Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 7
1.1. Современное состояние и перспективы развития науки о питании 7
1. 2. Роль молока и продуктов его переработки в формировании структуры питания населения РФ 8
1.3. Теоретические и практические аспекты производства функциональных продуктов питания 17
1.4. Перспективы использования вторичных молочных ресурсов в технологии функциональных продуктов питания 27
1.5. Заключение по обзору литературы и задачи исследования 32
ГЛАВА 2. Методология проведения работы 35
2.1 Организация выполнения исследований 35
2.2 Объекты исследования 37
2.3. Методы исследования 38
Глава 3. Результаты собственных исследований и их обсуждение 41
3.1 Исследование состава и свойств сырьевых компонентов растительного происхождения 41
3.2. Теоретическое обоснование и перспективы использования принципа аналитической комбинаторики в технологии продуктов питания 60
3.3. Расчет критериев комбинаторики 65
3.3.1. Анализ критериев стоимости профилактической потребности веществ из растительного сырья 65
3.3.2. Анализ критериев технологичности на основе диагностики потоков гелеобразных сывороточных продуктов 76
3.3.3 Оценка рецептур на основе критерия ограничения 106
3.3.4. Оценка органолептических показателей гелеобразиых
сывороточных продуктов на основе критерия ограничения 112
ГЛАВА 4 Практическая реализация результатов исследования 117
4.1 Разработка рецептур гелеобразиых сывороточных продуктов 117
4.2. Микробиологические характеристики и показатели безопасности гелеобразиых продуктов 120
4.3. Экономическая эффективность производства гелеобразиых сывороточных продуктов 121
Выводы 122
Литература
- Современное состояние и перспективы развития науки о питании
- Организация выполнения исследований
- Исследование состава и свойств сырьевых компонентов растительного происхождения
- Разработка рецептур гелеобразиых сывороточных продуктов
Введение к работе
Проблема пищи всегда была одной из важных проблем, стоящих перед человеческим обществом. Человечество испытывало и продолжает испытывать дефицит продуктов питания. Однако простое увеличение потребления пищи не может решить всех проблем, связанных с питанием, которое должно быть рациональным, соответствовать основным требованиям науки о питании, которые должны учитываться при разработке стратегии развития пищевой промышленности. Питание - важнейший фактор внешней среды, от которого решающим образом зависит здоровье и благополучие человека.
Пище и питанию принадлежит ведущая роль в обеспечении нормального роста и развития организма, защите его от болезней и вредных воздействий, поддержании активного долголетия. Физиологические потребности человека в основных пищевых веществах и энергии изменяются вместе с изменениями условий труда и быта. Не остаются неизменными набор и качество продовольственного сырья и продуктов питания, технологические приемы их переработки и хранения, существенно влияющие на химический состав и пищевую ценность этих продуктов.
Теоретические и практические основы создания продуктов функционального назначения с регулируемым составом изложены в трудах Л.А. Покровского, A.M. Уголева, Н.Н. Липатова, И.А. Рогова, В.А. Тутельяна, В.М. Позняков-ского и других отечественных исследователей. Применительно к молочной отросли они развиты в трудах Н.Н. Липатова (мл.), В.Д. Харитонова, А.Г. Храм-цова, М.С. Уманского, Н.И. Дунченко, И.А. Евдокимова, Н.Б. Гавриловой.
Современные тенденции совершенствования ассортимента продуктов питания ориентированы на создание сбалансированной по пищевой и биологической ценности продукции, способной обеспечивать потребности в физиологически активных веществах различных групп населения. Сущность и необходимость развития этого направления сформулировано в постановлении Правительства РФ о «Концепции государственной политики в области здорового пи-
5 тания населения РФ.
Среди различных видов молочного сырья особое место занимает сыворотка, которая по своему составу и свойствам является ценным пищевым сырьем. В последние годы уделяется усиленное внимание глубокой переработке молочной сыворотки - получению производных компонентов (гидролизаты молочного жира, белков, лактозы, лактулозы). Иногда сыворотка является более «ценным» продуктом, чем сыр, творог и казеин, например, при получении отдельных фракций сывороточных белков, аминокислот, ферментов, которые оказывают существенную роль при лечении различных заболеваний. Доказано, что потребление пищевых антиоксидантов положительно сказывается на профилактике раковых заболеваний и атеросклероза. Водорастворимые компоненты пищевых антиоксидантов - каротиноидов и а-токоферола с низкой молекулярной массой - присутствуют в ультрафильтрате молочной сыворотки. Идентификация антиоксидантов в ультрафильтрате имеет важное значение для использования молочной сыворотки и продуктов ее переработки в качестве функциональных ингредиентов пищевых продуктов. Таким образом, глубокая переработка молочной сыворотки позволяет получать продукты, обладающие функциональными свойствами. Следует отметить, что по своему составу сыворотка может служить хорошей основой для получения комбинированных продуктов, в том числе продуктов многофункционального назначения с регулируемым составом.
