Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1 Характеристика каррагинана, как функциональной пищевой добавки 7
1.1.1 Природные источники каррагинана. Молекулярная структура и способы получения 8
1.1.2 Физико-химические показатели и функционально-технологические свойства 11
1.1.3 Изменение функционально-технологических свойств /с-каррагинана в присутствии полисахаридов,белков и Сахаров 17
1.2 Медико-биологическая оценка каррагинана как пищевой добавки 20
1.3 Применение каррагинана в пищевой промышленности 23
1.4 Применяемые методы оценки функционально-технологических свойств каррагинана 27
1.5 Выводы и задачи исследования 30
Глава 2. Организация экспериментальных исследований, объекты и методы исследования 32
2.1 Организация и постановка экспериментов 32
2.2 Объек1Ы исследований 34
2.3 Методы исследований 38
Глава 3. Результаты исследования свойств пищевых струкгурообразователей в двухкомпонентных системах 40
3.1 Результаты определения органолептических и функциональных характеристик гелей общепринятыми ме тодами 40
3.2 Усовершенствование методики проведения структурно-механических исследований 44
Глава.4 Изучение особенностей структурообразования сложных каррагинансодержащих систем 51
4.1 Определение влияния поваренной соли на i елеобразующие свойства каррагинана 51
4.2 Определение влияния пищевых фосфатов на гелеобразующие свойст ва каррагинана 52
4.3 Определение влияния хлорида калия на гелеобразующие свойства каррагинана 58
4.4 Определение влияния соевого белка на гелеобразующие свойства каррагинана 61
4.5 Определение влияния крахмала на г елеобразующие свойст ва каррагинана 66
4.6 Определение влияния сухого молока на гелеобразующие свойства каррагинана 69
4.7 Определение влияния животных соединительно тканных белков на гелеобразующие 72
свойсл ва каррагинана
5 Глава 5. STRONG Разработка методологического подхода к решению задач оптимизации рецептур
вареных колбасных изделий STRONG 78
5.1 Алгоритм оптимизации рецептур вареных колбас на основе оценки структурно-механических характеристик многокомпонентных каррагинансодержащих систем 78
5.2 Опытно-промышленная апробация алгоритма оптимизации рецептур вареных колбас 84
Выводы 90
Библиографический список
- Характеристика каррагинана, как функциональной пищевой добавки
- Организация и постановка экспериментов
- Результаты определения органолептических и функциональных характеристик гелей общепринятыми ме тодами
- Определение влияния поваренной соли на i елеобразующие свойства каррагинана
Введение к работе
В условиях нестабильного качества сырья производители мясопродуктов применяют пищевые добавки и ингредиенты с целью стабилизации свойств мясных систем, улучшения консистенции и повышения выхода гою-вой продукции. Для решения этих задач широко используют с груктурообра-зователи полисахаридной природы, к числу которых относятся крахмалы, камеди, ai ары, пектины, каррагинаны и др.
Вопросами применения структурообразователей полисахаридной природы в пищевой промышленности посвящены научные труды отечественных и зарубежных ученых - Толстогузова В.В., Токаева Э.С., Нечаева А.П., Брау-до Е.Е., Кочетковой A.A., Imeson A., Piculel L. и др.
Большинство этих работ были направлены на изучение структурообразующих свойств полисахаридов в двухкомпонентных системах. В то же время было показано, что присутствие различных веществ (белков, солей неоршни-ческих и органических кислот и пр.) способно даже при незначшельных кон-цен фациях существенно изменить функциональные свойства структурообразователей. Таким образом, прогнозирование технологического эффекта or введения того или иного полисахарида в пищевой продукт требует перехода о г оценки двух-, трехкомпонентных систем к изучению сложных многокомпонентных систем, каковыми, собственно, являются все пищевые продукты.
В насюящее время каппа-каррагинан является одним из наиболее применяемых в мясной промышленности структурообразователей. Однако практика промышленного применения пищевых добавок в мясопродуктах не ограничивается использованием только одного каррагинана, наряду с ним в состав продукта входят стабилизаторы, влагоудерживающие агенты, регуляторы кислопюсти, усилители вкуса и аромата, эмульгаторы и пр. Кроме этого, каррагинан в мясопродуктах не является единственным структурообразующим компонентом, так как в мясных системах всегда присутствуют белки с
различной способностью к структурообразованию, в том числе в виде различных белковых препаратов животного и растительного происхождения.
