Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор патентно-информационной литературы по проблеме получения и применения рыбных гидролизатов
1.1 Способы получения гидролизатов 8
1.2. Требования к выбору ферментных препаратов 19
1.3. Протеолитические ферменты внутренних органов гидробионтов и технологии получения из них ферментных препаратов 22
1.4. Сырьевые ресурсы гидробионтов Краснодарского края 35
1.5. Продукты питания нового поколения 37
1.6. Заключение по обзору патентно-информационной 45
литературы, задачи собственных исследований
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 47
2.1. Схема проведения экспериментальных исследований, объекты исследований и изучаемые показатели
2.2. Методы исследования ферментативного гидролиза 50
2.3. Методы исследования гидролизата и пастообразной продукции
2.4. Определение биологической ценности 68
2.5. Определение микробиологических показателей 70
2.6. Определение токсичных элементов, радионуклидов и пестицидов
2.7. Определение витаминного состава 73
2.8. Определение содержания макроэлементов 74
2.9. Статистическая обработка данных 76
2.10. Математическое планирование эксперимента 78
2.11. Теоретические предпосылки компьютерного 81
проектирования многокомпонентных продуктов с
требуемым комплексом показателей пищевой ценности
ГЛАВА 3. Результаты исследований и их обсуждение 86
3.1.. Технохимическая характеристика сырья 86
3.2. Получение ферментных препаратов из животного сырья
3.3. Характеристика процесса гидролиза 91
3.4. Технология получения гидролизата из рапаны 96
3.4.1. Гидролиз черноморского моллюска 96
3.4.2. Влияние рН среды на скорость гидролиза 98
3.4.3. Влияние температуры на скорость гидролиза 100
3.4.4. Влияние времени на процесс ферментативного гидролиза рапаны
3.4.5. Математическое планирование эксперимента 106
3.4.6. Определение качественных показателей гидролизата из рапаны
3.5. Анализ сырья, используемого для проектирования рецептур пастообразной продукции
3.6. Компьютерное моделирование рецептурных композиций
ГЛАВА 4. Производственно - промышленная апробация разработанной технологии производства гидролизата и пастообразной продукции
4.1. Технология получения гидролизата из черноморской рапаны
4.2. Технология производства пастообразной продукции 136
4.3. Оценка качественных показателей пастообразной продукции
4.4. Определение показателей безопасности пастообразной продукции
4.5. Определение микробиологических показателей пастообразной продукции
4.6. Оценка биологической ценности продукции 149
4.7. Органолептическая оценка 150
4.8. Технико - экономические показатели 151
Выводы 153
Литература
- Способы получения гидролизатов
- Схема проведения экспериментальных исследований, объекты исследований и изучаемые показатели
- Технохимическая характеристика сырья
- Технология получения гидролизата из черноморской рапаны
Введение к работе
Питание является одним из важнейших факторов, определяющих здоровье населения. Правильное питание обеспечивает нормальный рост и развитие человека, способствует профилактике заболеваний, продлению жизни, повышению работоспособности и создает условия для адекватной адаптации людей к окружающей среде. У большинства населения России выявляются нарушения питания, обусловленные недостаточным потреблением витаминов, минеральных веществ, полноценных белков и нерациональным их соотношением /42/.
В настоящее время в ряде регионов России по-прежнему значителен дефицит белковых продуктов питания. Это связано с ростом цен на мясные продукты (основной источник белка) в ходе рыночных преобразований и появлением в рационе питания основной части населения некачественных, плохо усвояемых организмом продуктов.
Так в соответствии с «Концепцией государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации на период до 2005 года», одобренной постановлением Правительства РФ 10 августа 1998 г. № 917, предусмотрено более полное и рациональное использование пищевых ресурсов океанов, морей и внутренних водоемов /34/. В этой связи возникает необходимость разработки новых высокоэффективных биотехнологических аспектов обработки и дифференцированный подход в переработке полноценного белка гидробионтов, комбинирование компонентов животного и растительного происхождения.
С развитием фундаментальных и прикладных научных исследований в перспективных направлениях, развития нутрициологии, расширения познаний человека о его потребностях в пищевых веществах и энергии, о свойствах сырья и готовых продуктах, создают технологическую основу для получения разнообразных пищевых продуктов с определенными органолептическими, физико-химическими и питательными свойствами.