Учитывая вышеизложенное, представляет научный и практический интерес исследовать целесообразность создания функциональных продуктов на основе молочной сыворотки. Настоящая работа посвящена изучению технологических особенностей формирования продуктов функционального назначения на основе молочно-растительного сырья. В качестве научной концепции использован разработанный нами принцип аналитической комбинаторики, позволяющий отказаться от эмпирического подхода к проектированию функциональных продуктов сложного сырьевого состава, рассматриваемый принцип является,
по сути, универсальной методологией, позволяющей проектировать новые виды продуктов питания заданного состава и свойств.
Значительная часть материалов, представленных в работе, связана с методологией системного анализа, в основу которой положена диагностика технологических потоков переработки молочной сыворотки в гелеобразныс продукты, обладающие функциональными свойствами.
По материалам диссертации опубликовано десять работ, в том числе -отраслевом журнале «Молочная промышленность».
Современное состояние и перспективы развития науки о питании
Формирование научных представлении о питании и роли пищевых веществ в процессах жизнедеятельности началось в середине XIX в с появлением классической парадигмы питания, становлению которой предшествовал ряд научных открытий, непосредственно или опосредованно связанных с питанием. К ним относятся открытие витаминов, ионов микроэлементов, научные достижения, связанные с выяснением структуры белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот, роли микроэлементов в жизнедеятельности организма, структуры и организации биологических систем, научные данные, связанные со строением организма на клеточном уровне. Впервые за всю историю эволюции цель питания стали связывать со здоровьем человека [19, 50, 99, 100, 118, 122, 123].
Концентрированным выражением классической парадигмы явилась окончательно сформировавшаяся в конце XIX — начале XX в теория сбалансированного питания, в основе которой лежат три главных положения: - при идеальном питании приток веществ точно соответствует их потере. - приток питательных веществ обеспечивается путем поступления пищевых структур и использования организмом образовавшихся органических и неорганических веществ [100, 122].
Согласно этой теории, нормальное функционирование организма обеспечивается при его снабжении не только необходимыми энергией и белком, но также при соблюдении определенных соотношений между многочисленными незаменимыми факторами питания, каждый из которых выполняет свою специфическую функцию в обмене веществ.
В основе концепции сбалансированного питания лежит определение пропорций отдельных пищевых веществ в рационе, отражающих сумму обменных реакций, которые характеризуют химические процессы, обеспечивающие в итоге жизнедеятельность организма.
Исходя из формулы сбалансированного питания, полноценный рацион должен содержать питательные вещества пяти классов: - источники энергии - белки, жиры, углеводы; - незаменимые аминокислоты; - витамины; - незаменимые жирные кислоты; - неорганические элементы.
В 80-х гг. XX в сформулирована новая теория питания, представляющая собой развитие теории сбалансированного питания с учетом новейших знаний о функциях балластных веществ и кишечной микрофлоры в физиологии питания [75, 99, 100, 137, 147, 151]. Эта теория, автором которой являлся российский физиолог академик А. М. Уголев, названа теорией адекватного питания. В основу теории положено четыре принципиальных положения: - пища усваивается как поглощающим ее организмом, так и населяющими его бактериями; - приток нутриентов в организме обеспечивается за счет извлечения их из пищи и в результате деятельности бактерий, синтезирующих питательные дополнительные вещества; - нормальное питание обусловлено не одним, а несколькими потоками питательных и регуляторных веществ; - физиологически важными компонентами пищи являются балластные вещества, получившие название «пищевые волокна».
Теория адекватного питания формулирует основные принципы, обес печивающие рациональное питание, в котором учитывается весь комплекс факторов питания, взаимосвязи этих факторов в обменных процессах и соответствие ферментных систем организма индивидуальным особенностям протекающих в нем химических превращений.
Таким образом, основной идеей новой теории стало то, что питание должно быть не только сбалансированным, но и адекватным, т.е. соответствующим возможностям организма.
