Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пектины: получение, свойства, применение (Обзор литературы) 9
1.1. Уникальный биополимер «пектин» 9
1.2. Проблемы производства пектинов в России 20
1.3. Тыква - перспективный источник получения пектина 23
1.4. Способы выделения пектиновых веществ 26
1.5. Использование пектинсодержащих объектов в продуктах питания 34
Глава 2. Материалы и методы исследования 40
Глава 3. Ферментативный способ получения пектина 50
3.1. Получение и характеристика жома и порошка тыквы 50
3.2. Выбор ферментных препаратов по их активности для гидролиза жома тыквы 51
3.3. Ферментативная экстракция пектина из жома тыквы 56
3.4. Характеристика полученного пектина 59
Глава 4. Влияние добавок пектина и пищевых кислот на стабилизацию
и микрофлору тыквенного сока с мякотью 61
4.1. Изучение влияния пектина и пищевых кислот на стабилизацию и микрофлору тыквенного сока с мякотью 61
4.2. Изучение влияния пищевых кислот на качество тыквенного сока с мякотью 68
Глава 5. Реологические свойства системы «порошок тыквы -вода» 74
5.1. Зависимость вязкости системы «порошок тыквы — вода» от гидромодуля 75
5.2. Влияние температуры, продолжительности набухания и степени из мельчения порошка тыквы на вязкость системы «порошок тыквы — вода» 78
Глава 6. Разработка пищевых продуктов с добавками порошка тыквы 84
6.1. Супшоре на основе порошка тыквы 84
6.2. Использование порошка тыквы в рецептуре соусов 87
6.3. Порошок тыквы как улучшитель муки с низким содержанием
клейковины 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
ВЫВОДЫ J 107
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРЇ-ІЬІХ ИСТОЧНИКОВ 109
ПРИЛОЖЕНИЯ 127
- Уникальный биополимер «пектин»
- Материалы и методы исследования
- Ферментативная экстракция пектина из жома тыквы
Введение к работе
Актуальность работы. Природный полисахарид пектин - уникальный биополимер, один из основных строительных материалов іслеточннх стенок высших растений, - обладает широким спектром фужциональньїх свойств. В сочетании с водой и некоторыми другими веществами он проявляет себя в качестве загустителя, студнеобразователя, стабилизатора, эмульгатора, агента, связывающего катионы металлов.
Наличие у одного носителя столь разнообразных качеств, каждое из которых представляет самостоятельный технологический интерес, определяет пектин как биополимер, особенно ценный для медицины и производства продуктов питания.
Разработка продуктов питания, в том числе лечебно-профилактического назначения, с добавками пектина и пеіоинсодержащих продуктов - важный фактор снижения риска ряда заболеваний, таких как ожирение, сахарный диабет, артериальная гипертония, гастрит, колит.
Крупнейшими производителями пектина являются фирмы "Hercules Inc." (США), "Herbstreith und Fox KG" (Германия). Источником сырья для производства пектина за рубежом являются цитрусовые и яблочные выжимки.
В настоящее время на территории Российской Федерации пектин не производится, хотя годовая потребность в нём составляет от 3 до 8 тыс. тонн (Иванов, 1993). Экономическая нестабильность в стране не позволяет устранить дефицит пектина за счет импорта или собственного производства. Однако Россия обладает большими ресурсами пектинсодержащего сырья (свекловичный жом, сердцевины корзинок подсолнечника). Еще одним эффективным сырьем для производства пектина является тыква - культура неприхотливая в выращивании и дающая стабильные и высокие урожаи в Нижнем и Среднем Поволжье.
Существующие в настоящее время технологии извлечения пектина из растительного сырья базируются на кислотном гидролизе и обладают, по меньшей мере, двумя недостатками: кислотная экстратсция не позволяет достаточно пол-
но извлекать пектин из сырья, а сама технология из-за использования жестісих химических реагентов - кислот - не является экологически чистой.
