaný senzorický panel uvedl, že nízkotučná zmrzlina a zmrzlina bez tuku měla nižší viskozitu, byla méně jemná a pocit v ústech byl 41

42 horší. Instrumentálně stanovená viskozita potvrdila senzorické hodnocení. Stejně tak tomu bylo u hodnocení pevnosti a tuhosti. Bylo tedy zjištěno, že modifikovaný hrachový škrob je možné použít jen v omezeném množství (zmrzlina s redukovaným obsahem tuku) (Aime et al., 2001). 3.6 Technologie výroby zmrzlin a mražených krémů Suroviny Existují různé typy jedlého ledu, zmrzliny ze své podstaty mají ale některé věci ohledně složení podobné. V zásadě jde o směsi vody, cukru, ochucovadel a dalších složek v proměnlivých poměrech, které jsou částečně zmrazené a vyšlehané do tuhé pěny. U velké části zmrzlin je důležitou složkou mléko či smetana. Některé konkrétní požadavky na složky a jejich podíl ve zmrzlinách je legislativně stanoven a blíže popsán v předcházejících částech. pitná voda ČSN pro pitnou vodu ; vyšetření místní a laboratorní, dnes jen hodnocení jakosti a zdravotní nezávadnosti na základě podrobných laboratorních vyšetření smetana, mléko, tvaroh (míša), jogurt cukr (sacharóza, invertní cukr, glukóza, fruktóza, glukózový sirup) sušená syrovátka výživově kvalitní laktóza může v mražených krémech za určitých podmínek krystalizovat je proto dobré co nejnižší množství; emulgátory (mono- a diglyceridy mastných kyselin) stabilizátory (guarová guma, karagenan tvoří gely s mlékem, alginát sodný, karobová guma = svatojánský chléb, karboxymetylcelulóza), 0,2 0,4 % zmrzlinové směsi ovocná dřeň sušený jogurt 42

43 sušené podmáslí máslo V některých zemích je živočišný tuk často nahrazován rostlinným olejem, např. (částečně) ztuženým palmojádrovým olejem nebo v některých zemích slunečnicovým olejem (Sung, 2010). polevy (rostlinný tuk, kakaový prášek, sušené odtučněné mléko, sušená syrovátka, emulgátor sójový lecitin) aroma barviva kyselina citronová úprava ph, regulace sladké chuti, doladění ovocné chuti NaCl v malém množství (0,03 %) zabraňuje/zpomaluje srážení u krémů s mléčnou bílkovinou, které mají nízké ph sladidla (diabetici aspartam, sorbit apod.) Technologické kroky při výrobě zmrzlin Příprava mixu, standardizace a homogenizace surovin První fáze výroby je poměrně nenáročná. Dochází k sestavení mixu, tvořeného základními složkami (voda, cukr, mléko, máslo, syrovátka ad.) a přídatných látek emulgátorů, stabilizátorů (zahušťovadla, což je obvykle směs polysacharidů), ochucovadla a barviva. Často bývají k dispozici premixy pro přípravu zmrzlin. Tyto obvykle práškové přípravky obsahují cukernou složku, sušené mléčné složky, sušené vaječné složky, stabilizátory a emulgátory, barviva a ochucovadla. Tyto práškové směsi se mísí s vodou či mlékem a dále upravují stejně jako ostatní zmrzlinové směsi. V této fázi je podstatné přesně navážit či odměřit potřebné suroviny podle receptury a před mícháním surovin se přesvědčit o jejich hygienicko-mikrobiologické a senzorické kvalitě. 43

