Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Комплексный анализ современных аспектов инноваций и оценка перспектив технологий специализированных ферментированных молочных продуктов 16
1.1 Инновационные приоритеты и перспективные технологические тренды биотехнологий специализированных молочных продуктов 16
1.2 Теоретические и экспериментальные направления развития биотехнологий функциональных продуктов на молочной основе 23
1.2.1 Пробиотики, пребиотики, синбиотики: свойства и применение в технологии ферментированных молочных продуктов 29
1.2.2 Методы сохранности пробиотиков в процессе их использования в биотехнологии молочных продуктов 38
1.3 Биополимеры: классификация, функционально-технологические свойства, основные направления использования в пищевой промышленности 43
1.4 Аналитические и экспериментальные исследования процесса иммобилизации российскими и зарубежными учёными 53
1.5 Характеристика перспективных ингредиентов регулирующих пищевую, биологическую ценность и функциональные свойства продуктов специализированного питания 65
1.6 Заключение по главе 1 83
Глава 2 Научная концепция основного направления собственных теоретических и экспериментальных исследований 85
Глава 3 Методология проведения исследований 89
3.1 Организационная схема исследований 89
3.2 Объекты исследований 92
3.3 Методы исследования 100
3.3.1 Стандартные методы 100
3.3.2 Общепринятые и модифицированные методы 101
Глава 4 Экспериментальный выбор компонентного состава носителя (подложки) для процесса иммобилизации биообъектов 107
4.1 Определение физико-химических показателей объектов исследования 107
4.2 Изучение влияния состава модельных систем биополимеров на качественные показатели носителя (подложки) 114
4.3 Математико-статистический анализ комплекса экспериментальных данных характеризующих влияние компонентного состава на качественные показатели подложек на основе биополимеров 120
4.4 Заключение по главе 4 128
Глава 5 Изучение процесса иммобилизации заквасочных (пробиотических) культур в модельные системы биополимеров 130
5.1 Аргументированный скрининг пробиотических культур и сопутствующей кисломолочной микрофлоры на основе исследования их жизнедеятельности 132
5.2 Определение закономерностей процесса иммобилизации ассоциаций пробиотических культур в модельные системы биополимеров 138
5.3 Оценка эффективности процесса иммобилизации в качестве защиты ассоциаций пробиотических культур в агрессивных условиях желудочно-кишечного тракта 148
5.4 Разработка биологически активного компонента на основе ассоциаций пробиотических культур иммобилизованных в гель биополимеров и нормативной документации для его производства 153
5.5 Заключение по главе 5 158
Глава 6 Исследование биотехнологического потенциала биологически активного компонента на основе иммобилизованных ассоциаций пробиотических культур 160
6.1 Экспериментальные исследования процесса ферментации с использованием биологически активных компонентов на основе ассоциаций пробиотических культур, иммобилизованных в гель биополимеров 162
6.2 Математическое моделирование термодинамических показателей, характеризующих влияние заквасочных (пробиотических) культур, иммобилизованных в гель биополимеров на процесс биотрансформации компонентов молока 204
6.3 Заключение по главе 6 223
Глава 7 Определение факторов, оказывающих влияние на качество, безопасность и срок годности ферментированных молочных продуктов 225
7.1 Антиоксиданты и их использование в технологии ферментированных продуктов 227
7.2 Выбор функционального ингредиента для регулирования влагосодержания ферментированного молочного продукта с использованием ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) 233
7.3 Заключение по главе 7 249
Глава 8 Обоснование научных принципов разработки технологий производства специализированных ферментированных молочных продуктов и их реализация 251
8.1 Особенности биотехнологии специализированных ферментированных продуктов на молочной основе диетического профилактического питания 259
8.2 Особенности биотехнологии специализированных пищевых продуктов на молочной основе для питания спортсменов 268
8.3 Особенности биотехнологии специализированных пищевых продуктов на молочной основе для геродиетического питания 283
8.4 Биологическая, пищевая и энергетическая ценность специализированных ферментированных молочных продуктов 296
Заключение по главе 8 301
Глава 9. Управление качеством и безопасностью новых продуктов. Оценка экономической эффективности и социальной значимости новых технологий специализированных ферментированных молочных продуктов 303
9.1. Качество и безопасность специализированных ферментированных молочных продуктов 303
9.1.1 Разработка плана ХАССП для специализированных ферментированных пищевых продуктов на примере кисломолочного продукта смешанного брожения 304
9.2 Маркетинговые исследования конкурентоспособности новых видов специализированной пищевой продукции 323
9.3 Оценка экономической эффективности разработанных технологий 325
Заключение 334
Список литературы 338
Приложения 401
- Инновационные приоритеты и перспективные технологические тренды биотехнологий специализированных молочных продуктов
- Изучение влияния состава модельных систем биополимеров на качественные показатели носителя (подложки)
- Антиоксиданты и их использование в технологии ферментированных продуктов
- Оценка экономической эффективности разработанных технологий
Инновационные приоритеты и перспективные технологические тренды биотехнологий специализированных молочных продуктов
Важную роль в обеспечении здоровья человека играет качество и безопасность пищевых продуктов. Только оптимальные количество и качество пищевой продукции, а также структура питания, обеспечивающие здоровье населения, составляют продовольственную безопасность страны [313, 387].
