Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 9
1.1. Процесс гелеобразования в растворах желатины. Структура и реологические свойства гелей желатины 9
1.2. Влияние добавок высокомолекулярных соединений на процесс структурообразования и свойства гелей желатины 22
1.3. Использование гелей желатины в технологических процессах пищевых производств 33
Глава II. Объекты и методы исследования 41
2.1. Характеристика объектов исследования 41
2.1.1. Желатина 41
2.1.2. Агар-агар 44
2.1.3. Альгинат натрия 50
2.1.4. Хитозан 52
2.1.5. Глицерин 55
2.1.6. Растворы и гели желатины с полисахаридами 58
2.2. Методы исследования 60
2.2.1. Определение молекулярно-массового распределения биополимеров методом высокоэффективной жидкостной хроматографии 60
2.2.2. Определение размеров частиц в водных системах методом дисперсии светорассеяния 61
2.2.3. Измерение температуры плавления гелей 64
2.2.4. Измерение реологических параметров растворов и гелей 65
2.2.4.1. Метод капиллярной вискозиметрии 65
2.2.4.2. Метод ротационной вискозиметрии 68
2.2.4.3. Метод конического пластометра 70
2.3. Построение математических моделей процессов и обработка экспериментальных данных 72
Глава III. Результаты и обсуждение 78
3.1. Физико-химические свойства низкоконцентрированных гелей желатины с альгинатом натрия 78
3.1.1. Взаимодействие желатины с альгинатом натрия в объёме системы 78
3.1.2. Реологические свойства гелей 81
3.1.2.1. Влияние концентрации альгината натрия и желатины 82
3.1.2.2. Влияние температуры 97
3.2. Физико-химические свойства растворов и гелей желатиновой основы, используемой в процессе капсулирования пищевых продуктов на основе рыбных жиров 103
3.2.1. Влияние модифицирующих добавок на реологические свойства растворов желатиновой основы 103
3.2.1.1. Глицерин 103
3.2.1.2. Полисахариды 108
3.2.2. Гели с добавками глицерина и полисахаридов 122
3.2.2.1. Структурно-реологические свойства 122
3.2.2.2. Температура плавления и теплота гелеобразования 126
Глава IV. Совершенствование технологического процесса приготовления желатиновой основы для капсулирования пищевых продуктов на основе рыбных жиров 134
4.1. Разработка желатиновой основы с оптимальными технологическими свойствами 134
4.2. Апробация разработанных рецептур желатиновой основы 140
4.3. Разработка технических требований и подбор технологического оборудования для аппаратурного оформления усовершенствованного процесса 142
4.4. Экономическая эффективность от внедрения усовершенствованной технологии 150 Общие выводы 153
Ссылочная нормативная документация 155
Перечень принятых сокращений 156
Список использованных источников 158
Приложения 171
- Влияние добавок высокомолекулярных соединений на процесс структурообразования и свойства гелей желатины
- Определение размеров частиц в водных системах методом дисперсии светорассеяния
- Влияние концентрации альгината натрия и желатины
- Разработка технических требований и подбор технологического оборудования для аппаратурного оформления усовершенствованного процесса
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из тенденций, наметившихся в последние годы в развитии индустрии продуктов питания, является значительное расширение ассортимента искусственных форм пищевых продуктов. В первую очередь это связано с необходимостью удовлетворения потребности населения в лечебно-профилактическом и диетическом питании. Оно включает в себя натуральные, незначительно измененные в процессе обработки пищевые продукты с добавками биологически-активных веществ направленного действия (полисахаридов, аминокислот, витаминов, жирных кислот и т. д.), которые служат хорошим средством профилактики различных хронических заболеваний. Белки и полисахариды являются основными компонентами пищи, определяющими её структуру и органолептические качества. Проблема исследования взаимодействий белков и полисахаридов актуальна как с научной, так и с практической точки зрения, поскольку формирует научные основы рационального питания.