Организация такого производства обусловлена и изменением сырьевой базы, необходимостью обновления ассортимента, созданием диетических и профилактических продуктов питания, комплексного использования сырья.
Трудами ведущих ученых-гигиенистов установлено, что содержание в пище одного животного и растительного белка обладает меньшей биологической ценностью, чем их смесь в оптимальном соотношении /42, 51, 101/.
Как показывают прогнозы глобального обеспечения населения Земли белками, в нынешнем столетии сохранение белкового баланса в продуктах может быть достигнуто лишь при комбинировании растительных и животных белков.
Однако, в последние годы видовой состав поступающего в обработку рыбного сырья, в связи с сокращением объемов вылова, постоянно меняется. Поэтому особенно важно исследование новых объектов рыбного промысла, их технологических и химических свойств и особенностей обработки. Одним из таких объектов является черноморская рапана, стихийно акклиматизированная в Азово - Черноморском бассейне. Уловы рапаны имеют устойчивую тенденцию к росту, в 1995 году объем вылова рапаны в Азово-Черноморском бассейне РФ составил 55 тонн, в 2000 году - 3730 тонн, а в 2001 году объем вылова рапаны достиг 4500 тонн.
Одновременно с этим, в последнее десятилетие вследствие насыщения рынка конкурентоспособной продукцией, расширения ассортимента продукции на основе научно-обоснованных современных технологий, использования компонентов и добавок, отличающихся повышенными пищевыми и органолептическими качествами, повысились требования к качественным показателям готовой продукции, ее безопасности, пищевой и биологической ценности /49, 58/.
Изменение сырьевой базы рыбной промышленности, ухудшение экологического состояния водоемов обуславливает необходимость создания безотходных и экологически чистых технологических процессов обработки объектов промысла и образующихся при этом вторичных отходов, а также интенсификацию и повышение экономичности технологических процессов, использования дешевых, недефицитных источников сырья, ресурсо - и энергосбережения.
В связи с этим, актуальность данной работы основана на необходимости разработки технологии производства рыборастительных изделий на основе нового, слабо используемого высокобелкового объекта промысла, рапаны черноморской, позволяющей получать продукты, удовлетворяющие современным требованиям науки о питании.
Цель работы - разработка технологии производства сбалансированной по химическому составу, крупоовощной пастообразной продукции, обогащенной гидролизатом из рапаны и удовлетворяющей нормам физиологического потребления взрослого человека занятого на производстве со средней тяжестью труда в аминокислотном, липидном, витаминном и минеральном составе.
Способы получения гидролизатов
Обзор литературы охватывает период с 1970 по 2001 гг, когда мировое рыболовство распространилось на огромную акваторию океана и вовлекло в хозяйственный оборот большое число новых промысловых объектов. Бурное развитие промышленного рыболовства и аквакультуры обусловлено в первую очередь демографическими изменениями. Как свидетельствует статистика, в результате не прогнозированного быстрого роста народонаселения Земли значительно повысился спрос на продукты питания, особенно на животный белок /95/.
Уникальная роль белка в жизнедеятельности организма человека и незаменимость его в питании способствовали проведению во всем мире широких исследований с целью изыскания новых источников белка и совершенствованию способов его получения. Только за период с 1997 по 2001 гг. мировое производство рыбных белковых препаратов, по данным ФАО, ВОЗ выросло с 279,8 до 311,6 тыс. т, то есть на 11 % /91/. Наиболее крупными производителями этих продуктов являются Япония, Норвегия, Германия, Польша, США и Китай.
Широкое развитие производства разнообразных рыбных продуктов и препаратов, содержащие уникальные природные белки, было предопределено также значительным ухудшением видового состава мирового улова в последнее десятилетие.
Доля мелких видов гидробионтов и рыб пониженной товарной ценности возросло с 12 % (в 1970 г.) до 46 % в 2000 г /148/. Многие из этих видов рыб по ряду причин не могут быть обработаны по традиционной технологии, хотя их мясо служит источником полноценного белка. Все эти факторы способствовали появлению и развитию принципиально новых комплексных способов технологической обработки объектов мирового океана, положенных в основу производства пищевого рыбного фарша, разнообразных рыбных белковых концентратов, изолятов, гидролизатов /59/.
