Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 8
1.1. Физико-химические и физиологические свойства лактулозы 8
1.2. Анализ рынка производителей лактулозы 17
1.3. Особенности технологии получения лактулозы 27
1.4. Заключение по обзору литературы и задачи исследований 38
ГЛАВА 2. Организация, объекты и методы исследований 40
2.1. Организация выполнения работы 40
2.2. Объекты исследований 42
2.3. Методы исследований 43
2.4. Описание сушильной установки 50
ГЛАВА 3. Результаты исследований и их обсуждение 55
3.1. Исследование влияния технологических параметров распылительной сушки на выход лактулозы 55
3.2. Изучение влияния технологических параметров распылительной сушки на качественные показатели готового продукта 67
3.3. Изучение микроструктуры сухой лактулозы 80
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований 85
4.1. Технологическая схема производства сухой лактулозы 85
4.2. Состав и свойства сухой лактулозы 88
4.3. Оценка экономической эффективности производства порошка лактулозы методом распылительной сушки 100
Выводы 104
Список литературы 106
- Анализ рынка производителей лактулозы
- Объекты исследований
- Изучение влияния технологических параметров распылительной сушки на качественные показатели готового продукта
- Состав и свойства сухой лактулозы
Анализ рынка производителей лактулозы
Лактулоза - углевод, относящийся к классу олигосахаридов и подклассу дисахаридов, его молекула состоит из остатков галактозы и фруктозы. Связь осуществляется между первым и четвертым атомами углерода - 1-4 связь. Химическое название лактулозы по современной номенклатуре - 4-0-(З-Б-галактопиранозил-О-фруктоза [8, 36, 65]. Строение молекулы лактулозы целесообразно представить в виде конформационной, структурной и циклической формул (рисунок 1.1.1).
Как видно из рисунка 1.1.1, теоретически возможно существование пяти конформаций лактулозы: а- или Р-пиранозной, а- или Р-фуранозной и ациклической. Методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопии) кристаллической лактулозы в ангидридной форме, полученной тремя различными способами, было установлено, что во всех образцах Р-фруктофуранозная форма преобладает над а-фруктофуранозной и Р-фруктопиранозной, при соотношении соответственно 0,745:0,100:0,155. Однако многочисленные исследования не привели к обнаружению остатков двух других форм. Несмотря на это большинство ученых считают, что в водном растворе в равном отношении с ациклической формой находятся все четыре циклических изомера
Строение молекулы лактулозы: а) конформационные изомеры лактулозы; б) структурная молекула по Э.Фишеру; в) циклическая формула по У. Хеуорсу Лактулоза представляет собой белое кристаллическое вещество, не имеющее запаха, хорошо растворимое в воде. Данный пребиотик слаще, чем лактоза, но является менее сладкой по сравнению с сахарозой. Лактулоза подвергается перекристаллизации из раствора с массовой долей метанола 50% в виде гексагональных бесцветных пластин, при этом получается ангидридная форма. На сегодняшний день с помощью кристаллизации лактулозы в водном растворе удалось получить углевод в тригидратной форме, обладающий целым рядом отличий от ангидридной, в числе которых даже физико-химические свойства. Так, например, ангидридная форма очень гигроскопична - при 30С и влажности 81% уже через 24 ч влажность кристаллов повышается до 7%, а через 48 ч - до 20%. Тригидратная форма лактулозы обладает еще одним важным отличием - при соблюдении тех же условий кристаллы данной формы не меняют основных своих свойств, хотя при нагревании более 37С возможна потеря кристаллизационной воды. Поэтому их хранят при относительно низких температурах [15, 26, 48, 54].
Однако даже если лактулоза имеет кристаллическое строение, свойства ее форм будут отличаться не только по точке плавления, но и по теплоте растворения. Вышеперечисленные свойства относятся к физико-химическим. Они приведены в сравнении с лактозой в таблице 1.1.1.
В результате неоднократных исследований сухой лактулозы с различной массовой долей этого углевода, установлено, что кристаллические формы лактулозы обладают хорошей растворимостью в воде и водных растворах кислот и щелочей. Однако основной особенностью тригидратных форм является способность к кристаллизации при более низких температурах [55, 66, 73].