В силу вышесказанного разработка бескислотного, экологически чистого способа выделения пектина из растительного сырья с помощью специфических гидролизующих агентов - ферментов - является весьма актуальной задачей.
Цель исследования - разработка ферментативного способа получения пектина из плодов тыквы и оценка влияния пектина и пектинсодержащего порошка тыквы на свойства некоторых продуктов питания.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
разработать регламент получения воздушно-сухого жома и порошка тыквы для проведения эксперимента;
разработать технологию получения пектина из жома тыквы с помощью отечественных ферментных препаратов микробного происхождения;
изучить физико-химические характеристики биопектина;
изучить влияние пектина и пищевых кислот на процессы стабилизации в тыквенном соке с мякотью и сроки его хранения;
изучить влияние технологических факторов на реологические свойства системы «порошок тыквы - вода»;
разработать продукты питания с использованием пектина и пектинсодержащего порошка тыквы.
Научная новизна. Впервые экспериментально доказана эффективность получения пектина из плодов тыквы с помощью отечественных ферментных препаратов микробного происхождения. Определены технологические параметры процесса. Выбран наиболее продуктивный ферментный препарат. Изучены физико-химические характеристики полученных пектинов. Установлено, что они относятся к высокоэтерифицированным пектинам со степенью этерификации (СЭ) > 50 %, содержат большое (64 %) количество полигалактуроновой кислоты (ППС), их молекулярная масса составляет 42-45 кДа.
Показано, что на реологические свойства системы «порошок тыквы - вода» в значительной мере влияют такие факторы, как степень измельчения порошка,
гидромодуль системы, время и температура набухания порошка, что позволяет прогнозировать свойства продуктов на ее основе.
Показано, что добавки пектина и пищевых кислот стабилизируют тыквенный сок с мякотью и увеличивают сроки его хранения. Определены оптимальные концентрации добавок - стабилизаторов.
Практическая значимость работы. Показана возможность и обоснована целесообразность получения пектина из жома тыквы с помощью отечественных ферментных препаратов микробного происхождения.
На основании изучения реологических свойств системы «порошок тыквы — вода» в зависимости от технологических факторов, разработаны продукты питания с использованием пектинсодержащего порошка тыквы.
Показано, что добавки пектина и пищевых кислот в определенных концентрациях приводят к стабилизаіщи и увеличению сроков хранения тыквенного сока с мякотью.
Разработана нормативно-техническая документация на порошок тыквы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Способ получения пектина из жома тыквы с помощью отечественных ферментных препаратов из культур микроорганизмов Trichoderma viride, Bacillus macerans, Aspergillus awamori.
Физико-химический анализ пектина, полученного методом биокатализа.
Результаты по изучению влияния добавок пектина и пищевых кислот на стабилизацию и хранение тыквенного сока с мякотью.
Результаты исследований влияния технологических факторов на реологические свойства системы «порошок тыквы — вода».
Разработка пищевых продуктов (соки, хлеб, супы, соусы) с использованием пектина и пектинсодержащего порошка тыквы.
Работа выполнена на кафедре технологии и организации общественного питания в соответствии с планом НИР кафедры по теме: «Пищевые гидроколлоиды: получение, физико-химические, функциональные свойства и применение в продуктах питания» и в рамках фундаментальных исследований СГАУ
8 им. Н.И. Вавилова по договору на тему: «Биопектин из тыквы», № гос. регистрации 01200200956, научный руководитель темы д.х.н., профессор Н.М. Птич-кина.
