Введение к работе
Актуальность. В Российской Федерации наблюдается устойчивый спрос на социально значимые специализированные продукты питания. Все более очевидной становится нехватка продовольственной продукции, производимой отечественными предприятиями, что обусловлено недостатком пищевого сырья определенного качества для промышленной переработки, а также использованием устаревших технологий. Особенно актуальным, поэтому, является повышение глубины переработки, увеличение выхода полноценных продуктов с единицы перерабатываемого сырья, эффективное использование вторичных ресурсов. В соответствии со «Стратегией развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации до 2020 г.» (Распоряжение Правительства РФ от 17.04.2012 г. № 559-р) в числе перспективных пищевых технологий особое место занимают био- и нанотехнологии. Разработка и внедрение соответствующих инновационных технологий позволит обеспечить устойчивое снабжение населения РФ не только необходимым продовольствием высокого качества, но и широким ассортиментом специализированных продуктов питания нового поколения, имеющих заданные качественные характеристики, в том числе, обладающих лечебно-профилактическими и геронтологическими свойствами. Важным направлением решения поставленных в «Стратегии …» задач является разработка способов интенсификации биохимических процессов, в частности способов усиления активности эндо- и экзоферментных систем.
Одним из основных направлений научного обеспечения развития, отмеченных в «Стратегии…», является использование современных экологически безопасных энергосберегающих электрофизических и физико-химических способов обработки в производстве функциональных пищевых и кормовых продуктов.
Рассматривая необходимость разработки и внедрения электрофизических факторов воздействия, следует подчеркнуть перспективность использования их в микро- и субмикродозах, что позволит ускорить основные технологические стадии производства и добиться улучшения качества продукции при незначительных материальных и энергетических затратах.
В связи с изложенным актуальным представляется теоретическое обоснование эффективности совокупного действия биохимических и физических факторов, применения новых принципов обработки в технологиях продуктов питания функционального назначения, а также при выработке из пищевого низкокачественного и вторичного сырья пищевых продуктов, обладающих комплексом заданных свойств согласно нормативной документации.
Степень разработанности темы исследования. Ферментация широко применяется в пищевых технологиях для глубокой переработки сырья, в том числе для рационального использования мясных соединительнотканных ресурсов, белки которых относятся к физиологически полезным балластным веществам и жизненно необходимы, позволяет улучшить качественные характеристики сырья, повысить сортность и его пищевые свойства. Управление процессами ферментации имеет большое значение при разработке инновационных продуктов питания детерминированных групп населения, в частности – новых ферментированных кисломолочных продуктов с пониженным содержанием молочного сахара (лактозы). Значительный вклад в теорию и практику получения мясных и молочных продуктов питания нового поколения внесли Ганина В.И., Жаринов А.И., Костенко Ю.Г., Комолова А. А., Липатов Н.Н., Митасева Л.Ф., Рогов И.А., Титов Е.И., Тихомирова Н.А., Токаев Э.С., Семенихина В.Ф., Соловьев В.И., Хорольский В.В., Bover-Cid S., De Vuyst L., Gonzlez-Chveza S.A., Eerola S., Leroy F., Niinivaara F. и другие ученые. На современном этапе наиболее продвинуто направление по изысканию специфически действующих ферментных препаратов, которые получают, в основном, путем скрининга высокопродуктивных микробных источников белка и ферментов. Практические и теоретические исследования в этом направлении развиты в работах Гернет М.В., Ивановой Л.А., Римаревой Л.В. и других. Повысить активность и специфичность действия ферментных препаратов можно иным способом – применяя дополнительно к ферментации физические факторы воздействия. В этом случае целесообразно использовать известные и доступные ферментные препараты животного или растительного происхождения, обладающие универсальным действием, безопасные для человека и дешевые по сравнению с другими препаратами. Применение физических факторов является также важным направлением экспериментальной селекции штаммов микроорганизмов, в частности для биотехнологии ферментированных видов молочной продукции.
