Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Перспективы применения некультивируемого растительного сырья в пищевых технологиях 16
1.1 Действующие вещества дикорастущих растений и их физиологическая активность 19
1.2 Минорные биологически активные компоненты пищи 28
1.3 Классификация способы переработки некультивируемого растительного сырья 31
1.4 Технологические аспекты экстракции биологически активных веществ из растительного сырья 35
1.5 Проблема антиоксидантной защиты биологических систем и пути ее решения 56
1.6 Современные представления о процессах, лимирирующих продолжительность хранения пищевых продуктов, и принципы их моделирования 64
1.7 Применение фитопрепаратов для ингибирования порчи пищевых продуктов при холодильном хранении 83
1.8 Современные технологии инкапсулирования фитопрепаратов 91
Глава 2 Методологические принципы исследования биотехнологического потенциала дикорастущего сырья 97
2.1 Разработка методологии исследования биологически активных веществ дикорастущего сырья и их применение в пищевых технологиях 98
2.2 Обоснование выбора сырьевых источников 100
2.3 Принципы составления фитокомпозиций из дикорастущего сырья. 105
Глава 3 Методология и организация экспериментальных исследований 110
3.1 Объекты исследований 110
3.2 Постановка эксперимента 116
3.3 Методы исследования 121
Глава 4 Технология водно-спиртовых извлечений из дикорастущих трав и плодов 136
4.1 Технология однокомпонентных водно-спиртовых извлечений из дикорастущих трав и плодов 136
4.2 Технология многокомпонентных водно-спиртовых извлечений из дикорастущих трав и плодов 145
Глава 5 Анализ состава и свойств биологически активных веществ фитопрепаратов 152
5.1 Спектральная идентификация биофлавоноидов водно-спиртовых извлечений дикорастущих трав и плодов 152
5.2 Хроматографическая идентификация нелетучей фракции водно-спиртовых извлечений дикорастущих трав и плодов 159
5.3 Хроматографическая идентификация летучей фракции водно-спиртовых извлечений и СОг экстрактов 164
5.4 Определение содержания основных групп биологически активных веществ в водно-спиртовых извлечениях дикорастущих трав и плодов 176
5.5 Результаты исследований показателей безопасности водно-спиртовых извлечений дикорастущих трав и плодов 188
5.6 Результаты исследований медико-биологических свойств водно-спиртовых извлечений дикорастущих трав и плодов 193
5.7 Исследование антиоксидантных свойств фитопрепаратов 197
5.8 Кинетические закономерности ингибирования процессов окисления липидов фитоантиоксидантами 216
5.9 Исследование антимикробных свойств фитопрепаратов 231
Глава 6 Технология инкапсулированных фитокомпозиций для пищевых эмульсий 234
6.1 Разработка технологии получения инкапсулированных фитопрепаратов 234
6.2 Изучение кинетики разгрузки капсул 240
6.3 Исследование влияния инкапсулированных фитокомпозиций на показатели качества эмульсионных пищевых продуктов при холодильном хранении 242
6.4 Разработка технологии эмульсионных соусов с инкапсулированными фитокомпозициями 251
6.5 Обоснование конкурентоспособности пищевых продуктов с инкапсулированными фитокомпозициями на рынке аналогичных товаров 258
6.6 Результаты исследований срока годности эмульсионных пищевых продуктов с инкапсулированными фитокомпозициями 264
Глава 7 Технология продуктов из дикорастущих ягод в заливочных сиропах 270
7.1 Разработка продуктов из дикорастущих ягод в изотонических заливочных сиропах 271
7.2 Исследование динамики массообмена при пастеризации дикорастущих ягод в изотонических заливочных сиропах 274
7.3 Разработка продуктов из размороженных в сиропах дикорастущих ягод 279
7.4 Исследование изменений биологически активных веществ при холодильном хранении дикорастущих ягод 285
7.5 Моделирование кинетики биохимических процессов-при холодильном хранении дикорастущих ягод 295
7.6 Моделирование кинетики диффузионного переноса антоцианов при холодильном хранении дикорастущих ягод в заливочных сиропах 301
7.7 Моделирование кинетики осмотического переноса влаги при холодильном хранении дикорастущих ягод в заливочных сиропах 307
Глава 8 Разработка полуфабрикатов и начинок для мучных кондитерских изделий и десертов с использованием дикорастущих ягод 312
8.1 Разработка рецептур желейных отделочных покрытий для мучных кондитерских изделий с использованием плодов и ягод 312
8.2 Разработка криостабильных желейных начинок на основе дикорастущих ягод 318
8.3 Разработка технологии охлажденных и замороженных плодово-ягодных десертов 321
8.4 Разработка технологии холодильного хранения мучных кондитерских изделий с использованием дикорастущих ягод 331
Выводы 337
Список использованной литературы 343
Приложение 1 Калибровочный график для определения содержания флавонолов 374
Приложение 2 Калибровочный график для определения содержания оксибензойных кислот 375
Приложение 3 Калибровочный график для определения содержания дубильных веществ 376
Приложение 4 Калибровочный график для определения антиоксидантной активности методом FRAP 377
Приложение 5 Акты внедрения и техническая документация на получение водно-спиртовых фитопрепаратов 378
Приложение 6 Хромато-масс-спектральные профили водно-спиртовых извлечений исследуемых дикорастущих трав 391
Приложение 7 Протоколы исследований показателей безопасности водно-спиртовых фитопрепаратов 405
Приложение 8 Эмпирические уравнения кинетических зависимостей окисления образцов подсолнечного масла в присутствии ингибиторов 421
Приложение 9 Графики Аррениуса процесса окисления молочного жира.. 422