Производство рыбных белковых концентратов в настоящее время в промышленных масштабах налажено в Норвегии, Франции и ряде других развитых странах /128, 168/. Получают белковые концентраты методами основанные на удалении из рыбы-сырца влаги, жира и жироподобных веществ при помощи органических растворителей, таких как изопропиловый, изобутиловый, этиловый и другие спирты, петролейный, диэтиловый, диметиловый и метиловый эфир, бензин, дихлорэтан, этилендихлорид и смеси этих растворителей /174/.
Получение белковых изолятов из рыбы включает четыре основные стадии: растворение белка в водной среде со строго определенными фиксированными значениями рН, удаление нерастворимого осадка (костей, чешуи и т.д.) из раствора, осаждение белка из раствора в виде творожистого студнеобразного сгустка изменением рН раствора или другими технологическими приемами, очистку и высушивание миофибриллярной белковой фракции /40/.
Пищевые белковые гидролизаты обычно получают путем химического или биохимического (ферментативного) расщепления белков растительного и животного происхождения,
Следует отметить, что из четырех видов гидролиза: ферментативного, кислотного, на ионообменных смолах и щелочного, последний способ наименее распространен. Щелочной способ гидролиза дает неплохие результаты в отношении сохранения аминокислот /86/, но разрушающее действие раствора щелочи на цистин, цистеин и метионин настолько сильно, что применяя этот вид гидролиза нельзя добиться их сохранения /101, 74/. Кроме того, наблюдается частичная рацемизация аминокислот, образуются правовращающие дериваты, вторичных реакций происходит значительно больше, чем при кислотном гидролизе, а выход аминокислот на 24-29 % меньше /95/.
При щелочном гидролизе белкового сырья обычно используют насыщенный раствор гидроксида бария или 5н раствор гидроксида натрия.
Многочисленные исследования по влиянию реакционных групп щелочи на молекулярную структуру белковых фракций, а так же качественный состав и питательную ценность гидролизатов подтверждают, что при воздействии на высокобелковые продукты растворами щелочей образуется трудноусваиваемый лизиноаланин /11, 60, 95/.
Присутствие лизиноаланина в белках сопровождается уменьшением содержания цистина и лизина и уменьшением величины использования чистого белка, а также снижением перевариваемости белка у подопытных животных 11, 136/. Кроме того, щелочные гидролизаты имеют весьма посредственный вкус и запах. Иногда при щелочном гидролизе гидробионтов применяются растворы щелочных и щелочноземельных металлов /125, 145/. Таким образом для производства пищевых белковых гидролизатов щелочной способ мало используется.
Кислотный способ гидролиза сырья является более распространенным, чем щелочной. Глубина и скорость кислотного гидролиза белка обусловливается в основном видом и концентрацией кислоты, соотношением ее с белком, температурным режимом и продолжительностью проведения процесса гидролиза.
Схема проведения экспериментальных исследований, объекты исследований и изучаемые показатели
Исследования проводились в течение 1999 - 2001 г.г. Экспериментальные работы по выполнению поставленных в диссертационной работе задач были проведены в научно-исследовательских лабораториях кафедры технологии мясных и рыбных продуктов, кафедры технической биохимии и микробиологии Кубанского государственного технологического университета, в Испытательном центре пищевой и сельскохозяйственной продукции ЗАО «мясокомбинат «Тихорецкий», в лабораториях Краснодарского научно-исследовательского института рыбного хозяйства, в лабораториях Краснодарского научно исследовательского института хранения и переработки сельскохозяйственной продукции, на предприятиях АО «Кубаньптицепром».
Структурная схема исследований, отображающая взаимосвязь объектов исследований и изучаемых показателей представлена на рисунке 3.
Объектом исследований выбраны следующие виды сырья: 1) мускул черноморской рапаны, 2) пилорические придатки рыб Азово-Черноморского бассейна, 3) пресноводные рыбы, 4) масло сливочное, 5) нут, 6) крупа рисовая, 7) ферментированный рис, 8) морковь красная, 9) лук репчатый, 10) манная крупа, 11) кукурузная крупа, 12) СОг - экстракты: перца черного горького, перца душистого, перца красного, гвоздики, 13) соль поваренная пищевая, 14) баклажаны, 15) томаты, 16) чечевица, 17) перец сладкий, 18) модельные рецептуры пастообразной продукции, выработанные из этих компонентов.