44 Pasterace Pasterace směsi slouží primárně k usmrcení patogenních mikroorganizmů a mikroorganizmů způsobujících kažení. Látky přidávané po pasteraci by měly být pasterovány také, zvlášť. Druhým cílem tepelného ošetření je inaktivace lipáz, protože i při nižších teplotách zůstávají aktivní, i když méně. Měli bychom se tedy snažit, aby se bakteriální lipázy neobjevily (toho dosáhneme kontrolou primárních surovin, mléka a mléčných derivátů). Konečně je třeba řádnou pasteraci i směsi, aby se snížila náchylnost k autooxidaci. Na druhou stranu je potřeba odzkoušet teplotní režimy a optimalizovat proces pasterizace tak, aby došlo k likvidace nežádoucích mikroorganizmů a enzymů, ale nevznikla vařivá příchuť aplikací příliš vysokých teplot, dlouhé doby tepelného ošetření nebo kombinace těchto faktorů (probíhá Maillardova reakce) Homogenizace Jejím cílem je získání dostatečně jemné textury zmrzlinové směsi. Mělo by být zabráněno nadměrné tvorbě homogenizačních shluků, protože směs se pak stává viskóznější a nelze pak dosáhnout požadovanou jemnou strukturu. Z tohoto důvodu by měl být homogenizační tlak přizpůsoben obsahu tuku, intenzitě pasterizace a pokud je to nutné, dalšímu složení směsi Chlazení Zpasterizovanou zmrzlinu je třeba co nejrychleji ochladit, především přes teploty 54 C až 15 C je nutné rychlé chlazení, protože se jedná o rozmezí, které je nejvhodnější pro množení většiny mikroorganizmů. Nevhodné je volné chlazení vzduchem, není to ideální ani vodou z vodovodního řadu (cena a teplota). Vhodná je kombinace vodního a solankového chlazení je vhodné zchladit krém vodou na teplotu kolem C, pak dochladit solankou 44

45 o teplotě kolem 0 C. Systémově nejjednodušší je chlazení v programově řízených pasterech, kde se po pasteraci teplota snižuje automaticky na hodnotu kolem 4 C. Není nutné pracně manipulovat se směsí a riskovat kontaminaci (Waelstra, 1999) Zrání Zrání (udržování v chladu po určitou dobu) je žádoucí ze dvou důvodů. Tuk ve většině tukových globulí by měl být z velké části zkrystalizován, ještě než je zmrzlinový mix zmražen. Je důležité zdůraznit, že okamžitým zmražením může dojít k značnému podchlazení, protože tukové globule jsou velmi malé. Kromě toho potřebují některé stabilizátory, jako želatina, karubin, dostatečný čas po přidání do směsi, aby nabyl na objemu. Jedná se o technologický prvek používaný především u mražených smetanových krémů, někdy i u zmrzlin. Jak bylo naznačeno, cílem je dokončení hydratačních procesů (škrob, zahušťovadla obecně, stabilizátory a emulgátory). Proces zrání podporuje vyvázáním volné vody stabilitu směsi a ovlivňuje velikost krystalů vznikajících při mražení. Zráním se také zlepšuje chuť a zvyšuje nášleh. Zmrzliny připravené teplou cestou zrají při teplotě cca 4 C 4 12 hodin (při kratší době neproběhnou dokonale zrací procesy, při delší době se zvyšuje riziko mikrobiální a hygienické). Zmrzliny s technologií studené cesty zrají kratší dobu maximálně jednu hodinu při stejných teplotách (4 6 C). Provádí se buď v pasterech s integrovaným chlazením nebo ve speciálních nádobách. Nádoba je vždy uzavřená a směs se občas promíchává. Po zrání zmrzlin následuje konečná úprava tekutých směsí, jako úprava senzorických znaků Mražení Nejdůležitějším fyzikálním dějem, který při zmrazování zmrzlin probíhá, je 45