Проблема питания, а, следовательно, и здоровье населения страны является важной государственной задачей. Для её решения разработан и утверждён с выделением соответствующего финансирования ряд важных государственных документов [186, 362, 390, 391].
Так как пищевая и перерабатывающая промышленность являются системообразующей сферой экономики АПК, то именно ей отводится ведущая роль в обеспечении продовольственной безопасности страны [309]. Инновации в производстве продуктов питания неразрывно связаны с проведением фундаментальных исследований и развитием инженерии АПК. В.А. Панфилов рассматривая перспективы решения этой проблемы, считает, что изучение условий дальнейшего развития современных технологий АПК, их причин и возможных следствий, взаимодействия науки и технологий на современном этапе развития общества является важной и актуальной проблемой, требующей установления закономерностей и тенденций этих во многом стохастических процессов [270].
А.Г. Храмцов обсуждая инновационные приоритеты и практику технологической платформы молочной отрасли АПК России подчёркивает большое значение молока в питании человека, начиная от его рождения [417]. При этом А.Г. Храмцов отмечает, что все инновации основаны на принципах традиционной биотехнологии и быстро развивающейся молекулярно-ситовой фильтрации (баро-мембранные процессы – микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, электродиализ, ионный обмен, сорбция-десорбция – мембранные технологии).
Эффективность бионаномембранных технологий заключается в возможности использования основных компонентов молока, таких как лактоза, сывороточные белки в производстве гипоаллергенных продуктов детского питания. В настоящее время известны нанотехнологии инкапсулирования наночастиц лекарств в казеиновые мицеллы с последующей доставкой этих лекарств в больные органы. Существуют и другие нанотехнологии, использующие молочные белки и азотсодержащие соединения [413].
Области применения нанотехнологий и наноматериалов в настоящее время чрезвычайно разнообразны. Основными направлениями применения наноматери-алов в технике становятся создание композитных материалов, микроэлектроника и оптика, энергетика, химические технологии, научные исследования, охрана окружающей среды, медицина (создание биосовместимых материалов для хирургии, антисептических перевязочных средств, адресная доставка лекарств в ткани, вакцины и др.). В пищевой промышленности нанотехнологии используются при производстве упаковочных материалов, новых видов пищевых добавок и ароматических веществ. Значительный интерес представляет использование некоторых пищевых веществ (особенно макро- и микроэлементов, витаминов и антиоксидан-тов) в форме наночастиц или их включение в инертные нанокапсулы. Это позволит не только улучшить усвояемость пищевых веществ в составе обогащенных продуктов и биологически активных добавок к пище, но и в большинстве случаев избежать химической или биологической несовместимости нутриентов [387].