В последнее время развивается такое перспективное направление как кап- сулирование рыбных жиров, обогащенных биологически-активными препаратами. В качестве материала для создания оболочки капсул используется гель на основе желатины (продукта деструкции фибриллярного белка коллагена). Расширение ассортимента капсулируемых обогащенных рыбных жиров приводит к необходимости совершенствования процесса капсулирования и изменения свойств гелеобразной оболочки капсулы. Это может быть достигнуто путем введения в систему «желатина-вода» (желатиновая основа) дополнительных структурообразователей - полисахаридов, влияющих на процесс гелеобразования и на свойства конечного продукта. В то же время, введение полисахаридов, являющихся биологически-активными веществами, в желатиновый гель может способствовать повышению биологической ценности продукта в целом.
Таким образом, исследование систем «желатина-полисахарид-вода» и создание на их основе композиций для получения многокомпонентных гелей с заданными свойствами с целью совершенствования технологических процессов производства пищевых продуктов является актуальной задачей.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных путей совершенствования процесса капсулирования рыбных жиров, обогащенных биологически-активными препаратами, на основе использования полисахаридов.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: изучение структурно-механических свойств многокомпонентных гелей и растворов желатины с добавками полисахаридов; исследование особенностей процесса структурообразования гелей системы «желатина-полисахарид-вода»; разработка математических моделей процесса структурообразования гелей желатины с добавками полисахаридов при капсулировании рыбных жиров с определением оптимальных параметров ведения процесса; разработка рецептур и технологии изготовления желатиновой основы с добавками полисахаридов; производственная апробация технологий изготовления желатиновой основы по разработанной рецептуре; разработка нормативной документации на предложенную технологию приготовления желатиновой основы; определение технических требований к оборудованию для аппаратурного оформления предложенной технологии; расчет экономической эффективности усовершенствованного технологического процесса.
Научная новизна. В работе впервые предложен способ совершенствования процесса капсулирования пищевых продуктов на основе рыбного жира путем модификации желатинового геля капсулы добавками природных полисахаридов (альгината натрия, хитозана, агар-агара).
Показано увеличение скорости гелеобразования и увеличение прочности структуры геля многокомпонентной системы «желатина-полисахарид-вода» по сравнению с системой «желатина-вода» при рН выше изоэлектрической точки желатины. Рассчитаны теплоты гелеобразования для исследованных систем.
Определено влияние температуры и соотношения биополимеров в системе «белок-полисахарид-глицерин-вода» на реологическое поведение гелей и высококонцентрированных растворов.
Предложены математические модели, адекватно описывающие процесс гелеобразования при капсулировании. С помощью моделей рассчитаны оптимальные значения влияющих факторов.
Практическая значимость работы. Разработаны рецептуры желатиновой основы с оптимальными концентрациями хитозана и альгината натрия для капсулирования рыбных жиров, обогащенных биологически-активными препаратами. Разработана соответствующая нормативно-техническая документация (ТИ) на изготовление желатиновой основы.
Показана возможность снижения расхода желатины при сохранении прочностных характеристик геля.
Определены технические требования к технологическому оборудованию для аппаратурного оформления усовершенствованного процесса капсулирования.
Рассчитана ожидаемая годовая экономическая эффективность, связанная с совершенствованием процесса капсулирования рыбных жиров на основе применения полисахаридов на ЗАО «Мед-Кап» (город Мурманск), которая составит от 398,6 до 443,8 тыс. руб. (в ценах 1999 года).
На защиту выносятся:
1. Способ совершенствования процесса капсулирования пищевых продуктов на основе рыбного жира путем модификации желатинового геля капсулы добавками природных полисахаридов (альгината натрия, хитозана, агар- агара).
Реологические параметры растворов (при температуре 60 С) и многокомпонентных гелей системы «желатина-полисахарид-вода».
Результаты исследований процесса гелеобразования при формировании оболочки капсулы, математическая модель процесса.
Результаты исследований по разработке рецептуры желатиновой основы с оптимальными технологическими свойствами.
Технология приготовления желатиновой основы для капсулирования по разработанной рецептуре.
Результаты производственных испытаний при изготовлении экспериментальных промышленных партий капсулированного препарата «Полиен».
Технические требования к технологическому оборудованию для внедрения разработанного технологического процесса.