46 krystalizace. Na její rychlosti a technologickém nastavení z velké části závisí kvalita výsledného produktu. Kromě krystalizace se vlivem míchání tekuté zmrzlinové směsi do ní dostává vzduch ve formě bublinek a narůstá objem, který je vyjádřen jako nášleh. U smetanových zmrzlin je běžný nášleh %, u ovocných je to méně (25 35 %). Nášleh se zvyšuje s rostoucí dobou zrání zmrzlinové směsi a nízkou teplotou (předchlazený zmrzlinový stroj). Mražení s sebou nese rychlé zchlazení směsi na několik stupňů pod nulou; tímto způsobem se vytváří zmrzlina za současného všlehávání vzduchu. Mražení a všlehávání vzduchu musejí probíhat simultánně poté, co je masa vody zmražena, stane se všlehávání vzduchu nemožným. Naopak pokud nejdříve směs našleháme a až potom zmrazíme, dojde k nedostatečnému zpěnění a stlučení a může dojít k poškození pěnové struktury. Navíc vydatné šlehání podporuje rychlé zchlazení. Rychle zchlazení je předpokladem pro tvorbu malých krystalů ledu. Následující obrázek (Obr. 7) udává průměrné množství vody jako funkci teploty. Mražení obvykle probíhá na výměníku tepla namrzlá směs se seškrabuje z povrchu. Obvykle je výměník koncipován jako horizontální cylindr, který je ochlazován přímo výparem (-20 C až -30 C) a vybavený rotující stěrkou ( ot./min), která seškrabuje stěnu cylindru. Na stěně cylindru se tvoří vrstva ledu. Kousky ledu se tříští a jsou rozptýleny v hmotě. Cca 50µm vrstvička ledu zůstává ve válci. V nejjednodušším provedení je cylindr částečně naplněn a míchačka všlehává vzduchové bublinky do směsi. U kontinuálně pracujícího stroje vstupují směs a vzduch do systému v předem daných množstvích. Výrobní proces trvá několik minut. Mix odcházející z freezeru má teplotu mezi -3,5 C a -7 C. Lze přidat i druhý výměník tepla, ve kterém se bude směs dále mrazit a promíchávat, až na teplotu -10 C, ale už bez přídavku vzduchu. Hlubší zamražení nemůže být dosaženo v průtokových výměnících, protože výrobek je potom příliš tvrdý. 46

47 Obr. 7: Proces zmrazování zmrzliny krystalizace (Walstra, 1999) Balení zmrzliny Jedná se o poměrně náročnou operaci, především, pokud je třeba směsi dále míchat nebo se vytváří speciální tvary. V případě speciálního tvarování bývá krok balení spojen s počátkem tuhnutí, aby byl zachován požadovaný tvar. Proces tuhnutí slouží k lepšímu přizpůsobení teploty zmrzliny na takovou úroveň, aby zůstal zajištěn její tvar a zmrzlina měla patřičnou trvanlivost s ohledem na chemické a enzymatické reakce a fyzikální strukturu. Balená zmrzlina může projít takzvaným mrazícím tunelem s velmi studeným vzduchem (např. -40 C), který je foukán na malé balíčky po dobu cca 20 minut. Balená zmrzlina může také projít solankovým nálevem o nízké teplotě. 47

48 Předehřátí surovin Tvorba a míchání směsí Pasterace Homogenizace Zrání +5 C Kontinuální mražení -3 až -6 C Přídavek směsi ovocných složek, suchých plodů apod. Plnění Extruze Tvarování Plnění, extruze do kelímků, kornoutů, Kontinuální ztužování -20 C Mražení tvarovaných zmrzlin Skladování při teplotě 25 C až 9 měsíců Obr. 8: Proudový diagram výroba zmrzliny (Bylund, 1995) 48

