Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. Химический состав и свойства молочной сыворотки 8
1.2. Переработка молочной сыворотки на напитки и молочные десерты 13
1.3. Экстракционный процесс - основа производства новых видов продуктов 18
1.3.1. Характеристика процесса экстрагирования и его применение в пищевой промышленности 18
1.3.2. Факторы, влияющие на полноту и скорость извлечения действующих веществ из фитосырья при экстракции 23
1.4. Характеристика химического состава и свойств некоторых лекарственных трав Западной Сибири 26
1.5. Заключение по литературному обзору, цели и задачи исследований 32
Глава 2. Постановка эксперимента, объекты и методы исследований 36
2.1. Постановка эксперимента 36
2.2. Объекты исследований 38
2.3. Методы исследований 39
2.4. Планирование эксперимента и обработка результатов исследований 41
Глава 3. Результаты исследований и обсуждение экспериментальных данных 42
3.1. Исследование влияния технологических факторов на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья в пермеат 42
3.2. Изучение влияния компонентного состава экстрагента (пермеата) на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья 58
3.3. Исследование влияния различных факторов на органолепти- ческие показатели неферментированных фитонапитков из пермеата 62
3.3.1. Влияние композиций из лекарственных трав 62
3.3.2. Влияние вида и дозы подсластителя и подкислителя 64
3.4. Выбор вида структурообразующей добавки для производства желированных продуктов 69
3.5. Исследование структурно-механических свойств желированных продуктов 71
3.5.1. Характеристика желе по показателям эффективной вязкости и напряжению сдвига 71
3.5.2. Влияние дозы желатина, сахара и кислотности на консистенцию желированных продуктов 78
3.6. Изучение влияния различных факторов на формирование вкуса желированных продуктов 84
Глава 4. Практическая реализация результатов исследования 90
4.1. Разработка технологической схемы производства неферментированных фитонапитков из пермеата 90
4.2. Разработка технологической схемы производства фитожеле 94
4.3. Изучение состава, пищевой и энергетической ценности фитонапитков «Валерия» и фитожеле «Диво» 96
4.4 Определение рациональных режимов хранения готовых продуктов 104
Выводы 109
Список литературы
- Переработка молочной сыворотки на напитки и молочные десерты
- Планирование эксперимента и обработка результатов исследований
- Изучение влияния компонентного состава экстрагента (пермеата) на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья
- Разработка технологической схемы производства неферментированных фитонапитков из пермеата
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации является создание технологий производства продуктов лечебно-профилактического назначения для предупреждения различных заболеваний и укрепления защитных функций организма, снижения риска воздействия вредных веществ, в том числе для населения, проживающего в зонах, экологически неблагоприятных по различным видам загрязнения.
Результаты регулярных массовых обследований, проводимых институтом питания РАМН, другими медицинскими организациями, свидетельствуют о крайне недостаточном потреблении витаминов, ряда минеральных веществ и микроэлементов у большей части детского и взрослого населения России. Особенно неблагоприятно обстоит дело с обеспеченностью витамином С, недостаток которого, по обобщенным данным, выявляется у 80 - 90 % людей, а глубина дефицита достигает 50 - 80 %. У 40 - 80 % населения недостаточна обеспеченность витаминами Bi, В2, В6, фолиевой кислотой, более 40 % населения России испытывает недостаток каротина.
Недостаточное потребление витаминов крайне отрицательно сказывается на здоровье человека: ухудшается самочувствие, снижается физическая и умственная работоспособность, сопротивляемость простудным, инфекционным заболеваниям, усиливается отрицательное воздействие на организм вредных условий труда и внешней среды, усугубляется течение любых болезней, задерживается их успешное лечение. Недостаток витаминов повышает чувствительность организма к воздействию повышенного радиационного фона, увеличивает риск онкологических заболеваний.
Проблема оптимальной обеспеченности населения витаминами и минеральными веществами в современных условиях оказывается неразрешимой
традиционными методами, то есть только за счет потребления натуральных продуктов (овощей, фруктов). Она требует качественно новых подходов.
Надежным путем, гарантирующим эффективное решение этой проблемы, является включение в рацион специализированных пищевых продуктов, обогащенных ценными биологически активными веществами до уровня, соответствующего физиологическим потребностям организма человека. Добавление витаминов и минеральных веществ в продукты питания в процессе производства обеспечивает доведение их до самых широких масс населения, повышение биологической ценности пищи без какого-либо увеличения ее калорийности.
Пищевые продукты, обогащенные витаминами и минеральными веществами, входят в обширную группу продуктов функционального назначения, то есть обогащенных функциональными физиологически полезными пищевыми ингредиентами, улучшающими здоровье человека.