Теория рационального питания - это практическая реализация постулатов теории адекватного питания.
Основу рационального питания составляют три главных принципа.
1.Баланс энергии, который предполагает адекватность энергии, поступающей с пищей, и энергии, расходуемой в процессах жизнедеятельности.
2. Удовлетворение потребности организма в оптимальном количестве и соотношении пищевых веществ.
3. Режим питания, подразумевающий соблюдение определенного времени и числа приемов пищи, а также рационального распределения пищи при каждом ее приеме [80, 91, 99, 100].
Современная наука о питании интегрирует большое число фундаментальных и прикладных дисциплин, а также характеризуется активным развитием приоритетных направлений, зависящих от уровня развития общества, национальных привычек, культуры питания. Основные направления науки о питании следующие [92, 103, 119. 122, 123, 139, 156]: 1. Эпидемиология питания, которая включает изучение фактического питания, пищевого статуса, мероприятия по рационализации питания. 2. Обеспечение качества продовольственного сырья и пищевых продуктов. 3. Развитие фундаментальных исследований в области биохимии и физиологии питания.
Организация выполнения исследований
Экспериментальные исследования проводили в научно исследовательской лаборатории кафедры «Технология молока и молочных продуктов» Кемеровского технологического института пищевой промышленности. Схема эксперимента представлена на рисунке 1. Исследования проводили поэтапно.
На первом этапе изучали состав и свойства наиболее распространенных видов растительного сырья Западно-Сибирского региона с целью использования в технологии гелеобразных сывороточных продуктов (ГСП). В растительном сырье определяли массовые доли белков, липидов, Сахаров, витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон, а также фракционный состав указанных веществ.
На втором этапе теоретически обосновали методику создания многокомпонентных продуктов питания, в основу которой положен принцип аналитической комбинаторики. Ее суть заключается в расчете критериев участия отдельных компонентов рецептуры в формировании качества новых продуктов. Сформулированные теоретические положения позволили исключить эмпирический подход при поиске сырьевой базы и определении различных аспектов целесообразности комбинирования.
На третьем этапе осуществляли расчет критериев комбинаторики и анализировали полученные результаты. Исследовали влияние доз растительного сырья на органолептические показатели ГСП. Для оценки использовали критерии ограничения и повышения пищевой ценности, в качестве регулируемых показателей - содержание биологически активных веществ в готовой продукции.
Следующий этап связан с исследованием стабильности технологических потоков гелеобразных продуктов. На данном этапе работы определяли критерии технологичности потоков, а также стабильность отдельных подсистем.
На пятом этапе проектировали рецептуры гелеобразных продуктов. С этой целыо проводили эксперименты, в которых изучали влияние различных растительных компонентов, а также основного сырья (гелеобразователя, молочной сыворотки, сахарозы) на органолептические, физико-химические и микробиологические показатели продукта.
Заключительный этап связан с практической реализацией проведенных исследований. Разрабатывали технологию гелеобразных продуктов, определяли их состав и свойства, разработали и утверждали нормативную документацию, проводили промышленную апробацию предлагаемых решений.
При выполнении работы использовали общепринятые, оригинальные и стандартные физико-химические, биохимические и микробиологические методы исследований.
Объектами исследования являлись: - сыворотка молочная (ОСТ 10-02-02-3 -87); - пектин яблочный или цитрусовый по действующей нормативной документации отечественного или импортного производства, разрешенные к применению органами государственной санитарно-эпидемологической службы РФ; - отруби пшеничные (ТУ 9295-002-00932169); - пшеничные зародышевые хлопья (ТУ 9295-001-0093216); - сортосмесь ягод и плодов, собранных в Кемеровской области, урожаев 2003-2004 гг; - сортосмесь овощей, собранных в Кемеровской области, урожаев 2003-2004 гг; - сахар-песок (ГОСТ 21); - кислота лимонная пищевая (ГОСТ 908) - лабораторные образцы пюре, выработанного из плодово-ягодного и овощного сырья; - лабораторные образцы гелеобразных продуктов.