Технико-экономические показатели эффективности разработанного технологического процесса.
Влияние добавок высокомолекулярных соединений на процесс структурообразования и свойства гелей желатины
Процесс структурообразования и свойства желатиновых систем в присутствии добавок различных макромолекулярных веществ подвергались довольно широкому исследованию. Изучено влияние полисахаридов растительного и микробиологического происхождения: крахмалов [17, 58, 73, 75, 76, 120, 128, 131, 132] , пектинов [75, 76], камедей [30, 75, 76, 120], альгинатов [17, 19, 20, 49, 66, 71, 75, 76, 104], агар-агара [17, 122], декстрана [75, 76], геллана [130]; белков: казеина [75, 76, 120], альбуминов [30, 75, 76]; ряда синтетических полимеров [12, 42, 72]. С точки зрения технологии пищевых производств особый интерес представляет влияние биополимеров - полисахаридов и белков на структурообразование и свойства гелей, где основным структуро-образователем является желатина, поскольку такие системы входят в состав многих современных продуктов питания.
Большое количество исследований структурообразования и свойств систем желатины с добавками различных высокомолекулярных соединений (ВМС) проведено с позиций термодинамической совместимости компонентов. Построены диаграммы фазового состояния, определяющие области формирования многокомпонентных систем «желатина-полимер-вода» с различной макроструктурой [42, 49, 58, 75, 76, 128, 130, 131].
Многочисленные экспериментальные работы по изучению термодинамической совместимости желатины и полисахаридов были сделаны ещё в конце XIX - начале XX века Бейеринком (желатина-агар), Паули и Рона (желатина-гуммиарабик), Бючли (желатина-автоклавированный крахмал), Оствальдом и Хертелем (желатина-крахмалы зерновых и картофеля). Обнаружено, что во всех исследованных системах при одних условиях (при определённых концентрациях компонентов и рН) наблюдается совместимость белка и полисахарида , а при других - расслоение с почти полным разделением макромолекулярных компонентов. Подробный анализ термодинамической совместимости желатины с различными биополимерами проведён в работах Толстогузова на примере систем желатины с добавками нейтральных (амилопектин, гликоген, декстран) и кислых (гуммиарабик и альгинаты) полисахаридов, а также -белков (сывороточный и яичный альбумины, казеин) [75, 76]. Установление общего характера явлений совместимости и несовместимости желатины и биополимеров в водных средах позволило автору объяснить причины образования, структуру и характерные свойства смешанных, наполненных и комплексных гелей.
Процесс образования наполненного геля, характерный для всех исследованных систем, показан на примере системы «желатина-декстран-вода». При небольших концентрациях декстран совместим с желатиной, при этом резко ускоряется гелеобразование желатины и уменьшается податливость геля. Однако, сорастворимость макромолекулярных компонентов системы не превышает 1%, и на кривой зависимости податливости гелей от концентрации декстрана обнаружен минимум, отвечающий переходу к гелям желатины, наполненным каплями декстрана. Податливость наполненных гелей увеличивается с ростом объёмной доли фазы декстрана. Электронно- микроскопическое исследование показало, что в окрестностях капель наполнителя сетка геля разорвана, и её фибриллы, примыкающие к капле, ориентированы свободными концами перпендикулярно её поверхности. Такая ориентация обеспечивает минимизацию контакта фибрилл желатины с макромолекулами декстрана. Наличие разрывов и уменьшение эффективного числа узлов пространственной сетки геля ведёт к увеличению его податливости. В наполненных гелях «желатина-казеин» при высоких концентрациях наполнителя - казеина (от 5 до 7 %) наблюдалось значительное возрастание степени набухания, податливости гелей, повышение скорости релаксации деформации, а также снижение температуры плавления гелей [75].