В России, как и в других странах, отмечается устойчивая тенденция повышения интереса к потреблению пищевых продуктов и лечебно-профилактических препаратов из экологически безопасного растительного сырья. Получило признание и находит широкое применение в пищевой и медицинской промышленности природное растительное сырье - лекарственные травы, плоды и ягоды, а также пряно-вкусовые и эфирномасличные растения, биологически активная продукция пчеловодства.
Растительное сырье служит одним из основных источников витаминов, минеральных солей, макро- и микроэлементов и других биологически активных веществ, которые даже в минимальном количестве оказывают оздоровительное и защитное действие. Растительное биологически активное сырье повышает питательные, и лечебные свойства пищи, а регулярное потребление таких продуктов снижает отрицательные последствия неблагополучных факторов как внешней, так и внутренней среды организма.
Многие научно-исследовательские учреждения проводят работу по созданию новых видов продуктов из фитосырья с целью более полного сохранения биологически активных веществ для последующего их использования. Это позволяет им выпускать высококачественную продукцию.
Создание безотходных и малоотходных технологий - постоянная и неотъемлемая часть научно-исследовательских работ, осуществляемых в мировой науке.
Постоянный рост производства белковых продуктов повышает и производство молочной сыворотки. Несмотря на большое количество научно-исследовательских разработок, направленных на рациональное использование сыворотки, проблема пока не решена. Решение ее обусловлено не только возможностью получения дополнительной продукции из побочного сырья, но и необходимостью предотвращения загрязнения окружающей среды. Молочная сыворотка имеет высокие показатели БПК (биологической потребности кислорода) и ХПК (химической потребности кислорода).
В то же время высоко эффективным путем коррекции структуры питания является создание комбинированных пищевых продуктов. Теоретические и практические основы создания многофункциональных комбинированных продуктов с регулируемым составом и свойствами изложены в трудах А.А. Покровского, Н.Н. Липатова (ст), А.Г. Храмцова, Н.Н. Липатова (мл), Л.А.Остроумова, Позняковского В.М., и многих других исследователей.
В связи с этим представляется актуальной задача научного и практического обоснования исследования лекарственных трав для создания напитков и желе из молочной сыворотки с лечебно-профилактическими свойствами.
Переработка молочной сыворотки на напитки и молочные десерты
Проблема полного и рационального использования молочной сыворотки существует во всех странах с развитой молочной промышленностью. Это обусловлено значительными объемами молочной сыворотки, получаемой по традиционной технологии при производстве белково-жировых продуктов. В странах характеризующихся современной технологической базой (США, Канада, Германия, Франция, Швеция) молочная промышленность перерабатывает 50 -95 % сыворотки. В нашей стране ее промышленная переработка составляет около 50 %, в том числе на пищевые цели менее 20 %. Часть сыворотки сливается в канализацию без обработки, что наносит непоправимый ущерб окру-жающей среде (сброс в водоем 1м сыворотки загрязняет 600 м воды) [50].
В то же время, нарастающая индустриализация и научно-технический прогресс в различных областях жизни с точки зрения медицины и экологов уже не оценивается как исключительно прогрессивное явление. Ускорение темпов производства продуктов питания и сырья для них в ущерб натуральности и безопасности для человека уже сейчас приносит горькие плоды. Так на ряду с неблагоприятным воздействием техногенных и антропогенных факторов на первый план выходит все большее содержание в продовольственном сырье и продуктах питания пищевых добавок искусственного происхождения [16].
Одним из путей решения этой проблемы является выпуск продуктов на основе молочной сыворотки с натуральными ингредиентами, приносящими пользу здоровью людей, способные улучшить многие физиологические процессы в организме, позволяющие человеку долгое время сохранять активный образ жизни [79].
Учитывая актуальность проблемы, интерес ученых и практиков всего мира к поиску наиболее рациональных способов переработки и использования молочной сыворотки не только не ослабевает, но и из года в год возрастает. [50].
Стремление наиболее полно использовать в пищевых целях все биологически активные и питательные компоненты при минимальных энергетических, материальных и трудовых затратах на переработку определило одно из основных направлений использования молочной сыворотки - производство из нее напитков и молочных десертов [12, 17]. Это обусловлено следующими факторами [30]: свойствами и составом молочной сыворотки; относительной дешевизной и доступностью сырья; радикальным решением экологической проблемы использования компонентов молока; сезонным совпадением максимумов потребления населением напитков и производством молочной сыворотки на предприятиях; целесообразностью использования натуральной жидкой сыворотки в диетическом и лечебном питании.