Такое важное потребительское свойство любого углевода, в том числе и лактулозы, как сладость - определяется конформацией его молекулы. Для сенсорной оценки сладости лактулозы, применяется балльная шкала, по которой сахароза обладает эталонной сладостью, равной 1 баллу [75, 85,141].
Согласно основным теоретическим положениям химии углеводов, различают два важнейших механизма распада лактулозы. Первый механизм предусматривает отщепление галактозильного остатка и образование изосаха-риновой кислоты. Эта реакция считается наиболее вероятной причиной распада лактулозы в щелочной среде при повышенной температуре и появления побочных продуктов расщепления реакции изомеризации. Второй механизм предусматривает переход через енольную форму с помощью эпимеризации и распада галактозилманнозы на простые сахара [123,124,137,141].
На физико-химических свойствах лактулозы основаны методы её определения. Наиболее распространённые из них - это хроматографические методы определения углеводов, также применяются спектрофотометрические методы определения, которые основаны на измерении интенсивности окраски комплексов, которые образуются при реакции этого углевода с рядом алифатических соединений. Поляриметрический метод определения основан на специфической оптической активности углеводов. Для производственного контроля рекомендованы спектрофотометриче-ский и поляриметрический методы определения лактулозы [22, 27, 31].
Желудочно-кишечный тракт - это очень сложная экосистема, которая находится в тесном взаимодействии с микроорганизмом и оказывает большое влияние на формирование его нормобиоценоза в целом [1, 10, 17, 19].
Уже более 20 лет лактулоза является признанным бифидус-фактором, и как следствие - широко применяется во многих странах мира.
Бифи до бактерии - это наиболее значимые представители нормальной микрофлоры кишечника. Они выполняют ряд важнейших функций. Основным свойством бифидобактерий является осуществление физиологической защиты от микробов, токсинов и условно патогенных микроорганизмов. Бифидобактерий способны синтезировать целый ряд аминокислот и белков, витамин К, пантотеновую кислоту, витамины группы В [30, 32, 35, 42].
В случае увеличения уровня факторов, способных воздействовать на человеческий организм, равновесие микробиоценозов смещается. Это приводит к выходу из строя биологического равновесия, при этом возможно значительное уменьшение уровня полезной микрофлоры кишечника. К факторам, влияющим на организм человека относят: экзогенные факторы (условия экологической обстановки в регионе, качество питания, особенности профессионально-бытовой деятельности) и эндогенные (соматические и инфекционные заболевания, терапия с помощью лекарственных средств, врождённые или приобретённые иммуно дефициты).
Объекты исследований
На разных этапах работы объектами исследований являлись: - растворы с массовой долей лактулозы 20-60% (ООО «Шехонь-Лактулоза», Россия); - вода дистиллированная, соответствующая ГОСТ 6709-72 «Вода дистиллированная. Технические условия»;
Для получения растворов лактулозы с различной концентрацией взят раствор с массовой долей лактулозы 50%, соответствующий требованиям ТУ 9229-003-39185375-2003, и произведено его разбавление до получения растворов с массовой долей лактулозы 20-40% и досгущение для получения раствора с массовой долей лактулозы 60%. - N-триметилсилилимидазол (Panreac, Испания);
Массовую долю сухих веществ в растворах лактулозы определяли рефрактометрическим методом по ГОСТ 24908-84.
Массовую долю лактулозы и других углеводов в растворах и сухой лактулозе определяли методом газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) с помощью хроматографа GCMS-QP2010 Ultra (Shimadzu, Япония).
Метод газо-жидкостной хроматографии, основан на переводе сахаридов в летучие триметилсилильные производные с последующим их разделением на ГЖХ-колонке и определением пламенно-ионизационным детектором.