49 3.6.3 Řemeslná výroba zmrzlin Suroviny pro výrobu zmrzlin klasickou cestou V dnešní době není výroba zmrzlin klasickou cestou, tj. z následně jmenovaných surovin, obvyklá. Pokud se zmrzlina takovýmto způsobem vyrábí, je to v menších množstvích a výrobce na to obvykle upozorňuje. Základním požadavkem na suroviny pro výrobu zmrzlin tímto způsobem je jejich kvalita. Při výrobě zmrzlin jakýmkoli způsobem musí suroviny vyhovovat závazným hygienickým předpisům, tzn., že musí být zdravotně a hygienicky nezávadné, určené pro potravinářské účely. Mezi suroviny používané při klasické výrobě patří pitná voda, glycidické suroviny řepný cukr, škrob a jeho modifikace, med, sirupy (škrobový, fruktózový, maltózový aj.), monosacharidy, jako glukóza či fruktóza, se používají výjimečně), mléko a mléčné produkty (tekuté mléko, tekutá smetana, sušené mléko), vejce a vaječné přípravky (vaječný žloutek, melanž), zahušťovadla, stabilizátory a emulgátory, ovoce a ovocné polotovary, aromatické látky a barviva Racionalizační přípravky V dnešní době existuje řada přípravků, které kombinují v rámci jednoho několik složek, v konzervovaném stavu (především to bývají vaječné složky, mléčná složka, zahušťovadla). Znamená to skladovat menší počet položek a zjednodušenou přípravu. Další výhodou premixů je relativně nízký počet mikroorganizmů a práce není technologicky náročná připravit zmrzlinu zvládne po zaučení i laik. Takto připravený polotovar lze dále upravovat. Existují 2 základní typy racionalizačních přípravků: A. Racionalizační přípravky na výrobu tekuté zmrzlinové směsi Ty se dále mohou dělit podle určení na: 49

50 Přípravky na výrobu základních směsí (práškové základy; dávka 5-50 gramů práškové směsi na litr mléka nebo vody) Přípravky k výrobě již upravených tekutých směsí (hotové prášky; gramů na litr tekutiny) Dalším možné dělení přípravků na výrobu tekuté zmrzlinové směsi je podle teplotního režimu při přípravě: Přípravky určené k přípravě studenou cestou Přípravky určené k přípravě teplou cestou (pasterací) Přípravky použitelné pro oba tepelné režimy Většinou se jedná o sypké homogenní přípravky; barva, vůně a chuť jsou dány druhem vyráběného polotovaru. Platí, že základní chutí je vanilková. Zmrzlina má krémovou barvu a neutrální nebo mírně nasládlou chuť. Další chutě jsou odvozeny z této základní a škála chutí je relativně široká; nejběžnější jsou kakaová (hnědá barva), ovocné (růžová, oranžová, žlutá, bílá), pistáciová (zelená), kávová (kávová barva), vaječný likér (žlutá) ad. Bázi těchto přípravků tvoří zahušťovací prostředek, což bývá obvykle škrob. U zmrzlin vyráběných teplou cestou může jít o nativní škrob, u zmrzlinových směsí zpracovávaných studenou cestou je to modifikovaný škrob. Škrob bývá obvykle doplněn dalšími zahušťovadly. Kromě báze zahušťovadel obsahují přípravky sušené mléko, vaječné složky, stabilizátory a sypké emulgátory. Cukr se přidává zvlášť z ekonomických a manipulačních důvodů nebývá obsažen ve směsi, ale dodává se ve čtyř až pětinásobném množství k práškovým směsím. B. Racionalizační přípravky na úpravu tekutých zmrzlinových směsí a hotových zmrzlin Do této skupiny výrobků patří různé přípravky, které slouží k dozdobení, 50