За последние три десятилетия в России и за рубежом разработано значительное количество технологий напитков из сыворотки. При этом натуральная молочная сыворотка применяется в качестве основы напитков. Последующее обогащение основы необходимыми вкусовыми, ароматическими и другими добавками позволяет получить широкую гамму напитков, пользующихся спросом у различных групп потребителей [12].
Вопросам технологии переработки молочной сыворотки и использованию получаемых из нее продуктов посвящены обширные исследования Храмцова А.Г., Молочникова В.В., Свириденко Ю.Я., Нестеренко П.Г., Храмцова А.А. (мл.), Кравченко Э.Ф., Остроумова Л.А. [105,108,49, 72].
Существует большое разнообразие неферментированных напитков из молочной сыворотки. Технология приготовления таких напитков базируется на использовании молочной сыворотки без предварительной обработки (осветления) или после осветления в результате тепловой денатурации белков и последующего удаления осадка [102].
Напитки из неосветленной сыворотки представляют особую ценность, так как в них содержатся все составные части молочной сыворотки. К ним относятся напитки из сыворотки натуральной с добавлением и без добавления вкусовых и ароматических веществ (сыворотка питьевая, сывороточный напиток «Домашний» с сахаром, сывороточный напиток «Особый» с ванилином, сывороточный напиток «Степной» с кориандром). Ко второй группе относятся прохладительные напитки с наполнителями (неферментированный напиток «Любительский» из осветленной творожной сыворотки с введением томатного сока, поваренной соли и лимонной кислоты) [77, 94, 95,101].
Молокоподобные напитки по внешнему виду похожи на молоко, но отличаются от него по химическому составу и физико-химическим показателям. Для получения напитков этого типа наиболее логичным представляется смешивание сыворотки и молока.
Планирование эксперимента и обработка результатов исследований
Наиболее приемлемым способом извлечения действующих веществ из листовой массы растений является экстракция [34, 36]. Полнота и скорость экстракции являются равнодействующими многих факторов, влиянием которых можно управлять. Для изучения этого влияния и были проведены исследования.
Целью данного эксперимента является выявление факторов, влияющих на максимальное извлечение экстрактивных веществ, в том числе функционального ингредиента - витамина С, из фитосырья и установление рациональных параметров экстрагирования.
В качестве экстрагента использовали пермеат, полученный методом ультрафильтрации, богатый комплексом питательных компонентов (углеводов, минеральных солей, ферментов, витаминов, микроэлементов и др.). В качестве экстрагируемого материала использовали крапиву двудомную, которая широко распространена на территории Кемеровской области, дает стабильно высокие урожаи и является ценным поливитаминным, лекарственным и пищевым сырьем [57].
При планировании эксперимента применяли метод случайного баланса. При анализе литературных данных было выбрано шесть факторов, которые могли бы оказать влияние на извлечение экстрактивных веществ и витамина С из фитосырья в пермеат: температура экстрагирования (X]), продолжительность экстрагирования (Х2), массовая доля сухих веществ в пермеате (Хз), доза фитосырья (XV), доза сахара (Xs), и степень измельчения фитосырья (Хб).
Факторы варьировались на двух уровнях: нижний и верхний. Массовая доля сухих веществ в пермеате варьировалась в интервале от 2,5 до 5,0 % путем разбавления водой; доза фитосырья 0,8 % установлена на нижнем уровне как профилактическая доза, 2,4 % - как лечебная доза. Уровни для всех остальных факторов определялись технологическими условиями и возможностями эксперимента: температура экстрагирования варьировалась от 80 до 90 С; продолжительность экстрагирования от 30 до 120 минут; доза сахара в диапазоне от 0 до 3,0 % и степень измельчения фитосырья от 0,7 до 5,0 мм.
В качестве результирующих параметров выбраны: Yi - массовая доля экстрактивных веществ в экстракте и Y2 - массовая доля витамина С в экстракте.
Эти характеристики определяли соответственно как разность между массовыми долями сухих веществ и витамина С экстракта и экстрагента (пермеата) по следующим формулам: Y, = CB,-CB2; (3) Y2 = C,-C2. (4) где СВі - массовая доля сухих веществ в экстракте; CB2 - массовая доля сухих веществ в пермеате; Сі - массовая доля витамина С в экстракте; Сг - массовая доля витамина С в пермеате.
Условия, матрица и результаты исследований приведены в табл. 3.1.1.
Полученные результаты эксперимента обрабатывали по методикам [6, 21]. Факторы, подозреваемые на значимость, выделялись по диаграммам рассеяния (рис. 3.1.1,3.1.2).
