Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 8
1.1. Характеристика перспективных источников белковых ресурсов перерабатывающих отраслей АПК 8
1.2. Анализ современных подходов к созданию продуктов питания нового поколе ния 36
1.3. Опыт и современные тенденции развития экструзионного производства комбинированных белковых продуктов 48
ГЛАВА II. Объекты, материалы и методы исследования 68
2.1. Объекты и материалы исследований 68
2.2. Общие методы исследования 73
2.3. Моделирование и анализ компонентного состава комбинированных продуктов 80
2.4. Описание экструзионной лабораторной установки 84
2.5. Математическое планирование и статистическая обработка результатов эксперимента 86
ГЛАВА III. Изучение условий получения экструдированных комбинированных мясо-растительных продуктов 89
3.1. Обоснование компонентного состава базовых рецептур комбинированных мясо-растительных продуктов 89
3.2. Оптимизация аминокислотного состава проектируемого белкового продукта 96
3.3. Разработка мясо-растительной смеси и исследование ее реологических свойств 100
ГЛАВА IV. Обоснование основных параметров экструзионного процесса получения комбинированных мясо-растительных продуктов 109
4.1. Изучение кинетики экструзионного процесса получения комбинированных продуктов 109
4.2. Обоснование основных параметров экструзионнои обработки продуктов из мясо-растительного сырья 119
ГЛАВА V. Разработка и комплексная оценка свойств и качества экструдированных комбинированных мясо-растительных продуктов 128
5.1. Разработка экструдированных комбинированных мясо-растительных продуктов 128
5.2. Комплексная оценка экструдированных белковых мясо-растительных продуктов 140
5.3. Разработка технологической схемы получения экструдированных комбинированных мясо-растительных продуктов 148
Выводы 152
Список использованных источников
- Анализ современных подходов к созданию продуктов питания нового поколе
- Моделирование и анализ компонентного состава комбинированных продуктов
- Оптимизация аминокислотного состава проектируемого белкового продукта
- Обоснование основных параметров экструзионнои обработки продуктов из мясо-растительного сырья
Анализ современных подходов к созданию продуктов питания нового поколе
Традиционно для приготовлении пищи используются натуральные продукты животного (ткани животных, рыба, молоко) и растительного (зеленые растения, фрукты, овощи, злаковые, бобовые) происхождения, птицепродукты (мясо и яйцо), рыба, морепродукты. В последние годы дополнительным источником пищевых веществ, главным образом белка, успешно используются продукты микробного синтеза (биомасса).
Явные преимущества в качестве животных белков, с одной стороны, и их нарастающий дефицит, с другой, диктуют необходимость максимального и рационального использования ресурсов белокпроизводящих отраслей АПК.
Мясная промышленность - основной поставщик белкового питания, физическая и биологическая незаменимость которого очевидны. Однако в отечественной мясной отрасли потери белоксодержащих ресурсов при переработке сельскохозяйственных животных составляют 14 % к общей массе сырья, имеет место нерациональность их использования: потенциально возможные к использованию на пищевые цели вторичные продукты переработки животных на 12 % и 10 % соответственно направляются на выработку кормовых и технических продуктов. По данным Всероссийского научно-исследовательского института мясной промышленности, не востребуется около 50 % крови убойных животных; годовое производство субпродуктов II категории составляет 1000 т при использовании на пищевые цели около 12 %; ограниченно востребуется белковое сырье обрезков шкур, кожи, объем которых составляет 30 000 т; производство богатой белком мясной обрези составляет около 140 000-150 000 т, однако используется она на пищевые цели далеко не полностью; совершенно не востре . 9 буются белковые отходы, получаемые при вытопке жиров, фасции, шкурки, жилки и другие малоценные продукты. Очень слабо используется в составе кормопродуктов кератиновые отходы, содержащие более 80 % белков и т. д.
Задача максимального и рационального использования белков всех продуктов переработки сельскохозяйственных животных и птиц тесно связана с созданием прогрессивных технологий, базирующихся на глубоких знаниях особенностей тканевой структуры, химии, функциональных свойств, пищевой и биологической ценности белков всех вторичных продуктов и малоценных отходов [8]. Вместе с тем, следует подчеркнуть особую важность этого направления не только с позиций ликвидации белкового дефицита в рационах, но и улучшения структуры питания в целом.
Одним из резервов в решении проблемы дефицита животного белка является максимальное вовлечение вторичных и малоценных продуктов переработки скота на основе тщательной и полной оценки и создания новых пищевых форм белка.
Классификация коллагенсодержащих ресурсов по структуре и свойствам, анализ функциональных свойств в биологическом и технологическом аспектах позволит определить области и объемы наиболее рационального и экономически эффективного применения этого ценного сырья [13].