Изучаемые показатели, позволяющие комплексно оценить качество сырья и полуфабрикатов, объединены в следующие группы: I - качественный
И количественный состав сырья для получения гидролизата; II -биокаталитическая активность пилорических придатков рыб Азово-Черноморского бассейна; III - математическое планирование процесса гидролиза; IV - физико-химический и общехимический состав гидролизата; V - аминокислотный состав гидролизата и готовой продукции; VI - жирно-кислотный состав липидов гидролизата; VII - определение токсических и микробиологических показателей продукта гидролиза; VIII-общехимический состав модельных рецептур пастообразной продукции; IX - углеводный состав композиционных продуктов; X - относительная биологическая ценность рецептур; XI - определение показателей безопасности готовой продукции; XII - витаминный состав продукции; XIII - структурно-механические свойства пастообразных продуктов; XIV микробиологические и токсикологические показатели продукции; XV -органолептические показатели.
Исследования биотехнологических аспектов получения белковых гидролизатов заключаются в количественном определении таких показателей как, формально - титруемый азот (ФТА), тирозин, небелковый азот (НА), свободные аминокислоты гидролизата (САГ), азот летучих оснований (АЛО), активность протеолитических ферментов, аминный азот.
Определение тирозина производили с помощью фенольного реактива. Взятую вытяжку гидролизата смешивали с водой в соотношении 1:1 и гомогенизировать 2-3 мин (4000 об/мин). При следующей операции производили отбор 2 - 4 г гомогенната в коническую колбу на 100 мл, приливали 10 мл дистиллированной воды, температура которой на 1-2 С выше температуры термостата, взбалтывали, помещали в ультратермостат и периодически встряхивали. После выравнивания температуры, через 2 - 3 мин, прервали протеолиз и определяли начальное содержание тирозина. При этом выдерживали в ультратермостате пробы О 0 5 1 2 и т.д. ч прерывали протеолиз и определяли количество содержащегося тирозина в пределах оптической плотности 0,2 - 0,6. Такие определения для каждой пробы дублировали два, три раза,
Для прекращения протеолиза по истечению выше указанного времени в анализируемую пробу добавляли 5 мл 50 % ТХУ, тщательно перемешивали. Уровень раствора доводили дистиллированной водой до 100 мл. После этого содержимое колбы оставляли стоять 20 мин, затем фильтровали. В полученном трихл ору ксу сном фильтрате определяли количественно тирозин и НБА.
Для непосредственного определения тирозина к 1 мл фильтрата добавляли 5 мл 5н углекислого натрия и 1 мл свежеприготовленного рабочего реактива Фолина. Через 10 мин интенсивность окраски определяли на спектрофотометре при длине волны 600 нм в кюветах с рабочей длиной мм по отношению к контрольному раствору. Содержание тирозина в исследуемом образце, соответствующее определенной оптической плотности, рассчитывали по градуировочному графику.
Приготовление реактива Фолина (основной раствор): 100 г вольфрамовокислого натрия и 25 г молибденовокислого натрия вносили в круглодонную колбу вместимостью 2000 мл с пришлифованным обратным холодильником, добавляли 700 мл дистиллированной воды, 50 мл 85 %-ной ортофосфорной кислоты плотностью 1,869 г/см3 и 100 мл концентрированной соляной кислоты. Всю смесь необходимо было кипятить в течение 10 ч. По истечению этого времени содержимое колбы охлаждали до комнатной температуры, все содержимое аккуратно переносили в колбу Эрленмейера. Затем добавляли 150 г сернокислого лития, и пять капель брома. Открытую колбу нагревали, и кипятили содержимое под вытяжкой на слабом огне 15 мин, для удаления избытка брома. После охлаждения раствор должен иметь желтую окраску. Если раствор имеет зеленый цвет то обработку бромом необходимо произвести повторно. После охлаждения раствор доводили в мерной колбе дистиллированной водой до 1 л и фильтровали через трубку Аллина. Концентрацию кислоты определяли титрованием разбавленного в десять раз реактива Фолина 0.1н раствором едкого натрия по фенолфталеину. Приготовленный раствор хранили в темной склянке и вне зоны прямого попадания ультрафиолетовых лучей.