В Э!их условиях оценка структурообразующего действия каррагинана на основе изучения двух-, трехкомпонентных систем не способна обеспечить выпуск мясопродуктов гарантированного качества, что, в свою очередь, может приводить к неоправданному применению и потреблению пищевых добавок, а также к повышению себестоимости готовой продукции.
Одной из наиболее значительных по объему выпуска и потребления групп мясной продукции являются вареные колбасные изделия. При их произволе 1ве в наиболее значительных количествах и ассортименте применяют пищевые добавки и ингредиенты, в том числе каррагинан и другие влияющие на структуру готового продукта компоненты. Доля таких рецептурных компонентов в себестоимости этой группы продукции, по оценкам предприятий отрасли, доходит до 17%, однако технологический эффект от их применения не всегда является удовлетворительным с точки зрения формирования потребительских качеств готового продукта.
В связи с этим, исследование, направленное на изучение особенностей структурообразования сложных каррагинансодержащих систем, обосновывающее применение различных сочетаний и количеств рецептурных структурообразующих компонентов в вареных колбасных изделиях, является актуальным.
Целью диссертации являлось изучение особенностей структурообразо-вания сложных каррагинансодержащих систем и оценка влияния их на качество вареных колбасных изделий. Научная новизна состоит в разработке ме-юдологии оценки функциональных свойств пищевых структурообразовате-лей, позволяющей учитывать влияние на их гелеобразующие свойства других рецептурных компонентов и прогнозировать их технологическое действие в сложных пищевых системах. При исследовании функционально-технологических свойств пищевых структурообразователей, усовершенствована методика оценки структурно-механических характеристик гелей на уни-
версальной испытательной установке «Instron 1140». Впервые было обосновано введение нового показателя - удельной работы начала разрушения - являющегося интегральной структурно-механической характеристикой пластичности гелей струкгурообразователей. На основании определения напряжения и удельной работы начала разрушения, установлено влияние на прочность и пластичность гелей очищенного каппа-каррагинана различных концентраций рецептурных компонентов колбасных изделий - хлоридов, фосфа-юв, расштельных и животных белков, сухого молока. Определены оши-мальные дозы введения этих компонентов в рецептуры каррагинансодержа-щих мясопродуктов, обеспечивающие наиболее высокий технологический зффек1 применения каррагинана. Предложен алгоритм оптимизации рецептур колбасных изделий с целью минимизации количеств структурообразующих пищевых добавок и ингредиентов без ухудшения структурно-механических характеристик готовой продукции. Автор защищает:
методологический подход к оценке функциональных свойств пищевых структурообразователей;
усовершенствованный метод оценки структурно-механических характеристик 1елей на универсальной испытательной установке «Instron 1140» с определением нового показателя - удельной работы начала разрушения;
данные оценки влияния на прочность и пластичность гелей очищенного каппа-каррагинана различных концентраций рецептурных компонентов колбасных изделий - хлоридов, фосфатов, растительных и животных белков, сухого молока;
данные по определению оптимальных доз введения этих компонентов в рецептуры каррагинансодержащих мясопродуктов, обеспечивающие наиболее высокий технологический эффект применения каррагинана;
- алгоритм оптимизации рецептур каррагинансодержащих колбасных
изделий.
Характеристика каррагинана, как функциональной пищевой добавки
Каррагинан относится к так называемым «пищевым гидроколлоидам», под которыми понимают высокомолекулярные вещества, растворимые или набухающие в воде, добавляемые в жидкие или твердые продукты питания в процессе их изготовления с целью придания им желаемой консистенции, а также для их стабилизации (в случае пищевых эмульсий, суспензий и т.п.)[9].
Термин «пищевые гидроколлоиды» появился в 1978 г. В настоящее время гидроколлоиды подразделяют натри основных группы: 1) продукты жизнедеятельности микроорганизмов. 2) гидроколлойды животного происхождения; 3) i идроколлоиды растительного происхождения; В первую группу входят ксантановая (Е415) и геллановая (Е418) камеди, а ткже камеди веллана и рамзана.