Из диаграмм рассеяния следует, что на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья (Yi) наиболее существенное влияние оказывали три фактора: продолжительность экстрагирования (Х2), массовая доля сухих веществ в пермеате (Хз) и доза фитосырья QU), а на извлечение аскорбиновой кислоты оказывали влияние следующие факторы: продолжительность экстрагирования (Хг), массовая доля сухих веществ в пермеате (Хз) и доза сахара (Xs).
Затем составлялась новая матрица Y R (матрица полного факторного экспе-римента ПФЭ 2 ), содержащая только выделенные факторы. Полученные данные обрабатывали методом регрессионного анализа. Были получены математические модели, описывающие зависимость результирующих параметров от изучаемых факторов.
Изучение влияния компонентного состава экстрагента (пермеата) на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья
Из литературных источников известно, что творожная сыворотка является хорошим экстрагентом, т.е. обеспечивает эффективное извлечение экстрактивных веществ из фитосырья [34, 36, 37].
В ходе эксперимента изучали влияние компонентного состава экстрагента (пермеата) на извлечение экстрактивных веществ и некоторых микрокомпонентов (витамин С, минеральные вещества, дубильные и красящие вещества) из фитосырья.
Были проведены исследования по изучению влияния массовой доли лактозы (фактор Xi) и кислотности (фактор Х2) экстрагента на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья (Y) в экстракт. Массовую дозу лактозы варьировали в интервале от 0 до 5,0 %; молочной кислоты в пересчете на кислотность (Т) в интервале от 0 до 50 Т. Заданную концентрацию лактозы и молочной кислоты (по плану эксперимента) устанавливали путем растворения рассчитанного количества этих компонентов в дистиллированной воде. В полученном растворе (модели сыворотки) контролировали массовую долю сухих веществ. Содержание экстрактивных веществ фитосырья в полученных экстрактах определяли по разности между сухими веществами экстракта и экстрагента (модели сыворотки).
Получено уравнение регрессии и график зависимости для функции отклика массовая доля экстрактивных веществ. На рис. 3.2.1 представлен график зависимости массовой доли экстрактивных веществ от массовой доли лактозы. экстракция на воде. Из уравнения и графика следует, что на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья наиболее сильное влияние оказывает массовая доля лактозы. При увеличении кислотности массовая доля экстрактивных веществ в экстракте также увеличивается.
Из табл. 3.2.1 видно, что при проведении экстракции на воде в образце №1 содержится всего 2,60 мг% витамина С и 2,0 мг% дубильных и красящих веществ, при экстракции на воде с добавлением лактозы (образец №2) массовая доля витамина С в экстракте увеличилась до 4,90 мг%, а содержание дубильных и красящих веществ увеличилось в два раза. При проведении экстракции на подкисленной воде (образец №3) массовая доля витамина С, дубильных и красящих веществ в экстракте составила соответственно 3,20 мг% и 2,8 мг%. Наилучшие результаты - при экстракции на подкисленной воде с добавлением лактозы: в экстракте содержалось 6,90 мг% витамина С; 6,4 мг% - дубильных и красящих вещества. На переход минеральных веществ массовая доля лактозы влияния не оказала.
Таким образом, можно сделать вывод, что содержание лактозы и кислотность экстрагента значительно влияют на извлечение экстрактивных веществ из фитосырья. Это возможно объяснить следующим.
Очень важным для экстракции свойством лактозы является способность сорбции летучих компонентов фитосырья. К биологически активным веществам лекарственных растений относятся алкалоиды, гликозиды, гликоалко-лоиды, сапоннины, горечи, дубильные вещества, флавоноиды, витамины, органические кислоты, фитонциды, лактоны, эфирные масла и минеральные соли. Многие из перечисленных веществ являются летучими, поэтому при приготовлении экстрактов из фитосырья на воде они теряются. На основании этого можно сделать предположение, что переход сухих веществ из фитосырья в пермеат из-за наличия в нем лактозы будет выше, чем в воду [116]. Значение активной кислотности (или рН) является важным параметром при приготовлении экстрактов. Подкисление воды способствуют переводу трудно растворимых соединений, содержащихся в фитосырье, (комплексы с дубильными веществами, соли трудно растворимых органических кислот и т. д.) в более растворимые формы [67].
Молочная кислота обладает высокой скоростью диффузии, что обеспечивает легкость ее распределения в листовой массе и извлечения сухих веществ [28].
Следовательно, пермеат является хорошим экстрагентом, так как он содержит лактозу в количестве (до 4,5 %) и кислотность его составляет 50 - 55 Т.