На образование наполненного геля оказывает влияние рН и ионная сила среды. Так, в системе «желатина-нейтральный полисахарид-вода» при отклонении рН от изоэлектрической точки (ИЭТ) желатины (р1 5,1) в кислую или щелочную область, а также при увеличении ионной силы среды до 0,1 наблюдался обратимый переход от наполненного геля к комплексному. В системе «желатина-сывороточный альбумин-вода» наполненный гель образовывался в области рН от 2 до 5. При рН от 8 до 9 желатина и сывороточный альбумин формировали комплексы за счёт сил неэлектростатической природы, при этом получались гели со свойствами, резко отличающимися от свойств наполненных гелей [75, 76].
Исследование образования наполненных гелей и их свойств имеет большое практическое значение для производства искусственных продуктов питания при переводе одной или обеих фаз системы, содержащей белки и полисахариды, в гелеобразное состояние. При определённых условиях это даёт возможность получения многокомпонентных гелей с различной макроструктурой: пористых гелей; гелей капиллярной структуры; гелей волокнистой структуры; гелей, наполненных либо армированных волокнами [75].
Смешанные гели, содержащие 10 % желатины и различное количество альгината кальция, были получены путём диффузии уксуснокислого кальция в гель желатины, содержащий альгинат натрия [71, 75]. Данные гели характеризуются наличием двух независимых пространственных сеток: желатины и полисахарида. При этом, пространственная сетка альгината кальция стабилизирована электростатическими взаимодействиями и координационными связями между ионами кальция и гидроксильными группами остатков гулуроновой кислоты. Такая структура смешанных гелей объясняет их аномальное термомеханическое поведение, а именно - сложную зависимость податливости от температуры с максимумом в области от 30 до 45 С. Распад сетки смешанного геля при увеличении температуры идёт ступенчато. При нагревании до температуры порядка 30 С гель желатины распадается на агрегаты макромолекул, и система превращается в гель альгината кальция, дисперсионная среда которого является раствором агрегатов макромолекул желатины в воде. Такой раствор обладает сравнительно низкой вязкостью. Дальнейшее нагревание (выше 45 С) приводит к распаду агрегатов макромолекул и образованию молекулярно-дисперсного раствора желатины, вязкость которого значительно выше. Подобное поведение демонстрируют и смешанные гели желатины с пектином [75].
Консистенция смешанного геля сильно отличается от консистенции гелей, образуемых каждым компонентом в отдельности [17]. Однако глубоких теоретических исследований процесса образования смешанных гелей пока что не проводилось.
Определение размеров частиц в водных системах методом дисперсии светорассеяния
Взаимодействие альгината натрия и желатины в объёме системы исследовали методом дисперсии светорассеяния [3, 40] при температуре 40 С и значении рН от 5,8 до 6,1, лежащим выше ИЭТ желатины, которое устанавливалось после смешения растворов индивидуальных компонентов (п 2.1.6). Во всех исследованных системах концентрацию желатины Сж сохраняли постоянной (1 %), концентрацию альгината натрия Сан варьировали от 7-10"4 до 1,4-10"2 %. При данных условиях исследуемые системы представляют собой мутные коллоидные растворы - суспензии частиц нерастворимых комплексов. На рис. 3.1 представлены спектры мутности исследуемых систем при разном времени с момента приготовления систем.
Используя степенную зависимость оптической плотности Б от длины волны X (2.4), определили эффективные радиусы Я рассеивающих частиц в объёме.
На рис. 3.2 представлены зависимости Я от времени т при разных концентрациях альгината натрия Сан. Наличие индукционного периода (около 6 ч), а также кинетические изменения размеров частиц новой фазы для всех исследованных систем свидетельствуют о протекании процесса комплексообразования «альгинат натрия - желатина» по нуклеационному механизму.
Обнаружено (рис. 3.2), что в водной системе желатины без полисахарида Я возрастает от 50 нм до 530 нм, а в присутствии альгината натрия - от 50 - 100 до 590 - 1070 нм зависимости от Сан. Это говорит о большом вкладе альгината натрия в процесс формирования частиц новой фазы. Из литературных данных [16, 17] известно, что в менее концентрированных системах «желатина-альги- нат натрия-вода» (суммарная концентрации полиэлектролитов ниже 0,008 %) R комплексных частиц при температуре 40 С и рН р1 желатины не превышает 300 - 400 нм.