51 dochucení, vytváření vrstev jiných příchutí na povrchu zmrzlin nebo uvnitř. Především se jedná o různé pasty, emulgátory, ovocné a čokoládové polotovary, toppingy, čokoládové a karamelové ozdoby, cukrové sypání a další. Toppingy, dezertní omáčky Jak naznačuje název, jedná se o omáčky, polevy, které se běžně používají na povrch zmrzlin, ale také k prolévání vrstev zmrzliny, které vytváří efekt střídavých chutí a barev. Jsou nabízeny v různých chutích ovocných (jahodová, jablečná, višňová, kiwi atd.) a jiných (čokoládová, karamelová, kávová, ořechová). Ovocné polotovary Používají se jak ovocné polotovary s menšími kousky ovoce, jako protlaky, marmelády, džemy, tak polotovary speciální, kde najdeme větší kousky ovoce nejčastěji zahuštěné višně a třešně, jahody, borůvky, broskve či třešně. Tyto polotovary mají zvýšenou koncentraci cukrů, podobně jako kandované ovoce. Zvýšená koncentrace cukrů je zapříčiněna roztoky sacharózy či siroby, případně dehydratací ovoce. Jako ovocné polotovary jsou nevhodné čerstvé ovoce nebo kompoty, protože obsahují značné množství vody, která při zmrazování mrzne samostatně, vytváří větší ledové krystaly, které při pomalejším mražení narůstají více, poškozují buněčnou strukturu plodu a vznikají nežádoucí kostky ovocného ledu. Ovocné polotovary se často používají jako mramorování zmrzlin, to znamená, že jsou střídavě vytlačovány do vaniček vrstvy zmrzliny a ovocného polotovaru, zpravidla v dávkách 30 až 100 gramů polotovaru na litr zmrzliny (Skoupil, 1998). Pasty na úpravu zmrzlin Využívají se pro svou schopnost jednoduše rozrůzňovat sortiment zmrzlin za pomoci rychlé úpravy pastou, protože jsou nositeli barviv, aromat a ochucovadel ve skladné a koncentrované formě, jednoduše se dávkují, dobře se rozmíchávají, vyznačují se zdravotní nezávadností a podporují vhodnou konzistenci finálního výrobku. 51

52 Stejně jako toppingy mohou být rozděleny na skupinu ovocných past a past na tukové bázi (pro obsažený tuk jsou náchylnější k oxidaci a bakteriálnímu kažení, je nutné vhodné skladování v uzavřeném balení). Ovocné pasty bývají tvořeny ovocem či jejich směsí, která bývá zvýrazněna barvivem, aromatem a chuťovou přísadou. Jedná se o polotuhé, viskózní hmoty, přidávané do zmrzlin v množství gramů na litr zmrzliny. Proti tomu tukové pasty obsahují elastický tuk, emulgátory a senzorickou složku (oříšky, vanilka, pistácie, káva, kokos, alkoholy aj.). Dávkují se v množství gramů na litr zmrzliny, obvykle po jejich tepelném zpracování (Skoupil, 1998) Vady zmrzlin U smetanových a mléčných zmrzlin je podstatná čistá chuť nesmí dojít ke žluknutí a autooxidaci. Autooxidační efekt se může objevit u tvrdých zmrzlin, které jsou skladovány po delší dobu a mají nízkou vodní aktivitu; obsahují větší množství kyslíku. Zásadně musí být zamezeno kontaktu s kovy, které mají oxidační efekty například měděné nádoby. Softové zmrzliny se potýkají s jinými problémy. Ačkoli zmrzlina je uchovávána v chladu a vysoký obsah cukru může fungovat jako konzervant, mohou se objevit mikrobiologické závady. Patogenní organizmy se sice nemnoží, ale ani nejsou usmrceny. Bakterie jsou schopné růstu, pokud se teplota zvýší příliš, v konkrétním objemu, dočasně. To se může jednoduše stát na prodejních místech. Nadměrně se mohou pomnožit mikroorganizmy ve špatně vyčištěném výrobním zařízení a ve směsi na přípravu zmrzliny, pokud je skladována příliš dlouho. Proto jsou nutná přísná hygienická opatření. Nejčastější je větší množství Enterobacteriaceae (E.coli, Salmonella spp.). Obecně se dá říci, že existují různé skupiny vad mražených mléčných výrobků: Pískovitost hrubá textura zmrzlin vlivem velkých ledových krystalů. Příčinou může být pomalé zmrazování, malá viskozita zmrazované směsi, nízká sušina, kolísání teploty během skladování (i dlouhé skladování). 52