Сущность метода заключается в следующем. Анализируемый образец, предварительно высушенный и обезжиренный, обрабатывали N-триметилсилилимидазолом при температуре 60-70 С в течение 1-2 ч. Затем к смеси добавили точный объем гексана, избыток которого гидролизуется водой, после чего аликвоту гексановой фазы инжектировали в хроматограф. Разделение углеводов проводилось на насадочной колонке с полярной фазой в изотермическом режиме. Моносахариды при этом выходили с фронтом растворителя, лактоза - в виде двух пиков, соответствующим альфа- и бета-аномерам, а лактулоза - в виде одного пика.
В ходе эксперимента газ-носитель из баллона при повышении давления непрерывно поступает в блок подготовки, где дополнительно очищается. Устройство для ввода пробы представляет собой проточную независимо тер-мостатируемую цилиндрическую камеру. Анализируемая проба (1-10 мкл) вводилась в поток газа при повышенной температуре автоматическим дозатором через резиновую термостойкую мембрану, при этом жидкая проба быстро испаряется и потоком газа переносится в хроматографическую колонку, находящуюся в термостате. Разделение проводили при 20-400 С. Иногда для аналитического разделения используют насадочные колонки длиной 0,5-5 м и диаметром 0,2-0,6 см. Насадкой служат твердый сорбент с развитой поверхно-стью (50-500 м /г). Регистратор записывает изменение сигнала во времени.
Количественное содержание лактулозы, лактозы и других присутствующих углеводов рассчитывали методом внутреннего стандарта с использованием предварительно проведенной калибровки.
Органолептические показатели исследуемых образцов определяли в следующей последовательности: - внешний вид и консистенция: характеризовали общее зрительное впечатление о продукте (характер поверхности, однородность, форма); - цвет: устанавливали цвет для разработанного продукта, а также отклонения от цвета; - запах: определяли типичен ли аромат для данного вида продукта. - вкус: определяли, типичен ли вкус для данного вида продукта. Качество готового продукта оценивалось по таким показателям, как размер частиц, влажность, индекс растворимости и гигроскопичность. Индекс растворимости определяли по ГОСТ 30305.4.95. Проводили параллельно два измерения. Восстановленный продукт перемешивали, за-полняли им пластиковые пробирки Falcon до метки «10 см » и закрывали пробками. Пробирки центрифугировали в течение 5±1 мин. По окончании центрифугирования при отсутствии четкой границы, надосадочную жидкость сливали, оставляя над осадком её слой высотой около 5 мм. Затем до-ливали в пробирки воду температурой 25±1 С до метки «10 см », перемешивали содержимое пробирок палочкой, закрывали пробками и центрифугировали еще 5±1 мин. После появления различимой границы проводят оценку объема выпавшего осадка.
Микроструктуру определяли микроскопированием образца лактулозы на прямом световом микроскопе - AxioVert.Al (Carl Zeiss AG, Germany), используя объективы с увеличением х20, х40.
Массовую долю влаги определяли на аналоге прибора Чижовой Элекс-7 (Элекс-Ульяновск, Россия) по ГОСТ 30305.1.
Принцип работы прибора заключается в обезвоживании выпариванием образца сырья за счет его прогрева при требуемой температуре в течение заданного времени. Обезвоживание образцов производится в специальных пакетах из слабо приклеенной бумаги типа ротаторной или газетной.
В высушенный и взвешенный на аналитических весах с точностью до 0,01 г бумажный пакет помещали навеску сухой лактулозы массой 4-6 г, равномерно распределив ее по всей площади пакета. Для приготовления пакетов использовали бумажные фильтры диаметром 11 - 12,5 мм.
Пакет с содержимым взвешивали и помещали между плитами прибора. Высушивание при температуре 80±0,5 С проводили в течение 5±1 мин. Высушенный пакет с лактулозой охлаждали до комнатной температуры в эксикаторе, а затем взвешивали.
Гигроскопичность порошков сухой лактулозы определяли с помощью эксикатора, на дно которого наливается 3 см дистиллированной воды. Для этого навеску сухой лактулозы помещали в стаканчике для взвешивания в эксикатор. На эксикаторную вкладку ставили не более 6 бюкс равномерно по всей поверхности вкладки. С бюкс, поставленных в эксикатор, снимали крышки и клали их рядом с бюксами. Эксикатор закрывали крышкой.