Получение солода с высоким уровнем ферментативной активности – одна из основных задач в пищевых технологиях, использующих проращенное зерно (производство пива, кваса, мучных, булочных, кондитерских и кулинарных изделий). Технологическая операция проращивания зерна во многом определяет эффективность производства и качество продукции. В частности, для предприятий, занимающихся проращиванием ячменя на солод, актуальным является внедрение технологий, позволяющих получать солод хорошего качества из зерна пониженного качества. Для активации солодоращения в практике солодовенного производства наряду с модификацией традиционных технологий (способы замачивания, устройство солодовен и сушилок) достаточно широко используются химические факторы воздействия, основанные на добавлении в замочную воду органических и неорганических соединений, а также биологически активных препаратов различной природы. Научно-практические основы в направлении активации процессов биотрансформации растительного сырья заложены в трудах Гернет М.В., Ермолаевой Г.А., Мальцева П.М., Косминского Г.И., Оганесянца Л.А., Полякова В.А., Dognal L., Kunze V., Mit G., Narcissus L., Skladal V. и других ученых. Решить проблему активации семян и растений можно путем использования физических способов воздействия, что позволит разработать новые технологические приемы для целенаправленного формирования комплекса заданных свойств сырья и готового продукта. Эти способы пока не нашли широкого применения в пищевых производствах.
В настоящее время усилилось внимание к нетрадиционным физическим принципам обработки пищевого сырья – воздействию электрических, магнитных, электромагнитных (ЭМ) полей, электроконтактным (ЭК) и акустическим способам. Эти методы обладают такими преимуществами как безинерционность работы оборудования, сокращение длительности технологических процессов, сохранение пищевой ценности продукта, высокий коэффициент полезного использования энергии. Теоретическое обоснование эффективности применения физических воздействий для обработки пищевого сырья и продуктов питания приведено в трудах Барышева М.Г., Воробьева В.В., Голанта М.Б., Глущенко Л.Ф., Девяткова Н.Д., Заяса Ю.Ф., Ильясова С.Г., Некрутмана С.В., Рогова И.А., Эльпинера И.Е., Baldwin R., Bengtsson N., Hamm R., Rosenberg U., Schwan H. и других ученых.
Для реализации биологического действия физических факторов важным параметром является доза воздействия. Из многочисленных экспериментов, описанных в литературе, следует, что биологические объекты реагируют на физическое воздействие даже при минимальных значениях приложенной мощности и значимые эффекты наблюдаются при весьма низкой интенсивности воздействия. Данному вопросу в научной литературе уделяется значительно меньше внимания, чем тепловым эффектам. Это связано с тем, что биологические объекты являются очень сложными системами, содержащими большое количество обратных связей, которые стремятся свести к нулю влияние внешних воздействий. Однако последнее не означает, что такие воздействия не раздражают систему. Именно они, в соответствии с последними данными (Бурлакова Е.Б., Коновалов А.И.), наиболее перспективны как в плане вызываемых биологических эффектов, так и относительно безопасности применения.
Таким образом, перспективным направлением создания новых технологических процессов переработки пищевого сырья является использование для регуляции жизнедеятельности живых систем физических воздействий различной природы и мощности, в том числе крайне низкого уровня, когда тепловые эффекты сведены к минимуму. Внедрение таких технологий позволит преодолеть проблемы отрасли, связанные с дефицитом сельскохозяйственного сырья, повысить уровень конкурентоспособности отечественных производителей пищевых продуктов на внутреннем и внешнем рынках.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью исследования является разработка новых принципов управления процессами биотрансформации пищевого сырья с использованием воздействий низкоинтенсивных физических факторов, теоретическое обоснование и выявление механизма таких воздействий, создание инновационных ресурсосберегающих пищевых технологий.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
проанализировать возможные механизмы действия низкоинтенсивных физических факторов с использованием достижений современной математической биологии, выявить приоритетный механизм по результатам модельных экспериментов на ферментных системах;
разработать физическо-химическую модель влияния низкоинтенсивных физических факторов на активность гидролитических ферментов при переработке пищевого сырья;
выявить зависимости «доза-эффект» и «частота-эффект» в экспериментах по проращиванию ячменя на солод с использованием низкоинтенсивной электроконтактной и низкоинтенсивной акустической обработки;
определить характерные значения параметров электроконтактной и акустической обработки, вызывающие эффекты биологического действия в прорастающем зерне ячменя (активацию ферментов, усиление ростовых и обменных процессов и пр.) и математически обосновать рациональные режимы обработки для использования в условиях солодовенного производства;
разработать новые технологические процессы солодоращения методом обработки зерна электрическим током и звуком, провести производственные испытания;
определить возможность использования выявленных при солодоращении общих закономерностей для интенсификации процессов ферментации других видов пищевого сырья, разработать практические рекомендации.
Научная новизна
Объяснен механизм биологических эффектов колебательных и волновых воздействий с энергией кванта Екв 8,2810-11 эВ в области звуковых частот, связанный, прежде всего, с особенностями кинетики реакций гидролиза, катализируемых ферментами. Предложена соответствующая физико-химическая модель ферментативных процессов, чувствительных к внешнему низкоинтенсивному физическому воздействию колебательной природы.