Приложение 10 Расчетпериода индукции ингибированного окисления молочного жира масла с фитоантиоксидантами 424
Приложение 11 Акты промышленного внедрения и техническая документация пищевых продуктов с инкапсулированными фитокомпозициями 425
Приложение 12 Расчет себестоимости соусов 441
Приложение 13 Графики Аррениуса процессов окисления липидов и гидролиза белковых веществ 442
Приложение 14 Примеры расчета коэффициента диффузии растворимых веществ в системе «ягоды-сироп» при температуре 65 С 444
Приложение 15 Динамика биологически активных веществ консервированных дикорастущих ягод при холодильном хранении 447
Приложение 16 Эмпирические уравнения динамики биологически активных веществ при холодильном хранении дикорастущих ягод 450
Приложение 17 Эмпирические уравнения кинетики диффузионного перераспределения антоцианов дикорастущих ягод 452
Приложение 18 Акты промышленного внедрения и техническая документация отделочных полуфабрикатов и начинок для мучных кондитерских изделий и десертов с использованием дикорастущих ягод 4
- Технологические аспекты экстракции биологически активных веществ из растительного сырья
- Технология многокомпонентных водно-спиртовых извлечений из дикорастущих трав и плодов
- Исследование влияния инкапсулированных фитокомпозиций на показатели качества эмульсионных пищевых продуктов при холодильном хранении
- Разработка технологии охлажденных и замороженных плодово-ягодных десертов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в связи со сложной экологической ситуацией в стране и в мире большое значение уделяется проблеме здорового питания населения. Одним из путей решения этой проблемы является расширение ассортимента продуктов из нетрадиционных видов пищевого сырья с высоким содержанием биологически активных веществ (БАВ).
Концепция экологической безопасности пищевых продуктов подразумевает безвредность сырьевых ресурсов. Биотехнологический потенциал дикорастущих плодов и трав, произрастающих в Северо-Западном регионе России, уникален. Некульти-вируемое сырьё растет и созревает без применения агрохимии, отличается доступностью и низкой себестоимостью и является альтернативным источником ценных пищевых и биологически активных веществ.
В номенклатуру заготавливаемых дикорастущих растений входит около 160 видов, из них 30 (травы зверобоя и череды, плоды шиповника, боярышника и рябины, лист березы и брусники, а также эфирномасличное растительное сырье) составляют максимальную часть заготовок.
Особый научный и практический интерес представляют продукты вторичного метаболизма высших растений, а именно фенольные соединения, относящиеся к минорным компонентам пищи и обладающие широким спектром физиологического действия на организм, в том числе Р-витаминной и антиоксидантной активностью.
Антиоксидантные свойства фенольных соединений высших растений являлись предметом исследований многих отечественных и зарубежных ученых — В. И. Палла-дина, А. И. Опарина, А. Сент-Дьёрдьи, А. Л. Кирсанова, П. А. Колесникова, М. Н. За-промётова, Е. Ф. Шамрай, J. Harborne, F. Shahidi. В фундаментальных трудах Н. М. Эмануэля обоснована способность пространственно экранированных фенолов или соединений, содержащих хиноидную группу, прерывать цепные реакции окисления за счет образования более устойчивых феноксильных радикалов. Работы Н. А. Тю-кавкиной, М. В. Гернет, Г. И. Касьянова, В. Г. Макарова и др. посвящены теоретическим и практическим аспектам экстракции фенольных соединений из растительного сырья.
Согласно международной классификации ФАО/ВОЗ, натуральные фитопрепараты в форме экстрактов и концентратов с высоким содержанием БАВ, а также традиционные продукты питания, обогащенные фитодобавками, включены в перечень функциональных продуктов.
Вместе с тем среди многочисленных литературных данных, касающихся физиологической активности природных веществ, выделенных из дикорастущих растений экстракцией, до сих пор отсутствует единый подход к их исследованию и систематизации. Требуют усовершенствования методы идентификации и количественного анализа компонентного состава фитоэкстрактов.
Практическое применение биологически активных фитокомпонентов затруднено лабильностью природных веществ к воздействию многих факторов, что препятствует использованию их нативных форм в рецептурах пищевых продуктов, подвергаемых технологической обработке и холодильному хранению.
В этой связи актуальна разработка новых технологических решений с целью получения жидких и инкапсулированных форм фитопрепаратов из дикорастущего сырья, которые отвечают всем требованиям безопасности и качества, предъявляемым к пищевым добавкам, и обладают широким спектром биологической активности.
Особое значение приобретает совершенствование технологий холодильного консервирования дикорастущих ягод. Разработка технологии продуктов из дикорастущих ягод в изотонических заливочных сиропах позволит расширить ассортимент кондитерских изделий повышенной биологической ценности.
Для оценки эффективности разработанных технологических решений целесообразно проведение экспериментальных исследований кинетики процессов, лимитирующих продолжительность холодильного хранения дикорастущих ягод.
В связи с вышесказанным, разработка научно обоснованных технологических решений для создания фитопрепаратов и пищевых продуктов, обогащенных БАВ дикорастущего сырья, является актуальной и позволяет внести значительный вклад в развитие здорового питания населения России.