Гидроколлоидом животного происхождения является желатин, получаемый термическим гидролизом белка соединительной ткани коллагена. К i идроколлоидам растительного происхождения относятся продукты переработки растений и морских водорослей. К ним относятся альгинагы (Е401, Е402, Е404), агар (Е 406), агароиды, каррагинаны (Е 407) и др. [27,29].
По своей природе вещества - гелеобразователи схожи и являются, как правило, полисахаридами с равномерно распределёнными функциональными группами 2,13].
В пищевой, в том числе мясной, промышленности, медицине, фармацевтике и других областях наиболее широкое применение нашли каррагинаны, прежде всего, благодаря высоким гелеобразующим свойствам и относительно невысокой стоимости по сравнению с другими гидроколлоидами. Мировое производство каррагинана составляет несколько десятков тысяч гонн в год. Большая часть производимого в мире каррагинана используется в пищевой промышленности в качестве стабилизатора, эмульгатора, загусти 1еля, ге-леобразователя при производстве более 180 видов продуктов питания.
В мясной промышленности, главным образом, используют каппа-каррагинан, получаемый из морских водорослей семейства Rhodophyceae [20, 41, 43. Это обусловлено, прежде всего, свойствами ею гелей и их положительным влиянием на функционально-технологические свойства мясного сырья, органолептические и потребительские характеристики готового продукта. Каппа-каррагинан, обладая высокой гелеобразующей способностью, в пищевых системах выполняет роль стабилизирующего и эмульгирующего aieina. Его использование позволяет снизить риск возникновения бульонно-жировых оттеков, сократить потери массы при термообработке, снизить себестоимость готовой продукции. Применение каррагинана способствует формированию плотной монолитной структуры в готовом продукте, улучшает его нарезаемость, обеспечивает удержание влаги и сохранение внешнего вида продукта при его хранении. Применение каррагинана позволяет значительно снизить содержание жира в мясопродуктах без ухудшения их потребительских характеристик [7,34,16, 62].
Каррагинаны получают из красных морских водорослей семейства Rhodophyceae, главным образом, из Chondrus, Eucheuma, Gigartina и Ыаеа\20,41,76\.
Наиболее известным и до сих пор широко используемым источником для получения каррагинана в России является водоросль Chondrus аг-matus, которая растет в прибрежных водах Сахалина, Курильских островов и в заливе Петра Великого Японского моря [44].
Помимо природных запасов водорослей в последнее время, возрастающее значение имеет промышленное их выращивание, преимущества которою очевидны - появляется возможность получать более качественное сырьё независимо от изменения климатических условий [26].
Способ получения каррагинана из красных водорослей основан на обработке их щелочью, последующей фильтрации, обезвоживании и измельчении [4,19,56].
Технологии получения каррагинанов постоянно развиваются и совершена вую гея, прежде всего, в производстве полуочищенных каррагинанов. До недавнего времени полуочищенные каррагинаны не были разрешены к применению как пищевая добавка, но в начале 1997 г. это ограничение было отменено в большинстве стран мира [45].
Полуочищенные каррагинаны экстрагируют из водорослей тою же вида, коюрые используют для производства очищенных, разница заключается лишь в способах получения [35].
В производстве полуочищенных каррагинанов применяются более щадящие термические и химические режимы, что обусловливает формирование более низкой цены но сравнению с очищенными [15].
Строение молекулы каррагинана Разные виды водорослей дают разные виды каррагинанов. Молекула каррагинана (рис. 1.1) построена из остатков производных D-галактопиранозы с чередованием а-(1- 3) и /3-(1- 4)-связей между ними, т.е. состоит из чередующихся дисахаридных звеньев, включающих остатки -D-Каррагинан является линейным полимером, состоящим из более, чем 25000 ос га i ков моносахаридов с постоянной, но подверженной, в зависимости от условий переработки, изменениям структурой [67, 90]. В зависимоеi и 01 особенностей строения дисахаридных повторяющихся звеньев, различаюi три основных типа каррагинанов: /с-каппа, /-йота, Х-лямбда [41]. к-каррагинан (kappa-carrageenan) получают путём щелочной экстракции и? jLt-каррагинана, выделенною, главным образом, из тропических морских водорослей Kappaphycus alvarezii (также называемых Eucheuma cottonii) [76]. В природе всфечаюгея также кси-, мю- и ню-каррагинаны [18]. В к-каррагинане левые галактозные остатки дисахаридных повторяющихся звеньев содержат сульфатированные гидроксильные группы при четвёртом углеродном атоме, а правый галактозный остаток находится в 3,6-ангидроидной форме и имеет несульфатированный гидроксил при втором атоме углерода [41, 78].