Вместе с тем, по статистическим данным [4, 13, 53], только в кожевенной промышленности ежегодно перерабатывается более 1 млн т зрелого коллагена, или 1,4 млн. т шерсти. В процессе выработки кож, а затем изделий из нее, в отходы переходит около 40 % коллагенсодержащего сырья. Только приближенные расчеты показывают, что около 400 тыс. т зрелого коллагена - ценного животного сырья - используется нерационально или не используется совсем. Известно, что сегодня вывозится на свалку около 25 тыс. т гольевых, 30 тыс. т дубленых (стружка, обрезь), более 10 тыс. т суммарных отходов кожевенно 10 обувного производства. Обрезки шкур после первичной обработки на мясокомбинатах рационального применения практически не имеют.
Сравнительная оценка толщины, ориентации и степени переплетения коллагеновых волоконец в различных топографических участках шкур сельскохозяйственных животных дает основу для разработки рациональных путей применения малоценных отходов обработки шкур и кож, максимального использования коллагеновых белков на основе их прочности и трудоемкости отделения от других химических компонентов тканей. Дифференциация последних, их массовое соотношение имеет немаловажное значение в достижении поставленной цели.
Моделирование и анализ компонентного состава комбинированных продуктов
Для крепления и смены узлов экструдер оборудован устройством, имеется шкаф с пультом управления. Конструкция станины позволяет устанавливать на одной и той же станине корпуса разной длины. Корпуса могут выполняться в зависимости от требований мало- и сильно охлаждаемыми. Большое разнообразие экструдеров позволяет перерабатывать различные виды агропищевого сырья и производить продукцию с новыми физическими и реологическими свойствами. Процесс экструдирования протекает так: продукт захватывается шнеком , перемещается вдоль корпуса, проходит зоны сжатия, разогрева (за счет сил трения продукта о поверхность вращающегося шнека и корпуса, а также деформации сдвига в самом продукте), гомогенизации, зону непосредственно экструзии и разгрузки. Продолжительность обработки составляет 1-2 мин. Давление и температура при этом возрастают соответственно до 50 МПа и до 200 С.
Рассматривая экструзию как термодинамический процесс, следует отметить важную роль воды, которая при отмеченных выше условиях может существовать только в жидкой фазе. После прохождения зоны формования и разгрузки происходит мгновенный (1,1-104 с) переход продукта из области высоких давлений в условия атмосферного. При температуре перерабатываемого продукта выше ПО... 130 С это сопровождается декомпрессионным взрывом: вода находящаяся в продукте, переходит в парообразное состояние с выделением значительного количества энергии, что приводит к деструкции клеточных структур (взрыву) и вспучиванию продукта. Линейные размеры вспученных продуктов возрастают более чем в 2 раза, а соответственно еще более увеличивается объем.
В результате экструзии происходят существенные изменения и текстури-рование не только на клеточном уровне, но и сложные химические, микробиологические (стерилизация), физические процессы и явления.
Пищеварение человека и животных с точки зрения физиологии основано на механической деструкции пищевых продуктов, их последующей кислотной и ферментативной обработке и преобразовании сложных веществ в более простые, сопровождающееся значительными затратами физиологической энергии. Поэтому экструдированные продукты питания в значительной мере снимают ряд проблем, особенно у людей, страдающих определенными заболеваниями.
В настоящее время экструзионная технология достаточно устойчиво внедряется в различные отрасли пищевой промышленности, для создания биологически полноценных продуктов питания традиционных и оригинальных технологических форм различного ассортимента на основе рационального использования сырья животного и растительного происхождения.
На современном этапе развития экструзионной технологии предпринимаются попытки создания оптимальных рецептурных смесей, с точки зрения технологических факторов экструзионного процесса и качества получаемых продуктов [37, 38].
Таким требованиям отвечают мясо-растительные смеси, где происходит комбинирование белка лшвотного и растительного происхождения, который не только сбалансирован по аминокислотному составу и обладает высокой пищевой и биологической ценностью, а также является дисперсной фазой в дисперсионной системе белок - крахмал, так как растительное сырье насыщенно последним [44, 45].
Изменение физико-химических свойств основных компонентов сырья (углеводов, белков) при экструдировании сопровождается повышением их гидро-тационной способности, что резко увеличивает функционально - технологические характеристики. Это позволяет широко использовать экструдаты в качестве текстурированных комбинированных мясо-растительных добавок в мясной отрасли пищевой промышленности.