Исследования проводились в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы в 2009-2011 гг.» и научно-исследовательской тематики «Молекулярные механизмы ингибирования биохимических и физико-химических процессов, протекающих в продуктах животного происхождения при холодильном консервировании с применением барьерных факторов».
Цель и задачи исследования. Цель работы — научно обосновать и разработать технологии получения и холодильного консервирования фитопрепаратов и пищевых продуктов, обогащенных биологически активными веществами дикорастущего травянистого и плодового сырья.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
провести анализ научной и технической информации о способах стабилизации БАВ дикорастущего сырья и перспективах их целевого применения в пищевых технологиях;
обосновать принципы составления фитокомпозиций из дикорастущих плодов и трав и технологические режимы извлечения природных БАВ экстракцией водно-спиртовыми смесями;
провести анализ состава и свойств биологически активных веществ в фитопрепаратах, полученных из дикорастущего сырья с помощью экстракции водно-спиртовыми смесями и сжиженным диоксидом углерода;
исследовать показатели безопасности, медико-биологические, антиоксидантные и антимикробные свойства фитопрепаратов;
изучить кинетические закономерности ингибирования окисления липидов в присутствии фитоантиоксидантов (ФАО);
разработать состав инкапсулированных фитокомпозиций (ИФК) для пищевых эмульсий и технологические режимы их получения;
исследовать влияние ИФК на показатели качества эмульсионных пищевых продуктов при холодильном хранении;
разработать технологию консервирования дикорастущих ягод в изотонических заливочных сиропах;
изучить кинетические закономерности биохимических и массообменных процессов, лимитирующих продолжительность холодильного хранения консервированных дикорастущих ягод;
разработать технологии полуфабрикатов и начинок для мучных кондитерских изделий и десертов повышенной биологической ценности на основе консервированных дикорастущих ягод;
разработать технологию холодильного хранения мучных кондитерских изделий с полуфабрикатами и начинками из дикорастущих ягод;
разработать техническую документацию на фитопрепараты и пищевые продукты из дикорастущего сырья, провести их апробацию и внедрить в производство.
Научная новизна. Научно обоснованы методологические принципы исследования биотехнологического потенциала дикорастущих многолетних растений семейств Lamiaceae, Asteraceae (Compositae), Hypericaceae, Rosaceae, Vacciniaceae, Caprifoliaceae, широко распространенных в Северо-Западном регионе РФ, и технологические решения для получения продуктов их переработки с применением процессов экстракции, инкапсуляции и холодильного консервирования.
Обоснованы принципы составления фитокомпозиций из дикорастущих трав и плодов с учетом их вкусоароматических свойств, аддитивного действия и сбалансированного сочетания доминирующих и сопутствующих фитокомпонентов.
Экспериментально обоснован состав одно- и многокомпонентных водно-спиртовых извлечений (ВСИ) дикорастущего сырья, оптимизированы технологические режимы их получения, установлены особенности кинетки извлечения флавоноидов в зависимости от вида сырья и состава экстрагента.
Модифицированы спектральные и хроматографические методы идентификации и количественного анализа биологически активных веществ в фитопрепаратах, полученных экстракцией дикорастущего сырья водно-спиртовыми смесями и сжиженным диоксидом углерода. Проведена систематизация БАВ в ВСИ и СОг-экстрактах. Выявлено, что технология экстракции водно-спиртовыми смесями эффективна для извлечения природных форм фенольных соединений, а технология экстракции сжиженным диоксидом углерода — для извлечения терпеноидных веществ.
В исследуемых ВСИ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) идентифицированы рутин, апиин, кемпферол, кверцетин и апигенин, а также галлотаннины, производные коричной кислоты, салициловая и галловая кислоты, гли-цирризиновая и абиетиновая кислоты. Установлено, что содержание кверцетина в ВСИ варьирует от 11,4 (зверобой) до 23,7 мг/100 г (шиповник).
Определено содержание Р-витаминоактивных веществ в ВСИ дикорастущих трав и плодов, которое варьируется от 21,2 (календула) до 40,9 мг/100 г (брусника). Установлено, что высоким содержанием Р-витаминоактивных веществ отличаются ВСИ «Лесная поляна» (516 мг/100 г), «Дары природы» (498 мг/100 г) и «Пряные травы» (483 мг/100 г).
Научно обоснован электронный механизм ингибирования кислородсодержащих свободных радикалов природными полифенольными антиоксидантами. Установлены значения антиоксидантной активности (АОА) фитопрепаратов. Выявлено, что высокой антиоксидантной активностью обладают ВСИ плодов шиповника и боярышника. Изучен механизм взаимодействия ФАО в составе ВСИ и СОг-экстрактов пряных трав с модельными фермент-субстратными комплексами в реакциях гидролиза и окисления ли-пидов, установлены их кинетические характеристики.
Установлено, что по параметрам острой токсичности ВСИ дикорастущих трав и плодов могут быть отнесены к классу относительно безвредных веществ. Выявлено ги-похолестеринемическое действие ВСИ и их стимулирующее влияние на центральную нервную систему крыс.
Показано, что наиболее выраженным бактериостатическим эффектом обладают ВСИ чабреца, шалфея, календулы и рябины, а также С02-экстракты гвоздики, шалфея и розмарина.