Каррагинан получают путём щелочной экстракции из у-каррагинана, выделяемого, главным образом, из филипинских морских водорослей Eucheuma denticulatum (также называемых Spinosum) [76]. Трёхмерная структура двойной спирали i-каррагинана представляет собой правую двойную спираль, стабилизированную за счёт 02-Н—0-5 и 06-Н—0-2 водородных связей между /3-0-галактопираноза-4-сульфат единицами [76, 92].
В i-каррагинане левые галактозные остатки дисахаридных повторяющихся звеньев содержат сульфатированные гидроксильные группы при четвёртом углеродном атоме, а правый галактозный остаток находится в 3,6-ангидроидной форме и имеет сульфатированный гидроксил при втором атоме углерода [41].
Х-каррагинан (получаемый, главным образом, из Gigartina phtillata или Chondrus crispm) в левом галактозном остатке дисахаридного звена имеет сульфатированный гидроксил при втором атоме углерода, а в правом -при втором и шестом. В щелочной среде Х-каррагинан легко преобразуется в 0-каррагинан.
Организация и постановка экспериментов
Экспериментальные исследования проводились в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.1 .
На первом этапе эксперимента были выбраны в качестве объектов исследований наиболее часто используемые компоненты рецептур вареных колбасных изделий: сухое молоко, пищевые фосфаты, хлорид калия, соевый изолированный белок, картофельный крахмал, соединительнотканные белки из говяжьего и свиного коллагенсодержащего сырья, а также каппа-каррагинан и поваренная соль.
Все рецептурные компоненты, способные образовывать i ели были подвергнуты комплексным исследованиям по оценке их органолептических и функ-ционально-технологических характеристик (ККГ, влагосвязывающей способности методом центрифугирования и прессования, определению количества сине-резисной жидкости, температуры плавления и структурно-механических показателей гелей).
На втором этапе исследований изучалось влияние различных доз рецептурных компоненюв вареных колбасных изделий из числа выше описанных на структурно-механические свойства геля каррагинана, как по отдельности, так и при одновременном введении поваренной соли. Для этого при приготовлении гелей каррагинана добавляли в раствор или суспензию каррагинана пищевые компоненты (согласно табл. 2.1) с добавлением и без добавления 2% поваренной соли.
На третьем этапе исследований были систематизированы полученные результаты по влиянию разных рецептурных компонентов на структурно-механические характеристики геля каррагинана и с учетом этих данных был предложен алгоритм опшмизации рецептур вареных колбасных изделий, содержащих каррагинан.
На четвертом этапе была проведена опытно-промышленная апробация предложенных подходов по совершенствованию вареных колбасных изделий, выпускаемых ОАО «ТАМП» по техническим условиям. Для этого после опшмизации рецептур проводилась выработка контрольных (исходных) и опытных (оптимизированных) рецептур и сравнительная оценка качества готовой продукции.
Заключительным этапом исследований была разработка методических рекомендаций по комплексной оценке функционально-технологических свойств препаратов каррагинана, применяемых в мясной промышленности.
Объеюы исследования
В качестве объектов исследования были выбраны: - каппа-каррагинан «GU 805» фирмы «Протеин-продукг», представляющий собой очищенный препарат; - крахмал картофельный по ГОСТ 7699-78; - белок соевый изолированный «Тепрос», с массовой долей белка не менее 90%; - фосфаты пищевые фирмы «Буденхайм»: «Абастол 772» (пирофосфат натрия); «Абастол 104» (трифосфат натрия); «Абастол 305» (двухфосфатная композиция пирофосфата и трифосфата натрия); - белок животный из свиного коллагенсодержащего сырья («Скаппро Т95»), с массовой долей белка не менее 80%; - белок животный из говяжьего коллагенсодержащего сырья («Белкол»), с массовой долей белка не менее 80%; - соль поваренная пищевая по ГОСТ Р 51574; - хлорид калия по ГОСТ 4568-95; - молоко сухое обезжиренное по ГОСТ 10970-87; - гели картофельного крахмала, соевого и животных белков; - гели каппа-каррагинана, в том числе с выше перечисленными пищевыми добавками и ингредиентами; - готовые колбасные изделия.