Через 6 суток после приготовления систем фазовое макрорасслоение (явление коацервации) наблюдалось только при низкой концентрации альги- ната натрия (Сан = 7-10"4 %). При этом система расслаивалась на две жидкие фазы: верхнюю с мелкими (R= 430 нм) и нижнюю с крупными (R = 1070 нм) частицами (рис. 3.2, кривая 2, пунктир).
В растворах желатины без полисахарида, а также при высоких Сан в исследованном временном интервале макрорасслоение не происходило, эффективный радиус комплексных частиц достигал постоянного значения через 50 - 80 ч с момента образования систем. Зависимость радиуса комплексных частиц от концентрации альгината натрия является немонотонной (рис. 3.2, таблица 3.1). При Сан =1,3-10" % R частиц в 1,7 раз превышал R агрегатов в растворе желатины без добавок альгината натрия, а при дальнейшем увеличении Сан до 1,4-10" % R вновь уменьшался. Необходимо заметить, что по данным [21, 29, 92] максимальный R частиц в растворах желатины без добавок не превышает 650 нм независимо от концентрации белка.
Учитывая концепции, развитые в [19, 75, 76], можно представить исследованные системы как суспензии полиядерных полианионных комплексов, ядрами которых служат макроионы альгината натрия, а лигандами - макроионы желатины (рис. 1.6). Образование комплексов происходит за счёт электростатических взаимодействий между положительно заряженными аминокислотными остатками желатины (группы лизина, оксилизина, аргинина, гистидина) и отрицательно заряженными группами полисахарида (первая стадия), а также за счёт образования коллагеноподобных тройных спиралей из концевых частей лигандов - макроионов желатины (вторая стадия). Поскольку процесс происходит при pH р! желатины, комплексы имеют одноимённый отрицательный заряд, препятствующий в большинстве случаев агрегации частиц и макрорасслоению системы.
Мы предполагаем, что расслоение системы при Сан =г 7-10"4 % связано с несовместимостью одноимённо заряженных макроионов желатины и альгината натрия при низкой концентрации полисахарида. Подобное явление несовместимости одноимённо заряженных белка и полисахарида было описано в работах [75, 76] (для систем «желатина-декстран-вода») и в работах [58, 129, 131, 132] (для систем «желатина-крахмал-вода» и «желатина-№КМЦ-вода»).
Далее было проведено исследование реологических свойств гелей желатины с добавками альгината натрия в той же концентрационной области Изучали реологические свойства низкоконцентрированных гелей желатины с альгинатом натрия, а также характер и степень влияния на них концентрации биополимеров и температуры. Реологические параметры гелей измеряли методом ротационной вискозиметрии (пп 2.2.4.2).
Для исследовании влияния концентрации альгината натрия на реологические свойства гелей готовили серию гелей с концентрацией желатины Сж=1 %, концентрацию альгината натрия Сан варьировали от 1-Ю"4 до 1,4-10" %. Использовали желатину марки 250 (п 2.1.1). Измерения проводили при температуре 16 С и значениях рН от 5,2 до 5,6, устанавливавшихся при смешении растворов индивидуальных компонентов (п 2.1.6).
Известно, что структурно-реологические параметры гелей, полученных на основе желатины, меняются во времени в процессе возникновения и развития структуры в гелях. Предварительно проведённые измерения реологических параметров во времени (рис. 3.3) показали, что при температуре исследования прочность структуры низкоконцентрированных гелей желатины с альгинатом натрия практически достигает предельного значения через 4 ч формирования.
На рис. 3.4а и 3.5а представлены зависимости эффективной вязкости г от скорости сдвига ё для гелей желатины с альгинатом натрия, измеренные через 4 ч формирования структуры геля, в полулогарифмических координатах. Значения эффективной вязкости зависят от скорости сдвига, а характер этой зависимости определяется соотношением компонентов (альгината натрия и желатины) в системе. С повышением скорости сдвига эффективная вязкость всех исследуемых гелей уменьшается по определённому закону.