Разработан состав инкапсулированных фитокомпозиций на основе ВСИ и С02-экстрактов для пищевых эмульсий и технологические режимы их получения. Научно
обоснованы технологические режимы консервирования дикорастущих ягод в изотонических заливочных сиропах. Разработаны кинетические модели биохимических и мас-сообменных процессов, лимитирующих продолжительность холодильного хранения консервированных дикорастущих ягод.
Экспериментально обоснованы режимы холодильного хранения мучных кондитерских изделий (МКИ) с использованием консервированных дикорастущих ягод при субкриоскопических температурах.
Практическая значимость. Разработаны технологии одно- и многокомпонентных ВСИ из дикорастущих многолетних растений семейств Lamiaceae, Asteraceae (Compositae), Hypericaceae, Rosaceae, Vacciniaceae, Caprifoliaceae. Экспериментально обоснованы состав и соотношение экстрагирующих смесей и растительного сырья, изучены технологические свойства сырья — насыпная масса, фракционный состав и коэффициент поглощения экстрагента растительной массой. Оптимизированы технологические режимы экстракции флавоноидов для получения многокомпонентных ВСИ с использованием разработанных фитокомпозиций.
Технология многокомпонентных водно-спиртовых извлечений дикорастущих трав и плодов апробирована и внедрена на ЗАО «ФП Мелиген» (г. Санкт-Петербург). Разработана и утверждена техническая документация на ВСИ «Пряные травы» (СТП 64-23059311-005-2012); «Лесная поляна» (СТП 64-23059311-004-2012); «Душистый» (СТП 64-23059311-006-2012); «Дары природы» (СТП 64-23059311-008-2012); «Лесной аромат» (СТП 64-23059311-007-2012).
Разработан и утвержден пакет технической документации на производство смесей инкапсулированных экстрактов для пищевой промышленности (изменение №1 от 2006 г. к ТУ 9169-001-46945450-2000) и смесей инкапсулированных пищевых ингредиентов «ПроМикс» (ТУ 9223-010-72475482-2006). Технология инкапсулированных фитопрепаратов апробирована и внедрена на ЗАО «АМФИТ-Технология» (г. Санкт-Петербург).
Разработаны и внедрены в производство:
рецептуры среднекалорийных майонезов и фаршевых продуктов с ИФК;
рецептуры кремовых начинок для мучных кондитерских изделий с ИФК «Лесная поляна», «Пряная» и «Лесной аромат»;
рецептуры эмульсионных соусов с ИФК «Калина пряная», «Лесные травы», «Беловежский», «Пряные травы» (ЗАО «Грин Крест», г. Санкт-Петербург).
технологии отделочных полуфабрикатов и желейных начинок для МКИ и десертов на основе консервированных дикорастущих ягод и заливочных сиропов, а также технологическая инструкция по холодильному хранению МКИ при субкриоскопических температурах (ОАО «Смольнинский хлебозавод», г. Санкт-Петербург).
Разработан метод стандартизации ИФК и методика их определения в эмульсионных пищевых продуктах.
Разработанные автором методические рекомендации и практические решения нашли применение в учебном процессе при организации научно-исследовательских работ и диссертаций магистрантов, обучающихся по направлениям 260100 «Продукты питания из растительного сырья» и 240700 «Биотехнология», ФГБОУ ВПО «НИУ ИТМО» (г. Санкт-Петербург) и включены в учебное пособие с грифом У МО. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в авторской монографии. Новизна предлагаемых технологических решений подтверждена 5 патентами РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
обоснование технологий экстракции БАВ из дикорастущих трав и плодов водно-спиртовыми смесями и принципы составления фитокомпозиций;
результаты идентификации, систематизации и количественного анализа природного комплекса БАВ в водно-спиртовых извлечениях из дикорастущего сырья, результаты исследований их показателей безопасности, медико-биологических, антимикробных и антиоксидантных свойств;
технология инкапсулированных фитокомпозиций для пищевых эмульсий и результаты исследований их влияния на показатели качества эмульсионных пищевых продуктов при холодильном хранении;
технология продуктов из дикорастущих ягод в изотонических заливочных сиропах и результаты исследований динамики БАВ при холодильном хранении консервированных ягод брусники и клюквы;
моделирование кинетики биохимических и массообменных процессов, лимитирующих продолжительность холодильного хранения дикорастущих ягод;
рецептуры и технологии отделочных полуфабрикатов и начинок для МКИ и десертов с использованием дикорастущих ягод, способ холодильного хранения МКИ при субкриоскопических температурах.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы прошли апробацию на Международной конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств» (Санкт-Петербург, 1998); Международной научно-технической конференции «Техническое переоснащение пищевой и перерабатывающей промышленности Северо-западного региона РФ» (Санкт-Петербург, 1999); Международной конференции «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2003); VIII Всероссийском конгрессе «Оптимальное питание — здоровье нации» (Москва, 2005); Международной конференции «Научное обеспечение и тенденции развития производства пищевых добавок в России» (Санкт-Петербург, 2005); Международной конференции-выставке «Высокоэффективные технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2006); Международных научно-технических конференциях «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2005, 2008, 2009); Международных научных конференциях «Пищевые технологии» (Одесса, 2006, 2007); Международной научно-технической конференции «Прогрессивная техника и технологии пищевых производств, ресторанного хозяйства и торговли» (Харьков, 2007); Международных научных конференциях «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2003, 2007, 2011); Международных конференциях «Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы» (Калининград, 2006, Светлогорск, 2008); научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ (Санкт-Петербург, 2008-2011) и СПбГАУ (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликована 71 работа, в том числе 25 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 5 патентов РФ, издана авторская монография.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 261 страницах основного текста, содержит 85 таблиц и 74 рисунка и 18 приложений. Список литературы включает 375 источников, в том числе 90 зарубежных.