Для изучения гелеобразующей способности отдельных ингредиентов и выбора методов исследования, обеспечивающих решение поставленных задач, готовились гели: - к-каррагинана 0,5%, 1%, 1,5%, и 2,0%-ой концентраций; - соевого белка 5%, 10%, 15% и 20%-ой концентраций; - крахмала 5%, 10%, 15% и 20%-ой концентраций; - животных белков 2,5%; 5,0% и 7,5%-ой концентраций.
Результаты определения органолептических и функциональных характеристик гелей общепринятыми ме тодами
Гель каррагинана характеризовался упругой, но хрупкой консистенцией, в ю время как гели белков и крахмала обладали упруго-эластичной консистенцией.
В таблице 3.2 приведены результаты определения функциональных характеристик двухкомпонентных гелей общепринятыми методами. Как видно из таблицы 3.2, определение влагосвязывающей способности меюдом центрифугирования не позволяло дать сравншельную оценку функциональных свойств выбранных объектов исследования.
Каррагинан и крахмал не обладали способностью связывать влагу при суспензировании их в холодной воде и последующей выдержке 30 минут при комнатной температуре. Крахмал оседал на дно стакана, образуя плотный осадок, то есть разделение фаз происходило еще до начала центрифугирования образца. Для каррагинана определение функциональных свойств эшм методом, было осложнено тем, что у него рекомендуемый уровень гидратации находится в диапазоне значений от 1:50 до 1:100, а при таких уровнях невозможно было этим методом достоверно оценить степень разделения фаз. Более того, каррагинан с водой преимущественно образовывал суспензию, что является свидетельством отсутствия влагосвязывания.
Соевый изолированный белок, при рекомендуемом уровне гидратации 1:5, показал значение ВСС 700%, что соответствовало гидратации 1:7. Однако высокое значение ВСС не характеризовало гелеобразующую способность соевою белка, так как при уровне гидратации выше 1:5 соевый белок оказался не способным образовывать плотные эластичные гели.
Животные белки имели значения ВСС 1000% и 600%, что соответствовало уровню 1идратации 1:10 и 1:6. Однако в отличие от соевого белка, после нагревания и охлаждения они образовывали плотные эластичные гели при более высоких уровнях гидратации: 1:20 - 1:30 и 1:15 - 1:20, соответственно для «Сканпро Т95» и «Белкол».
Таким образом, определение ВСС пищевых структурообразователей методом центрифугирования, не позволяло установить взаимосвязь с органо-лсшическими характеристиками их гелей. Кроме этого, применение этого метода не подходило для оценки функциональных свойств каррагинана и крахмала.
Определение значений ВУС методом прессования показало, что 0,7%-й гель обладал более высоким значением ВУС, по сравнению с 1%-м гелем. Эю объяснялось тем, что под давлением пластины гель с меньшей концентрацией каррагинана, а следовательно, органолептически менее прочный, раздавливался вместе с влагой, образуя с ней единое пятно, что и обеспечивало более высокое значение ВУС, по сравнению с гелем более высокой кон-цен фации.
Наоборот, значения ВУС гелей белков и крахмала увеличивалось с возрастанием их концентраций.
Таким образом, различия свойств «пластичности-хрупкости» гелей структурообразователей не позволяло рекомендовать определение значений ВУС методом прессования для их объективной оценки.
Определение количества синерезисной влаги гелей каррагинана, белков и крахмала показало, что образование синерезисной влаги было характерно только для геля каррагинана.
Таким образом, изучение функциональных свойств гелей показало, что только два метода - определение ВСС методом прессования и определение напряжения начала разрушения (прочности) на испытательной машине «Инсгрон» - позволяли выявить зависимость изменения функциональных свойств гелей от его концентрации. Однако метод прессования давал «картину» в меньшей степени согласуемую с органолептическои оценкой гелей, чго и определило дальнейшее направление исследований в части совершенствования методов определения структурно-механических характеристик.