Влияние концентрации альгината натрия и желатины
При внесении глицерина наибольшая предельная вязкость г0 раствора желатины уменьшается от 3,7 Па-с в растворе без глицерина до 2,0 - 2,2 Па-с при концентрациях глицерина 4-15 %. При дальнейшем увеличении концентрации глицерина наблюдается незначительный рост rio- Увеличение концентрации глицерина вызывает монотонный рост реологических параметров: r , rm, Рк, Рт (рис. 3.19). Данные зависимости можно описать экспоненциальными уравнениями с высокими значениями коэффициента корреляции г (от 0,960 до 0,995): г = 0,16-ЕХР(0,07-Сгл); Лт 0,45-ЕХР(0,04-Сгл); Рк = 3,35-ЕХР(0,03-СГЛ); Рт = 5,28-ЕХР(0,05-Сгл).
Из литературных данных известно, что спирты оказывают на желатиновые системы как пластифицирующее, так и стабилизирующее влияние [21]. Присутствие глицерина, как спирта, имеющего сильное сродство к воде, приводит к уменьшению количества воды, связанной с белком и стабилизирующей коагуляционную структуру белка в растворе в соответствии с моделями Есиповой и Берендсена (рис. 1.4). Это выражается в уменьшении наибольшей предельной вязкости неразрушенной структуры г0. Наблюдается пластифицирующий эффект, который максимален в области концентраций глицерина от 4 до 15 % (в среднем около 9 %) (рис. 3.19). Уменьшение пластифицирующего эффекта (увеличение Г0) при дальнейшем увеличении Сгл может быть связано с уменьшением в присутствии спиртов диэлектрической постоянной среды, что приводит к усилению электростатических взаимодействий между ионогенными группами белка. Кроме того, при высоких концентрациях глицерина сильное влияние на рост г)0 оказывает уменьшение содержания в системе воды.
Упрочняющее влияние глицерина высоких концентраций на желатиновые системы подтверждается литературными данными. Согласно данным Фалязи [80] добавки глицерина высоких концентраций (Сгл от 10 до 55 %) вызывают рост упруго-вязкостных характеристик гелей желатины (Сж = 5 %), которые становятся более жёсткими. Автор объяснил модифицирующее влияние глицерина упрочнением нековалентных связей, стабилизирующих конформационное состояние макромолекул желатины, их агрегаты и пространственную сетку геля.
Для дальнейших исследований была принята концентрация глицерина 9 %, соответствующая используемой в традиционной рецептуре желатиновой основы. Данная концентрация глицерина лежит в области концентраций, оказывающих наибольший пластифицирующий эффект на свойства растворов желатиновой основы (рис. 3.19).
При определённых условиях полисахариды могут оказывать стабилизирующее действие на белковые структуры - увеличивать вязкость растворов, упругость гелей, скорость гелеобразования, температуру плавления гелей и т. д. (раздел 1.2). В данном разделе рассматриваются добавки полисахаридов, как средство оптимизации процесса капсулирования и структурно-реологических свойств желатиновой оболочки капсул жирорастворимых продуктов питания. Исследовали влияние агар-агара, хитозана и альгината натрия на реологические свойства растворов желатиновой основы (т. е. растворов желатины с добавками глицерина) методом ротационной вискозиметрии. Условия эксперимента аналогичны указанным в пп 3.2.1.1.
При исследовании влияния агара на структурно-механические свойства растворов желатиновой основы использовали желатину К-13, партия № 2, при концентрации Сж = 28 %. Концентрация глицерина оставалась постоянной Сгл=9 %, концентрацию агара Са варьировали от 0,1 до 0,7 %.
Были получены зависимости эффективной вязкости Г от скорости сдвига s (рис. 3.17) и кривые течения с(Р) и г(Р) (рис. 3.18) растворов желатины с добавками глицерина и агара при разных концентрациях агара. На рис 3.20 представлены зависимости реологических параметров растворов желатиновой основы - вязкостей г0, л Лт, определённых из кривых течения, от концентрации агара Са. Внесение агара вызывает рост реологических характеристик растворов. Так уже при Са = 0,1 % г0 возрастет по сравнению с раствором без агара от 2,18 до 4,10 Па-с, a rm - от 0,62 до 9,20 Па-с. Пределы пластического Рк и ньютоновского Рт течения в диапазоне концентраций агара от 0 до 0,7 % меняются от 4,2 до 8 Па и от 8,4 до 11,5 Па соответственно (таблица 3.3).