Разработка технологической схемы производства неферментированных фитонапитков из пермеата
По результатам выполненных в объеме данной работы исследований предложена технологическая схема производства неферментированного напитка с использованием лекарственных растений, получившего название фитона-питок «Валерия». В зависимости от применяемого подсластителя предложено вырабатывать следующие виды фитонапитков: «Валерия» с сахаром и «Валерия» с подсластителем.
Нами была разработана рецептура на новый вид фитонапитков «Валерия», которая представлена в табл. 4.1.1.
На основании проведенных исследований были установлены рациональные технологические параметры производства неферментированных фитонапитков на основе пермеата «Валерия». Технологическая схема представлена на рис. 4.1.1.
Технологический процесс состоит из следующих операций:
1. Сбор пермеата и фильтрация
После ультрафильтрации пермеат накапливают в специальных емкостях и оценивают его качество (температура, плотность, органолептические показатели, массовая доля белка и жира). Фильтрацию проводят для очистки пермеата от остаточных белковых хлопьев и от механических загрязнений.
2. Нагрев и экстрагирование
Пермеат нагревают в пастеризационно-охладительной установке до температуры 90 С для проведения экстракции. Фитосырье вносят в емкость для экстрагирования в измельченном виде (3-5 мм). Плоды шиповника предварительно промывают, дробят, отделяют семена и волоски. При производстве фитонапитка с сахаром вносят 1/3 часть сахара. Процесс экстрагирования ведут в течении 30 минут.
3.Сепарирование или центрифугирование
Сепарирование или центрифугирование проводят для отделения жома от экстракта на сепараторах для отделения механических примесей с центробежной выгрузкой осадка или центрифугах.
4. Внесение сахарного сиропа (или подсластителя) и регулятора кислотно сти
Сахар вносят в виде сиропа 75 %-ной концентрацией, чтобы исключить бактериальное обсеменение экстрактов. Готовят сироп следующим образом: требуемое по рецептуре количество сахара-песка заливают водой, из расчета четыре части сахара-песка на одну часть воды, доводят до температуры 100 С, кипятят в течение (3-5) минут, фильтруют и вносят в экстракт. Вместо сахарного сиропа можно вносить подсластитель в соответствии с рецептурой.
Экстракт подкисляют 50-процентным водным раствором лимонной кислотой до 70 - 75 Т для придания фитонапитку более выраженного кислого вкуса. 5. Охлаждение, розлив и хранение готового продукта
Готовый напиток охлаждают на охладительной установке до 6 - 8 С и разливают в пакеты тетра-пак вместимостью 0,2 и 0,5 л. В готовом продукте контролируют температуру, органолептические, физико-химические и микробиологические показатели.
Производство таких фитонапитков может быть организовано на предприятиях молочной и пивобезалкогольной промышленности.
На основе приведенных исследований разработана нормативная документация (ТУ 9224-097-02068315-04), включающая в себя технические условия и технологическую инструкцию на фитонапиток «Валерия» (приложение 2, 3).
На основании проведенных исследований разработана технология производства желированного продукта из пермеата с использованием лекарственных растений, получившего название "Диво", его технологическая схема представлена на рис. 4.2.1.
Технологический процесс начинают с приготовления экстракта. Экстракт готовят также как и для фитонапитка, затем в экстракт вносят остальные компоненты в соответствии с рецептурой.
Сахар вносят в виде сиропа 75 %-ной концентрацией. Сироп готовят так же как и для фитонапитка.
Желатин предварительно растворяют в сыворотке в соотношении 1 : 8, выдерживают до набухания 1 час. Затем подогревают до 90 С, охлаждают до 15-20 С и вносят в смесь. Лимонную кислоту вводят в виде 50-процентного водного раствора до кислотности 80 - 85 Т (рН 4,0±0,1).
После внесения необходимых компонентов, проводят перемешивание в течение 5-10 минут. Полученную смесь пастеризуют при температуре 72-75 С с выдержкой 5 минут, чтобы исключить вторичное обсеменение смеси.
Продукт охлаждают до температуры (65-70) С, фасуют в режиме «горячего розлива», способствующего максимальной сохранности продукта при хранении. Упакованный продукт направляется в холодильную камеру для охлаждения до температуры (6±2) С; желирования и формирование вкуса в течение 3-4 часов, после чего технологический процесс считается законченным и продукт готов к реализации.
На основании проведенных исследований разработана нормативная документация (ТУ 9224-098-02068315-04), включающая в себя технические условия и технологическую инструкцию на желированный продукт "Диво" (приложения 5, 6).