Апробация работы. Основные результаты были представлены в виде стендовых докладов и устных сообщений на следующих конференциях и симпозиумах; Международная конференция «От фундаментальной науїш - к новым технологиям» (Москва-Тверь, Россия, 2001); 1-й Московский международный конгресс «Биотехнология — состояние и перспективы развития» (Москва, Россия, 2002); 2-й Московский международный конгресс «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, Россия, 2003); Международный симпозиум «Федеральные и региональные аспекты государственной политики в области здорового питания» (Кемерово, Россия, 2002); Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 117-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Саратов, Россия, 2004); 2-я Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности», посвященная 100-летию заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, профессора В.И. Попова (Воронеж, Россия, 2004); Межрегиональный научно-практический семинар «Теория и практика новых технологий в производстве продуктов питания» (Омск, Россия, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 17 рисунков. Работа состоит из 6 глав, включающих введение, обзор литературы и экспериментальную часть, а также выводов, списка цитируемой литературы, содержащего 191 источник, в том числе 29 зарубежных, и приложений.
Уникальный биополимер «пектин»
Мировое производство продуктов питания в настоящее время не является достаточным для удовлетворения биологических потребностей населения нашей планеты. Традиционный путь решения проблемы питания связан с повышением продуктивности земледелия, животноводства, птицеводства, рыболовства, а также со снижением потерь при производстве и хранении пищевого сырья и продуктов питания. В этом направлении в 50-80-е гг. прошлого века был достигнут колоссальный прогресс (Браудо, 2000).
Вместе с этим важным оказывается не только количество продуктов питания, но и их качество. Опыт высокоразвитых стран показывает, что потребители и производители пищи заинтересованы сегодня в том, чтобы продукты питания содержали сбалансированные соотношения белков, углеводов, жиров, витаминов, макро- и микроэлементов (Дудкин, 1998).
В разработанной российскими учеными и принятой в 1998 г. Правительством Российской Федерации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения России на период до 2005 года» ставятся задачи повышения уровня обеспечения населения полноценными продуктами питания, включая создание новых технологий по производству пищевых белков, витаминизации продуктов, получению биологически активных пищевых добавок, повышающих питательную ценность продуктов, изменяющих их органолепти-ческие свойства, усиливающих их лечебно-профилактическое действие.
К числу таких добавок относится пектин - природный полисахарид, уникальный биополимер.
По международной классификации пищевых добавок пектины имеют индекс Е 440 и внесены в список пищевых добавок, разрешенных к применению в пищевой промышленности в Российской Федерации. Пектиновые вещества по ложительно оценены Объединенным Комитетом ВОЗ/ФАО по пищевым добавкам. Они признаны безопасными, и эксперты решили не устанавливать для этих пищевых добавок предельно допустимых доз поступления (ADI) по токсикологическим и гигиеническим соображениям (Голубев, 2003; Колмакова, 2004).
В 1790 году Ваклен выделил из фруктового сока водорастворимое вещество, обладающее гелеобраэующей способностью. Через 40 лет Браконно назвал его пектиновой кислотой (от греческого "pektos"- свернувшийся, застывший). В 1924 году Смоленский первым предположил строение пектина. Майер и Марк в 1930 году экспериментально подтвердили это предположение, а в 1937 году Шнайдер и Бокк впервые установили структурную формулу пектина (Шелухи-на, 1988).
По химической структуре пектины представляют собой макромолекуляр-ные соединения и близки к гемицеллюлозам — коллоидным полисахаридам или глюкополисахаридам растений. Остовом молекулы пектиновых веществ является цепь из остатков D-галактуроновой кислоты, которые соединены а-(1—»4) гликозидными связями в нитевидную молекулу полигалактуроновой кислоты (Selvedran, 1985).
В порошке пектина в малых количествах присутствуют остатки нейтральных моносахаридов L-арабинозы, D-галактозы, D-ксилозы и фруктоза, которые присоединены к пектиновым молекулам в виде боковых цепей, а в главную цепь включается рамноза, являющаяся узлом изгиба молекулы пектина (Шелу-хина, 1988; Voragen, 1995).В растительных клетках находятся две основные формы пектиновых веществ: пектин растворимый (гидропектин) и нерастворимый - протопектин (первым его заметил Fremy в 1848 году, а название "протопектин" ему присвоил Tschirch в 1907 году), представляющий собой прочное соединение пектина с целлюлозой. В случаях расщепления протопектина он является дополнительным источником получения растворимого пектина (Голубев, 1995).