Реологические свойства растворов желатиновой основы с добавками кислоторастворимого хитозана исследовали с использованием желатины 275 при концентрациях: желатины Сж=28 %, глицерина Сгл=9 % и лимонной кислоты Слк=0,1 %. рН растворов желатиновой основы равен 5,0. Экспериментально доказано и подтверждено литературными данными [85], что добавка антисептика - лимонной кислоты данной концентрации не влияет на физико-химические свойства желатиновой основы. Концентрацию хитозана Сх увеличивали от 0,1 до 1 %.
Зависимости эффективной вязкости г\ от скорости сдвига s растворов желатины с добавками глицерина, лимонной кислоты и хитозана при разных концентрациях хитозана низкой (68 %) и высокой (98 %) степенях деацетилирования (СДА) представлены на рис. 3.21 а и б, соответственно. Кривые течения с(Р) и Г)(Р) растворов желатины с добавками глицерина, лимонной кислоты и хитозана представлены на рис. 3.22 (для хитозана низкой СДА) и рис. 3.23 (для хитозана высокой СДА). На рис. 3.24 представлены зависимости полученных из кривых течения реологических параметров г0, rm, Рк и Рт растворов желатиновой основы от концентрации хитозана Сх при СДА полисахарида 68 и 98 %. Увеличение концентрации хитозана вызывает рост реологических параметров растворов, при этом больший эффект вызывает хитозан с высокой СДА. Например, добавка хитозана при Сх = 1 % и СДА 68 и 98 % вызывает увеличение реологических параметров по сравнению с раствором без полисахарида: г0- от 3,2 до 20,2 и 25 Па-с; rm - от 0,42 до 0,99 и 1,08 Па-с; Рк - от 2,05 до 4 и 5,5 Па; Рт - от 4,6 до 13,4 и 15 Па, соответственно.
Анализ экспериментальных данных даёт возможность предположить, что в растворах желатиновой основы (водных системах желатины с глицерином) с добавками полисахаридов, в соответствии с [75, 76], образуются комплексы, в которых макроионы анионогенной агарозы (с агаропектином) и катионогенного хитозана служат ядрами, а макроионы желатины - лигандами (рис. 1.6). При увеличении концентрации полисахаридов возрастает количество вязких элементов пространственной структуры раствора - неупорядоченных макроионов полисахаридов, что выражается в росте реологических параметров растворов. Подобный эффект наблюдался Птичкиной с сотрудниками при исследовании ползучести комплексных гелей «желатин a-NaKML],» при суммарной концентрации полимеров 5 % [58, 129]. Авторами было обнаружено, что рост концентрации полисахарида вызывает увеличение относительного вклада вязкой составляющей пространственной сетки геля.
Разработка технических требований и подбор технологического оборудования для аппаратурного оформления усовершенствованного процесса
Расчёт ожидаемого экономического эффекта от внедрения усовершенствованной технологии капсулирования пищевых продуктов на основе рыбных жиров с использованием в качестве модифицирующих добавок хитозана и альгината натрия (рецептуры № 3, 4 в соответствии с таблицей 3.10) на ЗАО «МЕД-КАП» выполнен в ценах 1999 года с учётом полученных в ходе исследования экспериментальных данных, а также норм и нормативов, действующих на указанном предприятии (Приложение 7). Расчёт экономического эффекта проведён для выпуска капсулированного препарата «Полиен».
Величина капитальных вложений включает в себя затраты на технологическое оборудование с учётом его монтажа и наладки, а также - стоимость производственных площадей. Предлагаемое усовершенствование технологии капсулирования не влияет на величину капитальных вложений.