Изучение влияния технологических параметров распылительной сушки на качественные показатели готового продукта
Оптимальные значения скорости потока воздуха приведены на рисунке 3.2.7. Установлено, что оптимальным диапазоном значений скорости потока воздуха, при котором выход готового продукта максимален, а массовая доля влаги в нем минимальна, является 15-25 м /час.
Лактулоза является высокогидрофильным веществом, способным обмениваться влагой с окружающей средой. Она обладает энергетически ненасыщенными участками, которые называются активными центрами сорбции и способны связывать одну или несколько молекул воды. Данное вещество активно взаимодействует с водой в любых условиях сопряжения. Сама структурная форма молекулы воды определяет ее высокую реакционную способность посредством образования водородной связи. Водородная связь отличается высокой подвижностью, поэтому даже при незначительном изменении параметров процесса взаимодействия материала с водой, происходят заметные преобразования его свойств. Другими словами, при изменении температуры, влагонасыщенности атмосферы или давления происходят ответные изменения в структуре и свойствах объектов хранения или переработки [76].
Гидрофильность продукта с течением времени приводит к потере им органолептических свойств, вызывает ухудшение растворимости и невозможность правильного дозирования материала, что является важным параметром для использования пребиотиков в здоровом питании [22].
Также увлажнение стимулирует развитие микробиологических процессов, в результате которых накапливаются продукты разложения Сахаров, снижается рН, происходит инверсия. Это приводит к потере активных свойств лактулозы, а в худших случаях различные виды порчи продукта могут негативно воздействовать на здоровье потребителя [178].
В связи с вышеизложенным, проведено исследование лактулозы на гигроскопичность с использованием эксикатора. Результаты показывают, что концентрация лактулозы и гигроскопичность находятся в обратно пропорциональной зависимости друг от друга - чем выше концентрация вещества в исходном растворе, тем менее гигроскопичным оно является. Активная кислотность является показателем качества продукции. По значению этого показателя можно судить о степени деструкции Сахаров в продукте.
В настоящей работе определяли изменение активной кислотности раствора лактулозы под влиянием тепловой обработки. Зависимость изменения активной кислотности от температуры разогрева образца сухой лактулозы показана на рисунке 3.2.8.
Результаты исследований, представленные на рисунке 3.2.8, свидетельствует о снижении показателя активной кислотности при повышении температуры обработки. Начальное значение рН раствора лактулозы с массовой долей 50 % равное 4,7 обусловлено присутствием в исходном растворе органических кислот, таких как молочная кислота и в меньшей степени уксусная и муравьиная. Максимальное значение показателя кислотности наблюдается в не подвергнутом термическому воздействию образце и равно для него 4,7. Для образца прошедшего обработку при 100С наблюдается минимальное значение показателя активной кислотности и оно равно 3,75. Резкое изменение активной кислотности от 4,7 до 3,82 начинается при температурах обработки раствора от 20С до 40С. Далее происходит более плавное от 3,82 до 3,78 понижение кислотности при температурах от 40С до 70С.
Данный факт, вероятно, связан с образованием продуктов деструкции лактулозы и смещением рН раствора в кислую сторону.
Порошкообразные пищевые продукты являются двухфазными системами, в которых твердые частицы дисперсной фазы распределены в газовой (воздушной) дисперсионной среде и характеризуются высокой межфазной поверхностью. Наличие этой поверхности обусловливает важнейшие технологические свойства порошков, к которым относятся: сыпучесть, определяемая величиной, обратной вязкости; уплотняемость, характеризуемая изменением объема порошка под действием динамической нагрузки (липкость); слеживаемость в процессе хранения, связанная с образованием структур, прочность которых превышает первоначальную.
В основе слеживания и комкования порошков лежат процессы структу-рообразования, обусловленные самопроизвольным соединением частиц дисперсной фазы в пространственные структуры. Можно выделить две основные причины, лежащие в основе такого самопроизвольного соединения частиц в порошкообразных продуктах [151]. Первой причиной слеживания и комкования водорастворимых порошков лактулозы является возникновение мостиков срастания между частицами порошка вследствие его увлажнения при длительном хранении на воздухе, второй - увеличение площади контакта между частицами за счет пластической деформации под действием массы вышележащих слоев [49, 151].