53 Heterogenita zmrzlina obsahuje žmolky, sraženiny, chuchvalce. Může být zapříčiněno nedokonalým promícháním před mražením, pasterizací při vysokých teplotách nebo po dlouhou dobu, kdy dojde k denaturaci bílkovin, mohou být narušeny emulgační schopnosti nebo malý obsah žloutku u sušených vajec (a tím emulgátoru, takže nemá dostatečné emulgační schopnosti) neemulgovaný tuk. Nestálá konzistence kvůli nedostatečnému množství stabilizátorů nebo emulgátorů, takže nedochází k vázání vody, případně neproběhla jejich dostatečná hydratace (například krátká doba zrání, nedostatečné uvaření škrobu při přípravě zmrzliny teplou cestou). Příliš hutná zmrzlina, malý nášleh. Nedodržení receptury, předávkování stabilizátorů, glycidů nebo nedokonalá činnost (porucha) mrazícího zařízení. Senzorické vady způsobené příliš velkou nebo malou dávkou aromatických barvících přísad (případně jejich malou účinností), a přísad upravujících konzistenci a texturu (cukr, stabilizátory), nekvalitními či špatně skladovanými surovinami (oxidační, připálená, kyselá, nečistá, chuť po starých surovinách), nedostatečnou homogenizací nebo nevhodnou technologií (Šulc, 1966; Skoupil, 1998). 53

54 4 MATERIÁL A METODIKA 4.1 Použitý materiál Jako zkušební vzorky byly použity mražené krémy z tržní maloobchodní sítě. Jednalo se o výrobky, které ve všech případech měly ve svém složení určitý podíl smetany, respektive mléčného tuku. Jeho nejmenší podíl byl v řádu desetin procenta (0,5 %), s výjimkou jednoho vzorku, který obsahoval jen rostlinný tuk. V nejvyšším případě deklaroval výrobce obsah smetany přes 40 %, u dalších výrobků nebyly deklarace o množství mléčného tuku uvedené, případně nebylo jasné, jaká část z celkového množství tuku je tvořeno rostlinnými tuky a jaká mléčným tukem v libovolné formě vstupní suroviny. 4.2 Metodika Měření probíhala v laboratoři Mendelovy univerzity v Brně, na Ústavu technologie potravin (ÚTP, budova A). Současně byly proměřeny na ph, SH, obsah tuku a sušiny vždy skupina 3 6 vzorků během jednoho dne (na počátku menší počty, v závěru při větší zběhlosti více vzorků). Stanovení probíhala pravidelně jeden den v týdnu, po dobu asi 2 měsíců. Analýza bílkovin probíhala odděleně v pozdějším období. Vzorky byly po tuto dobu uchovávány v mrazícím boxu ve speciálních umělohmotných kelímcích Referenční metody Příprava vzorku k rozborům Vzorek zmrzliny z tržní sítě byl skladován v mrazícím boxu. Krátce před laboratorním rozborem zmrzliny byl vzorek vyjmut z mrazícího boxu a bylo odebráno množství potřebné k rozborům, gramů. 54