Приоритетным направлением производства пищевой и, прежде всего, молочной продукции являются: жизнеобеспечение и сопровождение активной трудоспособности населения [404, 406]. При этом Д.В. Харитонов считает, что включение в рацион специализированных продуктов, обладающих небольшим объёмом, высокой биологической ценностью, а также повышенной биодоступностью, позволяет благодаря определённой направленности их химического состава оперативно вносить корректировки в питание детей и взрослых, обеспечивая организм необходимыми пищевыми нутриентами и энергией, тем самым восполняя энергозатраты, способствуя росту и развитию ребёнка.
В настоящее время уже разработаны и производятся новые виды специализированных молочных продуктов. Так, Д.В. Турчанинов с соавторами на основании собственных аналитических исследований предложил расширить производство специализированных продуктов питания обогащённых функциональными ингредиентами, в числе которых омега-3 жирные кислоты, а также макро- и микроэлементы, способствующие укреплению здоровья населения различных возрастных групп [386].
Л.А. Забодалова и др. выделили два основных направления развития молочной промышленности – совершенствование существующих технологических процессов и создание новых технологий. Развитие первого направления касается весьма обширной группы национальных молочных продуктов и, в первую очередь, кисломолочных (кефира, простокваши, ряженки, сметаны и т.д.), которые пользуются устойчивым спросом у населения и оказывают положительное влияние на организм [156, 211]. В.А. Доценко с соавторами рассмотрела структуру потребления продуктов питания по пищевой ценности и медико-биологическим признакам. Научные основы питания определяют необходимость уточнения как норм потребления пищевых продуктов по их пищевой ценности, так и встречающихся в научной литературе и законодательстве терминов и понятий в отношении словосочетаний «пищевые продукты» и «продукты питания». Это целесообразно сделать, рассмотрев ряд структурных схем на основе известных терминов и понятий. Структурная схема модели качества жизни населения (КЖН) социального общества содержит элемент «здоровое питание». Понятие этого термина характеризует процесс производства пищевых продуктов для получения пищи из пищевого сырья с учетом равной ценности. Основываясь на определениях «продукт – результат человеческого труда» и «пища – то, что едят и пьют», которые были показаны в виде структурной схемы, понятие «пищевые продукты» можно отобразить в виде схемы (рисунок 1.1) [137, 179, 212].
Изучение влияния состава модельных систем биополимеров на качественные показатели носителя (подложки)
Так как биополимеры, относящиеся к классу полисахаридов выполняются in vivo ряд важных биологических функций, в том числе являются энергетическим резервом для повышения жизнедеятельности клетки, необходимо изучить эффективность их взаимодействия друг с другом, а также с биополимером животного происхождения (белком).
Следует отметить, что определение термодинамических показателей систем биополимеров полисахарид – полисахарид и белок – полисахарид имеет большое значение для реализации процесса иммобилизации биообъектов. При этом, прежде всего определяются ассоциативные и сегрегативные взаимодействия в смесях биополимеров различного происхождения. Учитывается основное условие – совместимость биополимеров, выражающееся в образовании однофазного гомогенного раствора, который затем образует тонкую плёнку, которая служит носителем (подложкой).
Изучение влияния компонентного состава на качественные показатели опытных продуктов проводилась на модельных системах полисахарид – полисахарид и белок – полисахарид, которые в модельных системах использовались в различных соотношениях. Условия эксперимента были следующие: растворителем являлась дистиллированная вода; температура водного раствора 20 С. Результаты определения физико-химических и реологических показателей модельных систем полисахарид – полисахарид приведены в таблице 4.5, модельных систем белок – полисахарид в таблице 4.5.
Анализ комплекса показателей (таблицы 4.5 и 4.6), характеризующих термодинамику процесса плёнкообразования на основе модельных систем полисахарид – полисахарид с различным качественным и количественным компонентным составом позволил установить, что в модельных системах, состоящих из полисахаридов различного происхождения, имеющих неодинаковое строение макромолекул могут иметь ассоциативные взаимодействия через связывание вторичных и третичных макромолекул полисахаридов. При этом возникает водородная связь, Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие, которое является показателем не только ассоциативных взаимодействий, но и сегрегативных, что может служит основанием полученной закономерности неинтенсивного протекания процесса плёнкообразо-вания в системе полисахарид – полисахарид с образованием мягких слабоохраня-ющих структуру плёнок даже при концентрации биополимеров в системе 25 % и независимо от их количественного соотношения.