Пектиновые вещества, полученные из различных растительных источников разнообразными методами, представляют собою порошки серого, бежевого или светло-коричневого цвета, слизистые и кисловатые на вкус. Состав пектинового порошка зависит от исходного сырья, так как различные фрукты, овощи, корнеплоды, лекарственные растения содержат только им присущие компоненты. Цитрусовые пектины обычно светлее яблочных. Во влажной атмосфере пектины могут сорбировать воду. В присутствии воды они набухают, в избытке воды растворяются. Водные растворы пектиновых веществ довольно вязкие (Шелу-хина, 1987).
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования использовали порошок тыквы, полученный нами мягким способом сушки на основе воздействия ИК-излучения (термошкаф ТШ-901А) (Птичкина, 2000) из тыквы сорта "Волжская серая", урожая 2000 года), образец пектина, выделенный из жома тыквы, при помощи ферментных препаратов го культур микроорганизмов Trichoderma viride, Bacillus macerans, Aspergillus awamori.
Структурно-механические характеристики системы «порошок тыквы - вода» с различным гидромодулем (ГМ) - отношение массы воды к массе воздушно-сухого тыквенного жома или к массе порошка тыквы, определяли на ротационном вискозиметре «Rheotest-2.1» (Германия) с измерительной системой «цилиндр — цилиндр». Температуру поддерживали жидкостным циркуляционным термостатом UH-4 (Германия) с точностью ±1 С. Вязкость исследуемых в работе систем определяли с помощью вискозиметров Оствальда и Гепплера. Изучение механических воздействий (встряхивания) на исследуемые системы проводили с использованием аппарата для встряхивания (Wstrasarcka uniwer-salna typ WU-4) с заранее установленной скоростью встряхивания. рН - исследуемых растворов определяли с помощью ионометра ЭВ-74 потенциометриче-скнм методом с применением стеклянного электрода и с помощью карманного рН метра «Checker» производства фирмы «Наппа». В полученных нами образцах пектина определяли содержание влаги, золы по общепринятым методикам (Ермаков, 1987; Караколев, 1956).
Прочность студней определяли на приборе Валента со сферической формой насадки плунжера с площадью контакта S-2 см2 (ГОСТ 26185-84). Прочность студня по Валента измеряют либо в граммах, либо в единицах давления - Паскалях. Связь единиц: 1г = 49 Па (ОСТ Ш-3-82, 1988).
Содержание полигалактуроновой кислоты в образцах пектинов проводили по ускоренному титриметрическому методу (Шелухина, 1987). Метод основан на гидролизе пектина щелочыох последующим воздействием минеральной кислоты, что приводит к выпадению в осадок пектовой кислоты, все карбоксильные группы которой находятся в свободной форме и могут быть оттитрованы основанием. Анализ проводили следующим образом:
0,2 г пектинового порошка смачивали несколькими каплями этилового спирта, приливали 10 см3 дистиллированной воды и тщательно перемешивали. К смеси добавляли 1 см3 раствора гидроокиси натрия с концентрацией 40 г/дм3 и оставляли для гидролиза на 25 мин.
Далее проводили осаждение пектовой кислоты 2 см3 раствора соляной кислоты (1:10), а вслед за этим приливали еще 50 см3 ОД н раствора соляной кислоты и вновь тщательно перемешивали в течение 10 мин. В результате полу-чали раствор общей массы Q = 63,2 г (принимали, что 1 см раствора имеет массу 1 г).
Далее образовавшийся осадок отфильтровывали через неплотный бумажный фильтр и 10 см3 фильтрата титровали раствором гидроокиси натрия кон-центрации ОД моль/дм в присутствии фенолфталеина. На титрование 10 см (г) фильтрата уходило Q\T ОД HNaOH.