Технологические аспекты экстракции биологически активных веществ из растительного сырья
Экстракция — способ стабилизации действующих веществ растительного сырья путем их извлечения жидкими экстрагентами — растворителями.
Экстракт {extractum — вытяжка, извлечение) — концентрированное из 36 влечение из растительного (или другого) природного сырья, в котором растворитель удален частично или полностью [244].
Многие авторы считают, что галеновые препараты (суммарные нативные извлечения из растительного сырья) являются более совершенными формами, в которых природные вещества находятся в более стабилизированном виде [276, 277].
Галеновые препараты, получаемые из некультивируемого растительного -сырья с применением инноваций-в области экстракции, содержат_флавоноидыи соединения оксибензойных кислот, терпены и их производные, т. е. биологически активные вещества, обладающие антиканцерогенным, антиоксидантным, антивирусным, антиаллергенным и антимутагенным свойствами [148, 156,195,277].
Еще более стабилизированными являются высокоочищенные сухие препараты, полученные диспергированием экстрактов из растительного сырья. Чистые вещества, выделенные из лекарственного сырья, обладают существенными преимуществами относительно галеновых препаратов, так как только в такой форме может полностью сохраняться и контролироваться их эффективность. Однако эффективность чистых препаратов не всегда совпадает с эффективностью лекарственного сырья [187, 244].
В зависимости от используемого растворителя экстракты классифицируют как водные, спиртовые, водно-спиртовые и масляные.
По консистенции различают экстракты жидкие {Extracta fluida), густые {Extracta spissa) и сухие {Extracta sicca).
К жидким экстрактам относят спиртовые или концентрированные водно-спиртовые извлечения (ВСИ), 1 или 2 объемные части которых получают из 1 части (по массе) высушенного растительного сырья. К густым экстрактам относят сгущенные извлечения, содержащие до 15...25 % влаги и представляющие собой густую массу.
К сухим экстрактам относят концентрированные вытяжки из растительного сырья, порошкообразной консистенции с содержанием влаги не более 5 %. [187]. Густые и сухие экстракты получают путем отгона растворителя и последующей сушки сгущенного остатка. Действующие вещества, содержащиеся в растительном сырье, содержатся в экстрактах в тех же пропорциях. Недостаток жидких экстрактов — получение насыщенных действующими и сопутствующими веществами концентрированных извлечений. Кроме того, незначительные изменения концентрации спирта или объема экстрагента приводят к образованию осадка.
Настойки представляют- собой прозрачные, разбавленные, окрашенные жидкие спиртовые или водно-спиртовые извлечения из растительного сырья, получаемые без удаления экстрагента. По сравнению с экстрактами, настойки являются более разбавленными извлечениями.
Из одной части растительного сырья по массе получают от 5 до 10 объемных частей настойки. Количество действующих веществ определяют физико-химическими методами [187, 195, 277].
За последние годы теория и практика экстракции биологически активных веществ растений активно разрабатывается с учетом некоторых специфических особенностей.
Специфика экстракции БАВ растений связана, прежде всего, с предварительными технологическими операциями (сушка, измельчение и др.), которые осложняют нормальные регулирование и оптимизацию процесса их извлечения.
Несмотря на сложности, экстракция является, безусловно, наиболее рациональной формой обработки растительного сырья.
Экстрагирование высушенного и измельченного сырья, имеющего клеточную структуру, — сложный физико-химический процесс. За счет смачивания и капиллярных сил экстрагент через микропоры проникает в растительные ткани, вытесняет воздух и заполняет клеточные пространства. При этом протекает десорбция и растворение различных веществ, происходит набухание растительного материала за счет осмоса, проникновение растворителя, связанное с разностью концентраций, внутрь клеток. Через микропоры оболочек клеток идет процесс диализа низкомолекулярных веществ, через макропоры оболо 38 чек — процесе диффузии. Таким образом, основным физико-химическим процессом, протекающим при экстрагировании, является диффузия.
Технология многокомпонентных водно-спиртовых извлечений из дикорастущих трав и плодов
С целью поиска оптимальных условий экстрагирования использовали метод математико-статистического планирования эксперимента.
Проведены исследования влияния различных факторов (степень измельчения сырья, соотношение массы сырья и объема экстрагента, скорость вытеснения экстрактивных веществ и т. д.) на выход экстрактивных веществ [186].
Для оптимизации режимов экстракции БАВ при получении ВСИ использовали метод многофакторного регрессионного анализа по Боксу-Уилсону [11].
Известно, что на процесс экстрагирования БАВ из растительного сырья оказывает влияние большое количество факторов [186]. На основании литературных данных и результатов предварительных испытаний учитывали следующие факторы:
Х\ — концентрация этилового спирта в экстрагенте;
Х2 — продолжительность предварительного настаивания сырья;
Х3 — продолжительность экстрагирования;
Х\ — температура экстрагирования.
Уровни варьирования факторов приведены в табл. 4.5.
Как уже было отмечено ранее, от концентрации спирта значительно зависит растворимость многих БАВ, в том числе биофлавоноидов, эфирных масел, органических кислот, витаминов.