Результаты исследований модельных систем биополимеров модельных систем белок – полисахарид представленных в таблицах 4.5 и 4.6 свидетельствуют о положительной динамике комплекса показателей, характеризующих процесс плёнкообразования и формирования подложек с высокими качественными характеристиками.
Так, образование упругих, хорошо сохраняющих и легко восстанавливающих свою структуру плёнок происходит при использовании в модельных системах белок – полисахарид при их соотношении 1 : 2, и общей концентрации в растворе 20 %. При этом время, плёнкообразования будет следующим:
- желатин – пектин, 28-44 мин;
- желатин – каррагинан, 46-62 мин;
- желатин – хитозан, 68-76 мин.
Менее удовлетворительно реализуется процесс плёнкообразования в модельной системе желатин – крахмал. Полученные подложки мягкие, слабо сохраняющие структуру. При этом время процесса плёнкообразования увеличивается до 140-160 мин.
Антиоксиданты и их использование в технологии ферментированных продуктов
Молоко и другие виды молочных продуктов, используемые в качестве основного сырья для производства ферментированных продуктов обладает значительной пищевой и биологической ценностью. В несколько последних десятилетий в рамках возросшего у населения интереса к здоровому питанию, в организацию которого обязательно включаются кисломолочные (ферментированные) продукты, учёные проводят комплексное изучение антиоксидантных свойств молока различных животных, в том числе коровьего и козьего [7, 46, 48, 220] и определения степени влияния температурных параметров на их хранение [14, 429].
Так же, предметом пристального изучения учёных являются кисломолочные напитки, основным биообъектом технологического процесса производства которых является заквасочная микрофлора [47, 159, 162].
При разработке технологии новых ферментированных продуктов, обога-щённых, путём использования биологически активного компонента (БАК), про-биотической микрофлорой стоит задача – сохранить её количество в течении всего срока годности ферментированного продукта и обеспечить её контролируемую доставку в желудочно-кишечный тракт человека.
Рядом исследователей установлено, что природные антиоксидантные свойства молока в процессе технологических операций производства молочных продуктов могут изменяться, а в нормализованную смесь в процессе производства может врабатываться кислород воздуха, что способствует окислению липидов молока, в результате чего снижается биологическая и пищевая ценность ферментированного продукта. Так же может снизиться степень жизнедеятельности би-фидобактерий – строгих анаэробов. Учитывая вышеизложенное, для повышения антиоксидантных свойств ферментированных продуктов и пролонгированния сроков их годности изучена сравнительная эффективность двух видов антиоксидантов (антиокислителей) различного происхождения. Наиболее известным анти-оксидантным комплексом в настоящее время считается сочетание витаминов А, Е, С и минералов.
В качестве их источника в экспериментальных исследованиях использовался витаминно-минеральный комплекс с антиоксидантом, характеристика которого представлена в главе 3 (таблица 3.5).
Более современным, применение, которого в ферментированных молочных продуктах изучено недостаточно, является антиоксидант натуральный «Астаксан-тин», характеристика которого представлена в главе 3 (таблица 3.6).
Опытные продукты вырабатывали с использованием биологически активного компонента БАК 1 на основе пробиотических культур Lactobacillus acidophilus, B. lactis, B. longum, Streptococcus thermophilus иммобилизованных в гель биополимеров желатин – пектин. Выбранные функциональные ингредиенты вносили в продукт в соответствии с рекомендациями по их употреблению, которые предусматривают:
- употребление антиоксиданта «Астаксантин» – 500 мг в сутки;
- употребление витаминно-минерального комплекса с антиоксидантами – 270 мг в сутки.
В первом опыте в качестве функционального компонента добавляли вита-минно-минеральный комплекс с антиоксидантами, во втором опыте антиоксидант «Астаксантин». В качестве контроля использовался опытный образец ферментированного продукта без добавления функциональных ингредиентов.
Для исследуемых образцов продуктов был установлен режим хранения при температуре (4±2) С. Исследования проводились с учётом коэффициента запаса 1,3 (3 сут). В процессе хранения изучались химические и органолептические показатели опытных продуктов. Антиоксидантную активность определяли методом перманганатного титрования.