Калькуляция себестоимости капсулированного препарата «Полиен», изготовленного по традиционной и усовершенствованной технологиям, представлена в таблице 3.16. Основные затраты при производстве готовой продукции приходятся на статьи «Сырьё» и «Материалы и тара». Усовершенствование технологии (использование модифицирующих добавок хитозана и альгината натрия) оказывает влияние только на величину наиболее значительной статьи затрат - «Сырьё». При этом годовые затраты на сырьё при использовании хитозана снижаются на 157,04 тыс. руб, а при использовании альгината натрия - на 111,92 тыс. руб. Иными словами, при использовании хитозана полная себестоимость продукции снижается на 11,3 %„ а при использовании альгината натрия - на 8,1 %. Уменьшение затрат на сырьё объясняется значительным снижением потерь сырья в процессе капсулирования при использовании модифицирующих добавок полисахаридов.
Прогнозируемый годовой экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии капсулирования пищевых продуктов на основе рыбных жиров в масштабах России с учётом населения страны 140 млн. человек и норме потребления капсулированного продукта 7 г в день составляет 15,8 млрд. руб при использовании альгината натрия и 17,6 млрд. руб при использовании хитозана. Для сравнения при использовании традиционной технологии прогнозируемый годовой экономический эффект составляет 11,4 млрд. руб. Таким образом, использование альгината натрия в данной технологии позволит получить в масштабах страны дополнительную прибыль 4,4 млрд. руб, использование хитозана - 6,2 млрд. руб. 1. Предложен способ совершенствования процесса капсулирования рыбных жиров путем использования многокомпонентных гелей систем «желатина- полисахарид», обладающих максимальными реологическими параметрами и повышенной скоростью структурообразования. 2. Установлены основные закономерности гелеобразования смесей желатины с ионными полисахаридами при рН выше изоэлектрической точки желатины при варьировании состава и температуры. Показано, что комплексные гели при данных условиях обладают повышенной прочностью, пластичностью, вязкостью; выявлен синергизм реологических свойств; найдены соотношения биополимеров системы «желатина-альгинат натрия» [(1,3-5,4)-10" г ан/г ж], при которых гели обладают максимальными реологическими параметрами. 3. Показано, что введение полисахарида в гель желатины приводит к росту числа и прочности связей в пространственной сетке многокомпонентного геля, возрастанию температуры плавления. Рассчитаны теплоты гелеобразования ДНГ комплексных гелей желатины с альгинатом натрия, которые составляют -160 -т- -210 кДж/моль при Сж=1,0 % и -21 -е- -28 кДж/моль при Сж=25-29 %. 4. Разработаны математические модели, адекватно описывающие зависимость кинематической вязкости растворов (при 60 С), температуры и скорости плавления гелей систем «желатина-альгинат натрия-глицерин-вода» от концентрации биополимеров в области факторного пространства: концентрация желатины Сж от 25 до 29 % и концентрация альгината натрия Сан от 0,05 до 0,15 %. Определены оптимальные параметры процесса гелеобразования: Сж=28 %, Сан=0,11 %. 5. Разработаны рецептуры желатиновой основы с оптимальными концентрациями хитозана и альгината натрия для капсулирования пищевых продуктов на основе рыбных жиров. Показана возможность снижения расхода желатины при сохранении прочностных характеристик геля макрокапсулы. 6. Проведены опытно-промышленные испытания предложенных рецептур желатиновой основы. Изготовлены экспериментально-промышленные партии капсулированного препарата «Полиен» (концентрата со-3 полиненасыщенных жирных кислот в рыбном жире), полностью отвечающего требованиям действующей нормативной документации. Показано увеличение выхода готового продукта по сравнению с нормами, установленными для традиционной технологии. 7. Разработана и утверждена нормативная документация - «Технологическая инструкция по изготовлению желатиновой основы» (ТИ 004-99). 8. Определены технические требования к оборудованию для аппаратурного оформления усовершенствованного процесса капсулирования рыбных жиров. 9. Показано, что усовершенствование процесса капсулирования жирорастворимых пищевых продуктов (препарат «Полиен») путем использования полисахаридов позволит получить годовую экономическую эффективность (в ценах 1999 года): 398,6 тыс. руб. при использовании альгината натрия, 443,8 тыс. руб. при использовании хитозана.