При предварительном настаивании происходит набухание сырья, что способствует созданию определенной структуры слоя при последующей загрузке увлажненного сырья в экстрактор. От структуры слоя зависит пропускная способность экстрагента.
Порозность (пористость) определяет эффективную поверхность экстракции, оказывает влияние на гидравлическое сопротивление сырья и скорость передвижения растворителя.
Оптимальной продолжительностью настаивания сырья является период наступления динамического равновесия в системе «жидкость - твердое тело». Определения значимости периода настаивания сырья связаны с техническими и экономическими особенностями общей продолжительности процесса экстракции.
Температура процесса влияет на растворимость БАВ. Известно, что растворимость флавоноидов в водно-спиртовых смесях, и особенно в воде, возрастает при повышении температуры, однако при повышенной температуре может происходить окисление БАВ. В связи с этим температура является одним из важных факторов процесса экстрагирования БАБ из дикорастущего сырья.
В качестве критериев оптимизации были выбраны:
YDu — содержание сухого остатка в ВСИ, в %;
YD2 — содержание суммы флавоноидов в ВСИ, в %.
Матрица планирования и экспериментальные значения функций отклика представлены в табл. 4.6.
Коэффициент детерминации модели (4.4) — R =81%. При оценке по критерия Фишера (Fi=ll,6) уровень значимости составил /?i=0,0006. Таким образом, уравнение (4.4) может быть применено для прогнозирования YD1 при заданных значениях вводных параметров.
Анализ уравнения регрессии (4.4) показывает, что увеличение времени и температуры экстрагирования и уменьшения содержания спирта в экстрагенте приводит к увеличению выхода суммы экстрактивных веществ. Из дальнейшего дисперсионного анализа расчетным путем установлено, что наибольшее значение на выход суммы экстрактивных веществ достигается при концентрации спирта в экстрагенте 63%. Влияние фактора Х2 в выбранных пределах варьирования оказалось незначимым.
Из анализа уравнения регрессии (4.5) следует, что для увеличения выхода суммы флавоноидов в В СИ требуется увеличение концентрации спирта в экстрагенте и ограничение температуры. Коэффициент детерминации модели (4.5) — R = 74%. При оценке по критерию Фишера (F2=7,8) уровень значимости составил /?2=0,0031.
В условиях адекватности уравнения регрессии (4.5) реальному процессу экстракции провели крутое восхождение для критерия оптимизации YD2 по градиенту факторов Х\, Хз и Х4. Из данных дисперсионного анализа следует, что на выход флавоноидов наибольшее влияние оказывает фактор Xj — 50%.
Известно, что основной движущей силой процесса экстракции является разность концентраций действующих веществ в сырье и экстрагенте. Для минимизации времени установления динамического равновесия при поддержании максимального концентрационного градиента использовали метод перколяции.
Применение метода перколяции позволило достигнуть динамического равновесия в системе уже через 70 ч (около 3 сут.).
Таким образом, в результате проведенных исследований для получения многокомпонентных ВСИ с использованием разработанных фитокомпозиций обоснованы следующие технологические режимы экстракции:
Соотношение сырье - экстрагент 1:7
Концентрация спирта в экстрагенте 50-55 %
Время экстрагирования 70-80 ч
Температура системы твердое тело - жидкость 30-35 С
Выход суммы флавоноидов, % 80-85
Выход сухих веществ, % 80
Для получения многокомпонентных ВСИ на одну часть сырья (по массе) использовали 7 объёмных частей экстрагента.
Для концентрирования экстракта, полученного после настаивания сырья при температуре (35±2) С, 85 объёмных частей первичной фракции собирали методом вытеснения в отдельный сборник. Далее процесс экстракции проводили до истощения сырья. Разбавленную фракцию собирали во второй сборник и подвергали сгущению под вакуумом при температуре (50±2) С до 7-8 массовых частей, остаток объединяли с концентрированной фракцией.
Полученные экстракты отстаивали при комнатной температуре в течение 3 сут. при температуре (20±2) С и отфильтровывали через мембранный фильтр.
Ниже приведено описание основных стадий производства многокомпонентных ВСИ с использованием фитокомпозиций дикорастущих трав и плодов.
Измельчение сырья. Перед измельчением растительного сырья проверяют внутреннюю поверхность сборников на отсутствие загрязнений и посторонних веществ. Измельчение проводят осторожно, с применением средств индивидуальной защиты.
Неизмельченное сырье (плоды) вручную загружают в молотковую дробилку с диаметром ячеек 5 мм. Измельченное сырье собирают в приемник. Для получения фитокомпозиций измельченное сырье предварительно смешивают в необходимых пропорциях и используют по мере необходимости.
Приготовление экстрагента. В качестве экстрагента используют 50 %-ный этиловый спирт.
В реактор с помощью насоса закачивают рассчитанное количество воды очищенной, затем спирт этиловый 96 %-ный. Смесь перемешивают в течение 20 мин с помощью центробежного насоса, затем отбирают пробу для определения концентрации спирта. Концентрацию спирта в экстрагенте измеряют при помощи спиртомера. Полученную водно-спиртовую смесь сливают в перколя-тор.
Экстракция. Одну часть измельченного сырья (по массе) загружают в перколятор и настаивают с 7 объемными частями экстрагента.
Для получения концентрированной фракции после настаивания сырья 85 объёмных частей первичной концентрированной фракции собирают методом вытеснения в отдельный сборник. Содержание спирта в концентрированной фракции составляет не менее 47 %.