55 Vzorek byl odebrán z různých míst kelímku/krabičky. Pokud byly přítomny polevy nebo jiné složky jako sirupy a pasty, vzorek byl odebrán, pokud to bylo možné, bez těchto částí. (Pouze jeden nebo dva vzorky, které byly s čokoládovou příchutí a měly v celém objemu rovnoměrně hnědou barvu, byly brány k rozboru bez oddělování). Odebraný vzorek byl umístěn do dostatečně velké kádinky a důkladně zhomogenizován a ztekucen při pokojové teplotě. Před každým z rozborů byl vzorek promícháván, a to i během rozboru, pokud to bylo nutné k zachování homogenity Stanovení sušiny Při stanovení sušiny v laboratoři bylo postupováno následovně: nejprve bylo třeba nachystat pomůcky čisté, suché hliníkové misky na zjištění sušiny (2 misky na každý vzorek), zkontrolovat funkčnost vah a připravit vzorek zmrzliny k rozborům, jak bylo uvedeno výše. Nejprve byly popsány a zváženy prázdné hliníkové misky na analytických vahách a data zaznamenána. Následně byly na laboratorních vahách naváženy do každého kelímku zhruba 2 3 gramy vzorku připraveného k rozboru, a to do následovně popsaných misek: 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, atd. Číslo značí číslo vzorku, písmena A a B dvě různá měření jednoho vzorku. Postupně byly tedy zváženy misky a pak do každé z nich bylo zaneseno cca 3 gramy vzorku a přidáno 5 ml vody. Misky se vzorkem byly zváženy na analytických vahách a poté, co byly takto zpracovány všechny vzorky pro příslušný den, byly uloženy na kovové mřížce a umístěny do sušárny. Zde byly sušeny při teplotě 102±2 C po dobu 4 hodin, podle modifikované referenční metody (ČSN ISO 3728; Šustová, 2005). Následně byl zaznamenán rozdíl mezi hmotností před vysušením a po vysušení u každé z misek. Z těchto údajů byla spočítána sušina vzorku v dané misce jako hmotnost vysušeného vzorku dělený hmotností nevysušeného vzorku a vynásobeno 100: (m 2 -m 1 )/m Hodnoty sušiny misek A a B stejného čísla, nesoucího totožný vzorek, byly zprůměrovány a výsledek byla sušina daného vzorku. 55

56 Stanovení tuku Ke stanovení obsahu tuku ve vzorcích byla použita provozní metoda s použitím butyrometru. Při tomto stanovení bylo nejprve za pomocí malých laboratorních stříkaček naváženo přesné množství ztekuceného homogenizovaného mraženého krému (u každého vzorku mezi 3 a 5 gramy, přesné množství bylo zaznamenáno do deníku). Nejprve byla zvážena stříkačka bez vzorku, pak orientačně se vzorkem (rozdíl těchto dvou hodnot měl být mezi 3 a 5 gramy), s přesností na dvě desetinná místa. Dalším krokem bylo odměření 10 ml Gerberovy kyseliny (o hustotě 1,816±0,004 g.ml -1 (90,4 ± 0,8 %)) do butyrometru na smetanu. Následně byl vpouštěn vzorek zmrzliny ze stříkačky po stěně do šikmo postaveného butyrometru. Prázdná stříkačka byla odložena na tác a do butyrometru se dále doplnil 1 ml amylalkoholu a po spodek hrdla destilovaná voda. Butyrometr se ucpal krouživými pohyby zátkou a silně se zahřívající obsah protřepal. Následovalo odstředění po dobu 1 minuty (1200 otáček za minutu) a odečet obsahu tuku na butyrometru (pomocí zátky se nastavila hladina tukové, nahoře flotující vrstvy, na nulu). Obr. 9: Butyrometr se zpracovávaným vzorkem 56

57 U vzorků s větším obsahem cukru docházelo k většímu napalování cukerné složky, tmavší barvě a tím horšímu odčítání. Výpočet: %tuku = č áž (ČSN ; Šustová, 2005) Stanovení bílkovin Stanovení bílkovin ve vzorcích mražených smetanových krémů proběhlo pomocí Kjeldahlovy metody na přístroji Kjehltec podle ČSN EN ISO Postup byl následující: 1 ml mléka se navážil do mineralizační tuby, přidaly se 2 tablety Cu katalyzátoru a 12 ml koncentrované kyseliny sírové. Při přípravě blanku se do mineralizační tuby vložily jen 2 tablety katalyzátoru a koncentrovaná kyselina sírová. Tuby se po naplnění umístily do Tecator Digestor a hodinu se mineralizovaly při teplotě 420 C. Poté se tuby vyjmuly a přenesly do analyzátoru Kjeltec 8200 a parní destilací byl dusík převeden z mineralizátu do předlohy (4% kyselina boritá s indikátory methylenová červeň a bromkresolová zeleň). 57