Построение градуировочного графика производили по стандартному раствору тирозина. Навеску тирозина рассчитывали по содержанию в нем азота. 14,495 мг чистого тирозина растворяли в 100 мл 0,2н раствора соляной кислоты. Полученный раствор содержит 8-Ю"4 миллиэквивалента тирозина в 1 мл.
Технохимическая характеристика сырья
На этом этапе была проведена работа по изучению технохимических свойств мяса пурпурной улитки. Это, прежде всего, связано с тем, что удельный вес черноморского моллюска в улове в последнее время значительно увеличился, а данные по химическим и биохимическим свойствам пурпурной улитки не много. Завезенная с Дальнего Востока рапана стихийно акклиматизирована в Азово-Черноморском бассейне в 30-е годы прошлого века и в настоящее время стала неотъемлемой частью рыбного рынка Кубани.
Одним из главных критериев, характеризующий направление сырья на промышленную переработку, является химический состав. При изучении общего химического состава мяса рапаны было отмечено, что он практически не зависит от размерно-массовых характеристик, а имеет сезонные колебания. Так мясо рапаны было исследовано по сезонам вылова, объектами являлись промысловые экземпляры, размером 95-140 мм. Результаты представлены в таблице 2. Анализируя таблицу 2 необходимо отметить, что черноморская рапана относится к белковому сырью с достаточно низким содержанием жира. Жирно-кислотный состав у рапаны колеблется от 2 % весной до 3 % осенью, содержание белка - от 22 % осенью до 17 % весной, содержание золы в течение года изменяется незначительно.
В мышечной ткани ноги-мускула рапаны нами обнаружено три наиболее выраженных пика протеолитической активности: I пик имеет максимум при рН 4,0, II пик - при рН 6,5 и III пик при рН 8,6, а активность внутренностного мешка характеризуется четырьмя пиками соответственно при рН 3,2, 5,5, 7,3, 8,7. Наиболее активными являются ферменты составляющие I и III ПИК для мышечных протеаз, а для внутренностного мешка I и II пик. Абсолютное значение максимальной активности протеаз составляет 18 и 23 М NH2/г тк. ч соответственно (рисунок 5).
Известно, что протеолитическая активность мышечной ткани других гидробионтов отличается от активности протеаз черноморского моллюска /168/. Так, в мышечной ткани горбуши обнаружено 4 пика активности протеаз с максимумами значений при рН 3,5, 5,0, 6,3, 7,3, причем оптимумы их активности в 1,2-1,7 раз выше, чем у рапаны /153/.
Необходимо отметить, что полученные в эксперименте пики протеоли-тической активности, по-видимому, гомогенны по составу и, следовательно, мы регистрируем в индивидуальном пике суммарную активность нескольких протеаз. Кроме того, максимальная активность протеаз может наблюдаться не только на III и II но и на I пике. Это различие объясняться тем, что протеолитическая активность варьируется в зависимости от возраста, пола, физиологического состояния моллюска и др. факторов /170, 148, 132/.
Источниками ферментов, как правило, являются различные животные и растительные ткани. Однако традиционные источники этих веществ, такие как внутренние органы животных, часто являются самостоятельными полноценными пищевыми продуктами, пользующимися спросом у населения. В связи с этим мы использовали для получения ферментов сырье морского происхождения, как один из перспективных источников биокатализаторов /175/.
Многочисленные исследования распределения протеиназ в различных органах гидробионтов показывают, что большая часть их содержится, как и у млекопитающих, во внутренних органах /98/.
Получение ферментных препаратов из животной ткани практически сводится к извлечению ферментов, содержащихся в сырье, и их очистке.
Свежеотобранные органы и ткани после разделки рыб, содержащие ферменты, очень нестойки при хранении. В связи с этим необходимо немедленно перерабатывать или консервировать при помощи низких температур. Отобранное сырье загружали в емкости из нержавеющей стали или эмалированные и охлаждали при температуре минус 40 С, Замороженное сырье хранили при температуре минус 15 - 18 С и относительной влажности воздуха 95 %. Измельчение ферментативного сырья осуществляли на гомогенизаторе. При экстрагирование ферментов для перехода в раствор оптимального количества фермента существенную роль играет гидромодуль (рис. 6).