Далее процесс экстракции проводят до истощения сырья. Продолжительность экстракции составляет 3 сут. при температуре 30-35 С. Полученный после экстракции шрот собирают в приемник.
Разбавленную фракцию собирают во второй сборник и подвергают сгущению под вакуумом при температуре (50±2) С до 7-8 объемных частей. Полученный сгущенный остаток объединяют с концентрированной фракцией.
Отстаивание и фильтрование. Полученные ВСИ отстаивают при температуре (20±2) С в течение 3 сут и отфильтровывают с использованием насыпного механического фильтра.
Исследование влияния инкапсулированных фитокомпозиций на показатели качества эмульсионных пищевых продуктов при холодильном хранении
Результаты исследований показателей качества опытно-промышленных образцов эмульсионных пищевых продуктов с добавками ИФК при холодильном хранении приведены в табл. 6.6-6.12.
Результаты исследований микробиологических показателей и окислительных изменений липидов колбасы «Деревенская» (табл. 6.6) свидетельствуют, что продолжительность хранения изделий может быть увеличена не менее чем в 1,5 раза по сравнению с контролем. В качестве контрольных образцов использовали колбасные изделия, выработанные по аналогичной рецептуре с применением сухих специй.
Установлено, что внесение ИФК «Тминная» в котлетный фарш не оказывает заметного влияния на изменение показателей качества (содержание влаги, жира, микробиологические показатели) замороженных котлет при хранении (табл. 6.7). Однако эта добавка существенно влияет на органолептические и биохимические показатели, снижая интенсивность гидролиза липидов на 20 %, а скорость их окислительной порчи примерно в 2 раза по сравнению с контрольным образцом. Таким образом, срок хранения быстрозамороженных котлет при этом может быть увеличен не менее чем в 1,5 раза.
Активно действующие ингредиенты ИФК «Татарская» ингибируют гидролитические и окислительные изменения липидов мясного фарша, о чем свидетельствует снижение кислотного и тиобарбитурового чисел в опытных образцах фрикаделек (табл. 6.8). Таким образом, срок их хранения может быть увеличен примерно в 2 раза по сравнению с контрольным образцом.
При использовании ИФК в рецептурах эмульсионных мясных полуфабрикатов, подвергаемых хранению в замороженном состоянии, фитокомпоненты полностью сохраняют вкус и аромат.
Установлено, что майонез «Ароматный» сохраняет требуемый уровень качества в течение 30 сут., в отличие от контрольного образца майонеза, в рецептуре которого использовали сухие специи (табл. 6.9).
Выявлено, что майонез «Пикантный» сохраняет требуемый уровень качества в течение 30 сут. (табл. 610). Выявлено, что сухие специи не подавляют роста плесеней и не оказывают влияния на гидролитические и окислительные изменения липидов майонезных эмульсий.
Результат сравнительной оценки показателей качества замороженных МКИ с начинками «Пряные травы» (табл. 6.11) и «Дары природы» (табл. 6.12) свидетельствует о возможности пролонгации срока холодильного хранения МКИ примерно в 2 раза, относительно контрольных образцов изделий.
Таким образом, использование ИФК в рецептурах майонезов и сбивных кондитерских начинок с высокой массовой долей жира способствует увеличе 248 нию сроков холодильного хранения продуктов за счет предотвращения изменений жировых компонентов, сохранении их вкуса и аромата.
На ЗАО «АМФИТ-Технология» разработан и утвержден пакет технической документации на производство инкапсулированных экстрактов для пищевой промышленности (ТУ 9169-001-46945450-2000), приведенный в Приложении 11.
Результаты исследований влияния инкапсулированных фитокомпозиций на пищевую ценность и сохраняемость качества продуктов при холодильном хранении изложены в работах [13, 28, 29, 34, 42, 51, 52, 54, 56, 58, 60, 70].
На ЗАО «Абсолют» разработаны и утверждены ТИ и ТУ по производству смесей инкапсулированных пищевых ингредиентов «ПроМикс» — ТУ 9223-010-72475482-2006 (Приложение 11).
На ЗАО «ВИАДИ» разработаны и утверждены рецептуры среднекало-рийных майонезов с ИФК «Пикантная» и «Ароматная» (Приложение 11).
Результаты исследований влияния смесей белковых препаратов с инкапсулированными фитокомпозициями (смеси «ПроМикс») на качество мясных продуктов приведены в работах [13, 17, 18, 20, 42, 51, 52, 59, 60].
Технический акт внедрения рецептур мясных быстрозамороженных фрикаделек и котлет с ИФК на ЗАО «ВИАДИ» приведен в Приложении 11.
Разработан спектральный метод, используемый для стандартизации и определения ИФК в эмульсионных пищевых продуктах (раздел работы 3.3.2)
Рецептуры и способ получения и применения ИФК в технологиях эмульсионных пищевых продуктов защищены патентами РФ [208, 209, 210].
Разработка технологии охлажденных и замороженных плодово-ягодных десертов
Ассортимент десертов, существенно расширившийся за последние годы, отличается большим разнообразием. Производители, обладающие воображением и склонные к инициативе, оценили возможность получения прибыли за счет изготовления и продажи необычных видов охлажденных и замороженных десертов, отличающихся новизной, свежестью, уникальностью и оригинальностью. К таким новинкам можно отнести особые сочетания плодово-ягодного сырья со вкусоароматическими веществами, например, щербет, пудинги, мусс, сорбет, фраппе [181].