58 Předloha byla titrována 0,1 N HCl o známém faktoru do změny barvy. Obr. 10: Přístroj Kjeltec 8200 pro stanovení obsahu bílkovin Výpočet: %N= ( ),! % bílkovin = N F T = objem titrační kyseliny HCl na vzorek (ml) 58

59 B = objem titrační kyseliny HCl při pokusu BLANK (ml) N = normalita kyseliny zadaná na 4 desetinná místa F = přepočítávací faktor dusíku na bílkovinu např.: 6,25; 5,7; 6,38 v závislosti na vzorku Titrační kyselost Při stanovení titrační kyselosti se postup neliší od mléka. To znamená, že se naváží 25 g tekutého homogenizovaného vzorku zmrzliny a vzorek je doplněn 75 ml vody a 2 kapkami indikátoru fenolftaleinu. Vzorek se titruje 0,25N roztokem NaOH do slabě růžového zbarvení, které vydrží stabilní alespoň jednu minutu. Spotřeba se počítá na 100 g vzorku, takže výsledek se vynásobí čtyřmi a faktorem roztoku NaOH. U barevných vzorků (hnědé, narůžovělé či žluté) byla titrace prováděna do ph 8,4 (čidlo ph metru bylo ponořeno v průběhu titrace v míchaném vzorku). Obr. 11: Příprava na stanovení titrační kyselosti a výsledné zbarvení 59

60 ph Měření ph probíhalo pomocí ph metru, který byl kalibrován na kalibrační roztoky o ph 4 a 7. Při měření bylo čidlo celé ponořené do vzorku ve skleněné kádince. Byl použit přístroj Mobro Instrumentering, skleněná elektroda měřící ph 0-14 v rozmezí teplot 0 C až 80 C. Obr. 12: Měření aktivní kyselosti vzorku, elektroda SenTix41, WTW NIR Spektra byla měřena v režimu reflektance na integrační sféře. Měření probíhala na přístroji NIR Antaris od firmy Thermo Nicolet v rozsahu vlnočtů cm -1, se 100 skeny pro každé měření a spektrálním rozlišením 8 cm

61 Obr. 13: NIR měřící pole Obr. 14: FT-NIR spektrometr Antaris (Thermo Nicolet) Byly použity 2 způsoby měření. První z nich vypadal následovně: ztekucený a zhomogenizovaný vzorek byl rovnoměrně nanesen na dno optické křemenné Petriho misky o průměru 6 cm (Obr. 15). Vznikla tak souvislá vrstva ztekuceného smetanového krému. Vzorek byl takto proměřen dvakrát, každé měření sestávalo za 100 skenů. Před počátkem měření bylo vždy do vzorku umístěno speciální kovové zrcátko s výškou reflexní plochy 0,3 mm tak, aby se od něj odrážely paprsky záření. Obr. 15: Měření vzorku metodou zrcátko 61

62 Následně proběhla stejná měření v malé laboratorní křemenné kádince o průměru 3 cm, do níž byl převeden vzorek v pěticentimetrové vrstvě. Měření probíhalo bez použití zrcátka. Každý vzorek byl změřen dvakrát, 100 skenů pro jedno měření. Obr. 16: Měření vzorku metodou kádinka Vyhodnocení bylo provedeno na základě korelace mezi referenčními hodnotami (tj. obsah sušiny, tuku, bílkovin, ph a titrační kyselosti klasickou chemickou cestou) a hodnotami vypočtenými z kalibračních rovnic (výsledek získaný za pomoci softwaru při měření na NIRu). K tomu byly použity hodnoty směrodatné odchylky kalibrace (SEC) a směrodatné odchylky predikce (SEP), udávající správnost a přesnost predikčního modelu. K vyhodnocení byl použit softwarový chemometrický program TQ Analyst. 62