Технология получения гидролизата из черноморской рапаны
По своему характеру изменения при рН 3,5 и изменения при рН 7,8 аналогичны, но при рН 7,8 выражены более резко.
Чередование активности протеолитических ферментов гидробионтов объясняется жизненными биологическими закономерностями. Максимальная активность совпадает с обильным питанием, созданием запаса питательных веществ, необходимых для образования половых продуктов, период обильного посленерастового питания, нагула. Снижение активности наблюдается при уменьшении потребления корма у нагульной рыбы, период голодания и подавлением обменных процессов в результате температурного перепада.
При разработке ферментативной технологии обработки черноморского моллюска нам необходимо также учитывать и время самого процесса гидролитического расщепления брюхоногой моллюски. Так при гидролитическом расщеплении животного сырья количество пептонов увеличивается впервые 4 часа, а затем концентрация их уменьшается. Количество аминного азота постоянно накапливается в процессе гидролиза, но наиболее интенсивно происходит впервые 3,5 ч. В первые часы гидролиза количество аминного азота увеличивается за каждый час приблизительно на 70 - 80 мг %, в последующие часы количество аминного азота увеличивается за каждый час приблизительно на 20 - 25 мг %. Аммиак, содержащийся в мясе рапаны в первые 6 часов ферментативного гидролиза постепенно снижается, а затем его количество начинает возрастать как следствии закономерного протекающих процессов дезаминирования. Количество сухих веществ увеличивается прямо пропорционально времени гидролиза.
Но у нас наибольший интерес вызывала динамика накопления аминокислот в процессе гидролиза. На рис. 16, 17 и 18 показаны графики изменения диаминокислот, ароматических и серусодержащих аминокислот.
Резюмируя данные рисунков 16-18, можно утверждать, что: максимальное количество диамиинокислот накапливается к 3 часам гидролиза, в дальнейшем их количество существенно не изменяется; ароматические аминокислоты в процессе ферментативного гидролиза накапливаются постепенно и имеют прямую зависимость от продолжительности и глубины гидролиза; серусодержащие аминокислоты в процессе гидролитического расщепления рапаны постепенно достигают максимума к 3,5 часам гидролиза, в дальнейшем накопление замедляется.
Таким образом, оптимальное время гидролиза черноморского моллюска равно 4-5 часам. К этому времени в гидролизате накапливается максимальное количество аминокислот.
Математическое планирование эксперимента
Согласно предварительно проведенным нами исследованиям, планируемый эксперимент является трехфакторным. Таким образом, суммарное число опытов для проведения одного эксперимента - 20, количество опытов в центре плана - 6, звездное плечо составляет 1,682.
Диапазон рН, в котором проводились эксперименты изменялся от 2,5 до 9, диапазон продолжительности процесса обработки от 2 до 8 ч, а варьирование температуры осуществлялось от 25 до 45 С. В таблице 4 указана схема планирования трехфакторного эксперимента в зависимости от величины звездного плеча и факторов эксперимента.
После проведения регрессионно-кореляционого анализа полученных экспериментальных данных на персональном, компьютере с помощью опции "Поиск решения" программы Statistica, получены адекватные уравнения per рессии, описывающие изменения основных показателей, свидетельствующих о количественно качественном составе продукта гидролиза рапаны при различных режимах ферментативной обработке ноги-мускула.
В результате обработки экспериментальных данных были получены массивы данных отражающие уравнения регрессии общего вида, показывающие зависимости: ЛО/ФТА, ФТА и НБА в продукте ферментативного гидролиза рапаны в зависимости от продолжительности процесса, концентрации ионов водорода и температурного режима.
Проводимый эксперимент, как сказано выше, является трехфакторным, т.е. зависит от температуры, времени и концентрации водородный ионов. Фактически невозможно построить график зависимости в четырехмерном пространстве. Для построения графических зависимостей пользовались методом взаимного исключения одного из факторов эксперимента из уравнения регрессии.