Оптимизированы технологические параметры процесса солодоращения ячменя с использованием низкоинтенсивной электроконтактной и низкоинтенсивной акустической обработки на основании решения задачи кластеризации созданных баз экспериментальных данных.
Научно обоснованы и разработаны технологические схемы, аппаратное оформление непрерывных процессов получения ячменного солода повышенного качества с использованием низкоинтенсивных, низкоэнергозатратных электроконтактной и акустической обработок.
Разработана научная концепция принципиально нового способа модификации биотехнологических процессов совместным действием ферментации и низкоинтенсивных физических факторов, предложено научное и практическое обоснование новых ресурсосберегающих пищевых технологий.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Проведенные исследования и полученные результаты являются новым научно-техническим направлением, включающим комплексный подход к реализации ресурсосберегающих технологий переработки сырья животного и растительного происхождения для нужд различных отраслей (мясная и молочная промышленность, переработка и хранение зерна, приготовление напитков брожения и т.д ).
Разработаны технологии производства пива с использованием низкоинтенсивной ЭК и низкоинтенсивной акустической обработки в процессе солодоращения ячменя различной сортности. Эти технологии позволяют получить солод c показателями второго класса из нестандартного ячменя, солод c показателями первого класса из ячменя второго класса и произвести выработку пива высокого качества. Технология прошла производственную проверку на пивоваренном заводе «Дека» в г. Великий Новгород и на ЗАО Корсаковский завод пива и напитков «Северная звезда». Проведен расчет экономической эффективности, составляющей в среднем от внедрения ЭК обработки 2634 руб., а от внедрения акустической обработки 2975 руб. на тонну перерабатываемого ячменя со способностью прорастания 90-92%. Разработаны соответствующие ТИ на процессы солодоращения (ТИ 9184-204-00334600-2014, ТИ 9184-203-00334600-2014).
Результаты исследований использованы при разработке новых продуктов питания: изделий ветчинных вареных реструктурированных, ряженки с пониженной массовой долей лактозы. Разработаны проекты ТИ и ТУ по их производству.
Полученные результаты реализованы в научно-исследовательских работах, выполненных по Постановлению Правительства Москвы, по заданию Министерства образования и науки РФ; в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (АЦП) Министерства образования и науки РФ; в рамках грантов Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ.
Результаты работы применены в учебном процессе ФГБОУВПО МГУПП на кафедре «Технология мясных и молочных продуктов» при проведении занятий по курсу «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов» и при выполнении выпускных квалификационных работ; на кафедре «Неорганическая, аналитическая, физическая и коллоидная химия» при чтении лекций по курсу «Коллоидная химия». Изданы учебно-методические пособия.
Новизна технических решений защищена патентами.
Практическая значимость работы подтверждена актами производственной проверки.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены на Международных и Российских научных и научно-практических симпозиумах, конференциях, семинарах, конвентах: «Пища, экология, человек», Москва, 1999; «Информатизация пищевых технологий и биосистем», Москва, 1999; «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2008; «Механизмы действия сверхмалых доз», Москва, 2008; «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий», Москва 2009; «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 2010, 2011, 2013; «Перспективные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК», Москва, 2010; «Образование в сфере нанотехнологий: Современные подходы и перспективы», Москва, 2010, 2011; «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров «Товаровед 2010»», Москва, 2010; «Nanotechnology international forum», Moskow, 2010; «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2011, 2012; «Кузбасс: образование, наука, инновации», Кемерово, 2011; «Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов», Москва, 2012; «Биотехнология. Взгляд в будущее», Казань, 2012; «Планирование и обеспечение подготовки и переподготовки кадров для отраслей пищевой промышленности и медицины», Москва, 2012; «Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов», Москва, 2012; «Научная дискуссия: Вопросы технических наук», Москва, 2013; «Научная дискуссия: Вопросы математики, физики, химии, биологии», Москва, 2013; «Биотехнология и качество жизни», Москва, 2014; «Инновационные технологии и обеспечение безопасности и качества продуктов питания, Москва», 2014.
По материалам диссертации опубликовано 111 работ, в том числе: монографий – 1, статей в журналах, рекомендованных ВАК – 42; статей в других изданиях – 16; статей в зарубежных изданиях – 3; патентов – 6; учебно-методических пособий – 4.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 10 глав, выводы и приложения, изложена на 400 страницах основного текста, содержит 37 таблиц и 142 рисунка. Список использованной литературы включает 394 источника.