Слеживание и комкование порошкообразных пищевых продуктов приводят к снижению сыпучести и ухудшению их потребительских свойств, а в экстремальном случае — к полной потере качества порошка [52, 63].
Для обеспечения необходимой сыпучести пищевых порошков на протяжении всего установленного срока хранения в них вводят твердые высокодисперсные нерастворимые в воде добавки, поглощающие влагу или препятствующие увеличению площади контакта между частицами. Для предотвращения слеживания гигроскопичных порошков применяют также гидрофоби-зацию поверхности частиц с помощью поверхностно-активных веществ. Молекулы ПАВ, адсорбируясь на поверхности твердых частиц, покрывают их тонкой пленкой, что создает барьер для влаги, провоцирующей слеживание и образование комков [63, 73].
Зачастую такие добавки значительно увеличивают себестоимость готового продукта. В случае пребиотических продуктов, к которым относится лактулоза, недопустимо внесение таких веществ, поскольку они понижают полезные свойства продукта [16].
С этой целью в ходе исследований была изучена микроструктура сухого препарата. На рисунках 3.3.1-3.3.4 представлена микроструктура порошков лактулозы, полученных способом распылительной сушки при различных температурах.
Как видно из рисунков 3.3.1-3.3.4, высушенные образцы лактулозы состоят из размера частицы 7±0,2 мкм, с гладкой поверхностью круглой и овальной формы, что говорит об однородности полученного продукта. Рисунок 3.3.1 - Микроструктура порошка лактулозы, полученного при температуре сушки 100±1С (кратность увеличения 200 раз)
Микроструктура порошка лактулозы, полученного при температуре сушки 120±1С (кратность увеличения 200 раз) Образцы, представленные на рисунках 3.3.1 и 3.3.2, имеют рыхлую липкую консистенцию. Образец, представленный на рисунке 3.3.3, имеет рыхлую консистенцию, но менее липкую, чем у образцов, полученных при температуре сушки 100±1 С и 120±1 С. Образец, полученный при температуре 150±1 С (рисунок 3.3.4), обладает кристаллической структурой вследствие частичной карамелизации образца. Также образец имеет более сыпучую консистенцию.
Состав и свойства сухой лактулозы
Помещение по мере возможности должно быть расположено в северной стороне здания, хорошо и равномерно освещено. Освещение может быть естественным и искусственным, причем последний не должен изменять натуральную окраску продукта, что особенно важно при обнаружении различий в оттенках цвета. Независимо от дневного света помещение должно иметь потолочное люминесцентное освещение, обеспечивающее хорошую освещенность в пределах 100-200 люкс.
Для обеспечения равномерного, рассеянного света стены должны быть белого, кремового или светло-серого цвета. Для анализа необходимо использовать: поварскую иглу, ложки из нержавеющей стали для отбора проб жидких блюд; ножи, вилки из нержавеющей стали для отбора проб блюд с плотной консистенцией; чайник с кипятком для ополаскивания приборов; тарелки или блюда для отбора проб; черпаки для отбора проб из котлов; стаканы с холодным чаем (черным, байховым) или водой; хлеб пшеничный из муки высшего, 1-го или 2-го сортов; блокнот и карандаш для записей [73].
С целью более подробного изучения процесса производства сухой лакту-лозы из раствора проводили оценку органолептических характеристик готового продукта. Результаты исследований органолептических показателей порошка лактулозы представлены в таблице 4.2.1.
Из органолептического анализа (таблица 4.2.1) выходит, что готовый продукт представляет собой мелкодисперсный порошок, обладающий высокой гигроскопичностью. Вкус и запах продукта - сладкий и чистый, без посторонних привкусов и запахов. Цвет порошка - от белого до слабо-желтого.