Для исследования использованы общепринятые стандартные методы, в том числе физико-химические, микробиологические, реологические и органо-лептические: - массовую долю влаги и сухого вещества в отрубях пшеничных, пше ничных зародышевых хлопьях, а также в сывороточных гелях определяли по ГОСТ 9404-88 ускоренным методом на приборе Чижовой путем высушивания навески продукта при температуре 160С [89]; - массовую долю белка в пшеничных отрубях, пшеничных зародышевых хлопьях определяли методом Кьельдаля по ГОСТ 10846-91, который основан на разложении белка серной кислотой при нагревании и титрованием образующегося аммиака соляной кислотой, с учетом поправочного коэффициента 6,38 [89]; - исследование аминокислотного состава растительного сырья проводили спекторофотометрическпм методом, в основе которого лежит поглощение аминокислотами света с определенной длиной волны и измерение интенсивности его отражения в приборах анализаторах [89];
- массовую долю жира в растительном сырье определяли методом экстракции в аппарате Сокслета по ГОСТ 29033-91 по обезжиренному остатку, т.е. по разности массы гильзы до экстракции и после нее [89]; - массовую долю сахарозы определяли рефрактометрическим методом [89];
Исследование состава и свойств сырьевых компонентов растительного происхождения
Разнообразное растительное сырье широко используют в рационах населения. Это объясняется их составом, а также наличием у них целого ряда функциональных свойств. Большинство биологически растительных объектов являются источником поступления витаминов, пищевых волокон, органических кислот, Сахаров, микроэлементов и других, весьма полезных для человека соединений.
В последние годы появляется много исследований по использованию растительного сырья, в том числе ягод и овощей, при выработке комбинированных продуктов на молочной основе, что позволяет существенно расширять их ассортимент, а также повысить пищевую ценность.
Академик Н.Н.Липатов на основе анализа современного состояния ассортимента молочных продуктов с учетом ретроспективных изменений сфор мулировал тенденции его формирования и дальнейшего развития, выделив, пять основных направлений.
Первое заключается в комбинировании путем добавления к молоку или молочным продуктам сырья растительного и животного происхождения или добавления к ним полезных молочных ингредиентов. Суть второго направления состоит в замене в молоке или молочных продуктах какой-либо составной части на компонент немолочного происхождения. Его автор назвал модифицированием. Третье направление - фракционирование, то есть разделение на отдельные фракции главным образом (жир и белок). Следующее направление состоит в обогащении молочных продуктов вкусовыми и ароматическими микрокомпонентами и витаминами, а также имеет биотехнологический характер [85, 86].
Комбинирование открывает широкие возможности по созданию продуктов функционального назначения с заранее заданным составом. В связи с этим возникла необходимость изучить состав и свойства наиболее распространенных в Западно-Сибирском регионе основных представителей ягодного и овощного сырья, а также различных продуктов их промышленной переработки. Кроме того, практический интерес для использования в молочной промышленности представляют продукты, получаемые при переработке зерна в муку (отруби и зародыши). Результаты этих исследований приводятся в настоящем разделе диссертации.
В таблице 3.1 приведены сведения по составу наиболее распространенных в Западно-Сибирском регионе ягод и овощей, а также продуктов переработки зерна.
Сухие вещества большинства обследуемых ягод состоят, главным образом, из углеводов и органических кислот. По содержанию общего количества углеводов они располагаются в следующем порядке: рябина красная - 78,6, смородина красная - 71,9, черноплодная рябина - 68,7, смородина черная -68,8, клюква - 59,1 и облепиха - 34,8% от общего количества сухих веществ. бине 9,3% от общего количества сухих веществ. Ягоды облепихи, в отличие от других, содержат в среднем 6,2% липпдов, что составляет около 40,0% сухих веществ.
Иная картина наблюдается в овощах. Основная часть сухих веществ представлена углеводами. В картофеле они составляют в среднем 82,8%, в тыкве - 79,4%, в свекле - 80,7%, в петрушке - 72,7%, в капусте - 61,0% и в моркови - 67,8%о от содержания сухих веществ. Также из таблицы видно, что изучаемые фракции зерна имеют существенные различия в своем составе.
В большинстве овощей и плодов очень мало белков, к тому же по биологической ценности, как известно, они мене ценны, чем животные. Недостатком растительных белков является также то, что они заключены в оболочку из клетчатки, поэтому труднодоступны для пищеварительных соков. Таким образом, плоды и овощи не представляют существенной ценности как источники белка в питании (исключением являются богатые белком бобовые).
Однако приведенные в таблице 3.1 сведения о содержании основных пищевых веществ в растительных объектах не отражают полной картины отдельных элементов, входящих в состав ягод, фруктов, овощей и зерновых продуктов (белков, липидов, углеводов и других веществ). Это не позволяет рационально строить технологический процесс их переработки с максимальным сохранением полезных составляющих. В этой связи более подробно рассмотрим фракционный состав отдельных групп пищевых веществ.