Стремительно возрастает популярность низкокалорийных плодово-ягодных десертов. Особый интерес потребителей вызывают кондитерские десерты на основе цельных плодов и ягод. Себестоимость таких изделий достаточно высока, однако они отличаются прекрасными вкусовыми свойствами, высокой усвояемостью, не содержат жира и являются низкокалорийными.
Настоящий раздел работы посвящен разработке технологии охлажденных и замороженных желейных десертов на основе консервированных в изотонических сиропах ягод брусники и клюквы и размороженных в сиропах ягод черной смородины и крыжовника.
Технологические особенности производства десертов из замороженных или консервированных цельных плодов и ягод состоят в сочетанном применении плодово-ягодных и кремовых или желейных полуфабрикатов, мармеладных или зефирных масс [129].
Необходимым требованием для замороженных десертов является крио-обратимость, то есть способность сохранять качество (консистенцию, вкус, цвет и т. д.) после размораживания..
Особенностью технологии желейных плодово-ягодных десертов является минимизация использования «жестких» технологических операций, связанных с термообработкой плодово-ягодного сырья при высоких температу 322 pax, и замена этих технологических режимов на более «мягкие» или нетермические методы обработки продукта. Сочетанное воздействие нескольких факторов позволяет максимально сохранять в готовых десертах ценные пищевые вещества фруктов и дикорастущих ягод.
Для снижения калорийности десертов производили замену сахарозы на моносахариды и сорбит. Использование в рецептурах желейных основ натуральных гидроколлоидных стабилизаторов и загустителей способствует обогащению десертов пищевыми волокнами, что позволяет отнести желейные десерты к продуктам лечебно-профилактического назначения.
На рис. 8.4 приведена технологическая схема производства охлажденных и замороженных желейных плодово-ягодных десертов.
Ниже дано описание технологических операций.
Подготовка плодово-ягодного сырья
Консервированные в сиропах ягоды отделяли от сиропов. Отработанные заливочные сиропы использовали далее для размораживания ягод и приготовления желейных основ.
Быстрозамороженные ягоды черной смородины и крыжовника перед использованием распаковывали и инспектировали [95], после чего их размораживали в сиропах, предварительно подогретых до температуры 40 С в течение 30...40 мин.
Подготовка сухих компонентов
В качестве ингредиентов при составлении сухих желейных основ использовали желеобразователи — желатин пищевой; пектин (Е440, Amid CF 020) и загуститель карбоксиметилцеллюлозу (Бланоза, Е466).
Для приготовления десертов из размороженных ягод в качестве желе-образователя использовали альгинат натрия (Е401).
При использовании в качестве желеобразователя желатина его смешивали с загустителем и 7-кратным количеством рецептурного сахарного песка и замачивали в холодной воде на 30...40 мин для набухания, после чего вносили в сироп и затем разогревали до температуры 65...70 С.
Другие сухие ингредиенты (желеобразователи и загустители) смешивали с 7... 10-кратным количеством рецептурного сахарного песка или декстрозы для предотвращения комкования.
В качестве подсластителей использовали глюкозу (C DEX 02001 — кристаллический моногидрат) и сахар песок рафинированный.
Для регулирования активной кислотности (рН) десертов использовали лимонную (0,15-0,25 г/100 г), аскорбиновую (0,3-0,5 г/100 г) кислоты, цитрат натрия (0,15-0,25 г/100 г). В альгинатных желирующих основах использовали только цитрат натрия, так как при рН ниже 4,5 альгинат натрия теряет способность к гелеобразованию. Для увеличения продолжительности хранения десертов с использованием свежих цитрусовых плодов в желирующие основы добавляли сорбат калия (0,1 г на 100 г).
Приготовление десертов
Подготовленные сухие ингредиенты вносили в отработанный заливочный сироп (или воду), подогретый до 40 С и нагревали до кипения. Желирующие основы уваривали до содержания сухих веществ 38...40 %.
Готовые желирующие основы остужали до 40 С, вносили жидкие пищевые красители, смешивали с подготовленной фруктово-ягодной массой и отливали в пластмассовые контейнеры массой 150 г.
Для колорирования десертов использовали натуральные пищевые красители — антоцианин (Е163) в количестве 0,1 ...0,2 г/100 г, медный комплекс хлорофиллина (Е141) в количестве 0,1...0,3 г/100 г.
Готовые плодово-ягодные десерты охлаждали до температуры (4±2)С, замораживали и подвергали хранению при температуре (-18±1) С.
Контроль качества
Контроль качества готовых десертов осуществляли по органолептиче 325 ским, микробиологическим и физико-химическим показателям.
В табл. 8.6, 8.7 и 8.8 приведены рецептуры желирующих основ для плодово-ягодных десертов.
Результаты органолептической оценки охлажденных и замороженных десертов «Брусничный мусс», «Смородиновый» и «Спелый крыжовник» приведены в Приложении 18.
Пищевая ценность десертов на основе консервированных в изотонических сиропах дикорастущих ягод «Брусничный мусс», «Смородиновый» и «Спелый крыжовник» приведена в табл. 8.11. Калорийность десертов составила около 500 кДж на 100 г продукта.
Данные, приведенные на рис. 8.5, иллюстрируют потребление биологически активных минорных компонентов пищи, содержащихся в 100 г продукта, относительно адекватной рекомендуемой суточной нормы (РНП) [190].