Остаток фильтрата, осадок на фильтре вместе с фильтратом, а также промывные водьл объединяли в колбе, в которой проводили операции омьтления и осаждения, хорошо размешивали, стараясь измельчить фильтр, и титровали раствором гидроокиси натрия концентрации ОД моль/дм3 в присутствии фенолфталеина. На титрование осадка уходило Q2 г ОД н NaOH. Расчет проводили по формуле (Шелухина, 1997):
Ферментативная экстракция пектина из жома тыквы
Принципиально важной стадией технологии получения пектина является стадия гидролиза-экстракции.
Исследовали действие вышеописанных отечественных микробных ФП на пектинсодержащее сырье - тыквенный жом - с целью замены химического (кислотного) гидролиза на ферментативный.
Гидролиз растительного сырья проводили в условиях, необходимых для сохранения структуры и свойств пектина: температура (42-45 С), рН естественный для сырья (5,3 - 5,9), ГМ - 10 и концентрация ФП в реакционной смеси - 2 мг/мл. Продолжительность процесса гидролиза была одинакова — 3 ч. Использованная доза препарата в ферментном растворе составляла 1 % (вес).
В результате проведенных исследований получили сравнительные данные о выходе спиртоосажденной фракции тыквенного пектина в зависимости от условий ферментолиза. Данные представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что препараты, содержащие кеиланазу и мацеразу, дают выход пектина от 9,8 до 10,5 % в пересчете на сухое сырье, что больше, чем в случае кислотного гидролиза.
В итоге проведенных исследований наилучший результат по выделению пектина биотехнологическим методом из воздушно-сухого ЖТ мы получили в лабораторных условиях при использовании комплексного ферментного препарата из культуры микроскопического гриба A. awamori. Технология получения этого ФП разработана в Институте биотехнологии РАН и запатентована (Пат. 1806194, 1993). Выход пектина составил 14 %.
Технология получения пектина включала несколько стадий.
Подготовка сырья. 50 г воздушно-сухого измельченного ЖТ заливали дистиллированной водой в количестве 400 мл и оставляли для набухания на 16-17 ч при комнатной температуре.
Приготовление ферментного раствора. Комплексный препарат А. awamori в количестве 1 г разводили в дистиллированной воде (100 мл) и ставили на магнитную мешалку на 1 ч для получения однородного раствора.
Приготовление гидролизата. В набухшее сырье вливали ферментный раствор. Получалась смесь с ГМ = 10 и концентрацией ФП 2 мг/мл. Смесь устанавливали в термостат и при Т - 45 С осуществляли гидролиз, периодически перемешивая, в течение 3 ч.
Отделение депектинизированного жома. По истечении 3 ч ферментированную смесь дважды пропускали через капроновое сито (сначала однослойное, а затем двухслойное) для удаления нерастворившейся биомассы жома. Фильтр с жомом устанавливали в чашку Петри и помещали в сушильную камеру. Сушку депектинизированного жома проводили при Т = 63 С в течение 5 ч. Высушенный депектинизированный жом можно использовать в дальнейшем в качестве субстрата для получения кормового белка. Получающийся при этом препарат - эффективный белково-витаминный премнкс. Храпение жидкого пектинового гидролизата. После пропускания через двухслойное капроновое сито раствор, содержащий ФП, инактивировали в течение 1 ч при 50 С и помещали з ХОЛОДРШЬНИК для охлаждения.
Получение пектинового порошка. Охлажденный экстракт (8-10 С) тонкой струйкой при энергичном перемешивании вливали в двойной объем этилового спирта, затем охлаждали в холодильнике в течение 30 мин.
Охлажденную смесь фильтровали через капроновую ткань на воронке Бюх-нера. Пектин на капроновой ткани сушили методом сублимационной сушки.
Показатели качества экстрактов пектина, полученных с использованием различных ферментных препаратов, представлены в таблице 3.