Считают, что большинство растительных продуктов не являются источником поступления белковых веществ в организм человека. Нами предпринята попытка оценить качественный и количественный состав азотистых веществ в продуктах переработки злаковых. ПЗХ, в сравнении с отрубями, содержат в 2,0 раза больше белка и в 2,8 раза больше жира. Характеризуя биологическую ценность отрубей и зародышей, следует остановиться на их аминокислотном составе таблицах 3.2. и 3.3.
Разработка рецептур гелеобразиых сывороточных продуктов
Пектиновых веществ в плодах и овощах значительно меньше, чем Сахаров. Из общего количества углеводов в обследуемых объектах около 50% (от 57,3% для черной смородины до 47,6% для облепихи) приходится на моно- и дисахариды. Содержание моно- и дисахаридов в различных видах овощей колеблется от 9,0% (свекла) до 1,3% (картофель).
Гемицеллюлоза, целлюлоза - эти полисахариды, из которых в основном построены оболочки клеток растительных тканей. Целлюлоза почти не усваивается организмом, но способствует нормальной деятельности кишечника.
Содержание ее в плодах и ягодах составляет от 0,6 до 5,1%, в овощах -от 0,3 до 2,0%. Гемицеллюлоза химически менее стойкая, в воде не растворимая, но растворяется в щелочах и гидролизуется в более слабых растворах кислот, чем клетчатка. Общее содержание гемицеллюлозы в плодах и овощах, как правило, тем выше, чем больше в них клетчатки. Гемицеллюлоза подвергается более или менее полному гидролизу во время переработки плодов и овощей, благодаря чему влияет на консистенцию готового продукта.
В углеводном комплексе ПО и ПЗХ преобладают высшие полисахариды (крахмал, целлюлоза, гемицеллюлоза), в меньшем количестве содержится са-хароподобные полисахариды и простые сахара (таблица 3.7).
Углеводы пшеничных отрубей представлены пищевыми волокнами (69% от общего количества углеводов), крахмалом (19,4%) и сахарами (11,6%). В зародышах пшеницы эти фракции находятся в следующих соотношениях: 36,3; 44,1 и 19,6% от общего количества углеводов.
Пищевые волокна у обоих изучаемых объектов представлены гемицел-люлозой, целлюлоза, лингшюм, который не содержится в овощах и плодах.
Научный и практический интерес представляют состав и физико-химические свойства пектиновых веществ изучаемых объектов (таблица 3.8). Их общее содержание колебалось от 0,1 до 3,6%, из которых на долю водорастворимого пектина приходилось от 0,05 до 1,0%, а доля протопектина составляла 0,05-2,6%. В зависимости от вида изучаемых растительных объектов свойства пектиновых веществ также имели существенные различия — изменялось количество свободных карбоксильных групп, степень этерифи-кации, количества метоксильных групп, а также величины, которые являются производными от указанных показателей. Совокупность рассмотренных физико-химических свойств определяла функциональные характеристики пектиновых веществ в целом (например, гелеобразующую способность), а также технологические свойства растительного сырья.
Значительную величину в доле пектиновых веществ составлял протопектин, причем его фракции, гидролизуемые в различных растворах неорганических веществ, отличались существенным колебанием в абсолютном содержании. Протопектиновые вещества в большей степени гидролизовались в слабощелочном растворе (NH4)C20.4. Это свидетельствует о сложности строения, протопектиновых веществ, а также их взаимосвязи с клеточными стенками, деструкция которых, вероятно, будет определять качественные характеристики готовой продукции в технологии гелеобразных сывороточных систем.
Как следует из анализа полученных результатов, пектиновые вещества существуют в нескольких формах. В зависимости от особенностей строения пектиновые вещества могут переходить из одного состояния в другое. В этой связи данное свойство в дальнейшем будем использовать для улучшения технологических свойств растительных объектов.
Следует отметить, что в каждой группе ягод содержатся пектиновые вещества (от 0,5% в облепихе до 2,0% в рябине красной). Примерно одна четвертая пектиновых веществ представлена растворимой формой. Количество протопектина в плодах и овощах составляет примерно 75 % от общего содержания пектиновых веществ. Более подробная характеристика состава пектиновых веществ исследуемого растительного сырья, а также его свойств приведена в таблице 3.8.