Определение влияния поваренной соли на i елеобразующие свойства каррагинана
Изучение влияния поваренной соли на прочность 1%-го геля каппа-каррагинана (рис. 4.1) показало, что с увеличением в геле концентрации хлорида натрия до 1% значение напряжения начала разрушения возрастало в 2,5 раза от исходного уровня. Добавление поваренной соли в количестве свыше 1% не приводило к большему увеличению прочностных свойств. Как видно из рис. 4.1, прочность геля каррагинана, достигнув своего максимума, в присутствии 1% хлорида натрия, с дальнейшем увеличением его концентрации снижалось и при содержании в геле поваренной соли 4,3%, прочность геля соответствовала прочности исходного геля, не содержащего хлорида натрия. 20 I та 15 х 10 о 5 си Увеличение концентрации хлорида натрия в геле каррагинана свыше 4,3% приводило к дальнейшему снижению прочности геля, а при концентрации хлорида нагрия 6%, способность каррагинана образовывать гель была уфачена полностью.
Аналогичные данные были получены при изучении влияния поваренной соли на пластичность 1%-го геля каппа-каррагинана (рис. 4.1).
С увеличением в геле концентрации хлорида натрия до 1,2% значение работы начала разрушения возросло в 2,1 раза от исходного уровня. Добавление поваренной соли в количестве свыше 1,2%, приводило к снижению пластичных свойств. Как видно из рис.4,1, при увеличении содержания хлорида натрия свыше 1,2%, пластичность геля снижалась и при концентрации поваренной соли 3,6% была такой же, как у исходного геля. Увеличение концентрации хлорида натрия в геле каррагинана свыше 3,6% приводило к дальнейшему снижению прочности геля вплоть до потери гелеобра ующих свойств.
Таким образом, гели очищенного каппа-каррагинана проявляли наиболее высокие прочностные и пластичные свойства в присутствии 0,5-2,0% поваренной соли, а при более высоких её концентрациях происходило угнетение гелеобразующих свойств каррагинана.
Изучение влияния пищевых фосфагов на прочность и пластичность геля каррагинана (рис. 4.2) показало, что с увеличением концентрации фосфатов в 1еле значение предельного напряжения разрушения увеличивалось. При содержании в геле 0,15% фосфатов, не зависимо от его вида наблюдалось увеличение прочности геля на 24-25% (по сравнению с гелем без фосфата). При содержании в геле 0,30% фосфата было отмечено еще большее увеличение прочности 1еля. Однако, при таком уровне введения фосфата, увели чение прочности геля зависело от его вида. Так, максимальное увеличение прочности (на 58%) было достигнуто при добавлении пиросульфита натрия, минимальное (на 38%) при добалении триполифосфата натрия. Присутствие в геле двухфосфатного препарата увеличивало прочность геля каррагинана на 45%.
При содержании в геле 0,15% фосфата значение работы начала разрушения увеличивалось при добавлении: - пирофосфата натрия - на 32%; - триполифосфата натрия - на 25%; - двухфосфатного препарата - на 20%.
Повышение концентрации фосфатов до 0,30% не привело к дальнейшему увеличению пластичности геля. Увеличение содержания в геле пирофосфата натрия практически не повлияло на значение работы начала разрушения геля. Введение триполифосфата натрия и двухфосфатного препарата вызвало некоторое снижение пластичных свойств по сравнению с гелями, содержащими 0,15% фосфата. А по сравнению с гелями, не содержащими фосфата, разница в значениях работы начала разрушения составила только 13%.
Результаты определения количества синерезисной влаги при разрушении гелей представлены на рис. 4.3.
При содержании в гелях 0,15% фосфатов, количество влаги резко увеличивалось, в особенности при добавлении триполифосфата натрия (на 96%). В наименьшей степени на синерезис влияло присутствие в геле пирофосфата натрия: количество выделившейся влаги увеличилось лишь на 44%.
Увеличение содержания в гелях фосфата до 0,30%) приводило к резкому снижению количества выделившейся влаги: - для пирофосфата натрия на - 52%; - для триполифосфата натрия - на 43%; - для двухфосфатного препарата - на 24% .