Данные экспериментальных исследований приведены в таблицах 7.1 и 7.2. Динамика изменения антиоксидантной активности опытных продуктов представлена на рисунке 7.1. Органолептические показатели продуктов представлены в таблице 7.3.
Кроме того динамика изменения антиоксидантной активности опытных молочных продуктов в процессе хранения (рисунок 7.1), показывает, что добавление в них антиоксидантов увеличивает продолжительность их хранения по сравнению с контрольным продуктом на 5 сут, что свидетельствует о перспективности использования данных функциональных ингредиентов в технологии ферментированных молочных продуктов с целью увеличения срока их годности.
Органолептическая оценка исследуемых продуктов показала, что с увеличением продолжительности хранения вкус всех исследуемых продуктов становился более кислым. Консистенция в начале хранения была однородная, без выделения сыворотки, к концу 13-ти суток хранения в контрольном продукте наблюдается отделение сыворотки, появляется кислый запах, в результате чего продукт снимается с хранения. В опытных продуктах органолептические показатели снизились к концу 20-х суток хранения.
Совокупность комплекса показателей опытных продуктов, свидетельствует о стабильности его показателей в течение всего процесса хранения: контроль – 10 суток, опыты 1 и 2 – 15 суток, с учётом коэффициента запаса 1,3.
Оценка экономической эффективности разработанных технологий
Расчёт экономических показателей, характеризующих целесообразность производства новых продуктов, проводился на основе установленной рецептуры, оптовых цен на сырье и вспомогательные материалы (на 2019 г) и ориентировочных статей расхода на производство, предоставленных промышленными предприятиями на которых осуществлялись апробации технологий.
При расчёте оптовой цены использовали реальные статьи затрат предприятий. Расчёт стоимости сырья и основных материалов (Сс.о.) определяли на основании следующей формулы:
Сс.о. = Нрi Bi Ц, (9.1)
где: Нрi – норма расхода I-го сырья на 1 т продукта, кг; Вi – выпуск продукции в единицу времени, т;
Ц – цена сырья и основных материалов на выпуск 1 т продукции, руб. Расчёт оптовой цены на 1 т биологически активного компонента приведён в таблицах 9.9-9.11, новых продуктов – в таблицах 9.12-9.14.
К экономическим показателям нами были отнесены показатели: рентабельность, материалоёмкостью, трудоёмкость и энергоёмкость продукции.
Себестоимость промышленной продукции является объективной экономической категорией, характеризующей выраженные в денежной форме текущие затраты предприятия, непосредственно связанные с использованием в процессе производства. Согласно методическим рекомендациям по планированию, учету и калькулированию себестоимости продукции на предприятиях молочной промышленности, исчисление себестоимости продукции производится исходя из суммы затрат на выработку продукции, включая сырье и материалы, используемые в производстве (за вычетом стоимости возвратных отходов по цене возможной реализации и использования).
В расчётах использовались оптовые цены по г. Омску и Омской области за 2019 г (без НДС). Все производственные расходы, которые предприятия будут нести при внедрении технологий, зависят от их технической оснащённости.
Технико-экономические расчёты (таблицы 9.9-9.11) свидетельствуют, что разработанные биологически активные компоненты обладают относительно низкой стоимостью в сравнении с импортными аналогами. Следовательно, использование данных компонентов в технологии функциональных специализированных пищевых продуктов, в рамках реализации программы импортозамещения, позволит снизить их себестоимость и повысить конкурентоспособность.
Расчёт основных экономических показателей новых продуктов (таблицы 9.12-9.14), с использованием биологически активных компонентов, говорит о том, что данные продукты сравнимы по себестоимости с коммерческими.
Результаты расчётов основных экономических показателей новых продуктов представлены в таблице 9.15.
Согласно анализу полученных данных новые продукты являются прибыльными, что говорит об экономической эффективности их производства.
В результате маркетинговых и экономических исследований подтверждена актуальность разработки новых ферментированных специализированных продуктов и их конкурентоспособность в торговой сети.