Следующим этапом исследований стало изучение физико-химических показателей порошков лактулозы. Физико-химические методы отличаются повышенной чувствительностью и избирательностью, требуют незначительное количество анализируемых материалов. Во многих случаях здесь отпадает необходимость выделения определяемых компонентов из анализируемых материалов, а на весь ход анализа иногда требуется всего несколько минут. Поэтому физико-химический контроль позволяет быстро собрать необходимую информацию для оценки качества разнообразных товаров. Он позволяет определить уровень чистоты веществ, наличие и вид примесей.
Доступным и освоенным способом определения углеводов является метод газожидкостной хроматографии. Он основан на переводе сахаридов в летучие триметилсилильные производные с последующим их разделением на ГЖХ-колонке и определением пламенно-ионизационным детектором.
По результатам проведенной хроматографии (рисунок 4.2.1) можно установить, что массовая доля лактулозы в исходном сиропе составляет 50%, что соответствует расчетным данным при приготовлении раствора.
Газожидкостная хроматограмма сухой лактулозы Данные, полученные при анализе высушенной лактулозы (рисунок 4.2.2), указывают, что содержание лактулозы в готовом продукте 38,5%.
Таким образом, в результате химических превращений потери лактулозы при высушивании составляют 3,5%, что является допустимым значением при использовании распылительной сушки.
Исходя из физико-химических показателей сухой лактулозы, можно сказать, что готовый продукт отвечает требованиям качества, предъявляемым к сухим порошкам лактулозы. Микробиологические показатели позволяют контролировать технологический процесс и санитарно-гигиенические условия производства. Результаты микробиологических исследований готового продукта представлены в таблице 4.2.3.
По полученным результатам микробиологических исследований после выработки сухих порошков лактулозы можно сделать вывод о том, что разработанная технология позволяет получать готовый продукт, удовлетворяющий микробиологическим показателям, установленным в СанПиН 2.3.2.1078-01.
Помимо микробиологических исследований также были проведены исследования на содержание токсичных элементов в продуктах после выработки. Полученные данные представлены в таблице 4.2.4. Результаты свидетельствуют о том, что миграции токсичных элементов в продукт не отмечается, контролируемые потенциально опасные химические вещества содержатся в продукте в концентрациях, более чем на порядок не превышающих установленных нормативов.
Согласно ГОСТ Р 51074-2003 срок хранения - это период, в течение которого пищевой продукт при соблюдении установленных условий хранения сохраняет свойства, указанные в нормативном или техническом документе. Истечение срока хранения не означает, что продукт не пригоден для использования по назначению. Другими словами, на протяжении этого срока продукт полностью сохраняет вкус, консистенцию, аромат и полезные качества в таком же виде, как и при выпуске.
В процессе исследований на основании МУК 4.2.1847-04 «Санитарно-эпидемиологическая оценка обоснования сроков годности и условий хране 97 ния пищевых продуктов» при нормальных условиях хранения (температура воздуха не выше 24 С, влажность воздуха не выше 75 %) определяли срок годности порошков лактулозы, полученных методом распылительной сушки.
Для определения сроков хранения сухой лактулозы был использован метод, основанный на фиксировании изменения активной кислотности продукта. Изменение показателя рН обусловлено образованием кислых продуктов реакции ферментирования Сахаров микроорганизмами.
Для проведения анализа сухую лактулозу смешивали с индикатором тимоловым синим и упаковывали в прозрачную герметичную упаковку. Индикатор при этом имел желтую окраску. Так же упаковывалась проба без индикатора.
Контрольная точка определялась по изменению окраски индикатора с желтой на малиново-красную. После этого проводился анализ органолепти-ческих и физико-химических показателей.
Анализ полученных результатов показал, что по содержанию санитар-но-показательных и патогенных микроорганизмов исследуемые образцы отличаются высокой надежностью, поскольку искомые микроорганизмы (бактерии группы кишечной палочки, золотистый стафилококк, сальмонеллы) в нормируемых массах продукта не обнаружены.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что при хранении в упакованном виде при температуре не выше 25±1 С и влажности воздуха не выше 75% в сухом виде лактулоза может храниться до двух лет без существенных потерь своих качеств.