Таким образом, с помощью экструзии можно создавать необходимые структуры, управляя химическим составом и свойствами конечной продукции [51, 168]. Варочно-экструзионная технология позволяет увеличить не только ассортимент новых видов продукции, но и область использования нетрадиционных пищевых продуктов [36,46, 47, 99, 101,167]. Применение экструзии как составной части ряда технологических процессов позволяет не только интенсифицировать традиционные процессы, но и создать технологии пищевых продуктов нового типа с расширением ассортимента выпускаемой продукции широкого спектра использования на основе рациональной переработки белковых ресурсов отраслей АПК. Внедрение принципов экструзии позволяет существенно снизить потребность в неквалифицированной рабочей силе; обеспечить более высокий уровень санитарно-гигиенического состояния производства; объединить разрозненные технологические приемы (дозировка и смешивание ингредиентов; термическая обработка; формование слоев или дискретной фазы какого-либо компонента) в едином аппаратурном оформлении, что должно обеспечить значительное повышение производительности.
Оптимизация аминокислотного состава проектируемого белкового продукта
Ключевым фактором, в решающей степени определяющим соответствие продукта ожидаемым свойствам, является способ обоснования рецептурного состава.
Выбор оптимальных ингредиентов и проектирование рецептур оригинальных биологически полноценных экструдируемых пищевых белковых продуктов осуществляли путем математического моделирования на ПЭВМ ШМ PC/AT с использованием методических подходов и программных продуктов, разработанных на кафедре технологии мяса и мясных продуктов Воронежской государственной технологической академии.
Реализованные в работе подходы к конструированию пищи со специальными свойствами и высокими качественными показателями позволяют оперативно определять наиболее рациональный вариант с позиции физико-химических показателей, биологических показателей, экономической целесообразности и лечебно-профилактической направленности.
В достижении цели создания принципиально новых продуктов питания с учетом профессионально-возрастных и региональных особенностей потребителей большую роль играет выпуск разнообразных пищевых, в том числе мясо-растительных продуктов с повышенной массовой долей балластных веществ (БВ). Исследования зарубежных ученых в 70-90 годы убедительно показали, что отсутствие таких продуктов приводит к негативным последствиям. Мясное белковое сырье: Один из видов БВ - не утилизуемые человеческим организмом элементы соединительных тканей животных - коллагенсодержащее сырье мясной про 90 мышленности [74], ресурсы которого достаточно подробно охарактеризованы в
В 50-х годах стали появляться первые сообщения о непосредственной связи между недостаточным содержанием пищевых волокон (ПВ) в рационе и прогрессировавшем болезней, относящихся по современной терминологии к "болезням нарушенного метаболизма" [65, 121, 122, 180].
Одновременно увеличивается количество сведений о том, что элементы соединительной ткани мясных продуктов, практически неутилизуемые организмом, также оказывают положительное влияние на пищеварение [4, 64]. Постепенно все более выявлялась необходимость включения малоусвояемых компонентов в общий пищевой рацион, хотя их роль не была достаточно ясна.
Новое учение об экзотрофии, в частности теория адекватного питания, утверждает, что не только нутриенты, но и балластные вещества - существенные, физиологически важные компоненты пищи.
Научную интерпретацию сходства физиологических ролей ПВ и элементов соединительной ткани в процессах пищеварения позволила найти разработанная A.M. Уголевым [142] общая система новых взглядов на экзотрофию пищи.
Теория адекватного питания, таким образом, позволила впервые показать и научно обосновать жизненно важную роль БВ, и прежде всего ПВ, в метаболических процессах [65, 74, 116, 121,142].
Таким образом, защитные антиканцерогенные и радиопротекторные свойства ПВ и элементов соединительной ткани в комплексе со всеми другими рассмотренными их общими функциями в организме, позволяют теоретически обосновать экспериментальные наблюдения о необходимости содержания этих веществ в пище, которые могут применяться в качестве БАД в компонентный состав пищевых биопродуктов лечебно - профилактического назначения [122, 127, 142].
Перспективным дополнительным источником белка и минеральных веществ в рецептурах продуктов может служить мясо механической обвалки, причем выраженными диетическими свойствами обладает мясо птицы, в частности, мясо птицы механической обвалки.
Мясо птицы механической обвалки обладает высокой пищевой и биологической ценностью, сбалансировано по аминокислотному составу [143], что позволяет применять его в качестве компонента, включая в рецептурные композиции пищевых комбинированных биосистем.
Растительное белковое сырье: Чечевица - ценная продовольственная и кормовая культура табл. 3.1 [88]. В 100 кг зерна чечевицы содержится до 120 кормовых единиц и 21 кг перевариваемого протеина. По содержанию белка чечевица превосходит горох, нут, фасоль. В среднем по Центрально-Черноземной области массовая доля белка в чечевице составляет 27,7 % (колеблется от 21,0 до 31,9 %).
По содержанию аминокислот чечевица табл. 3.2 практически не уступает сое, а по некоторым незаменимым (валин, изолейцин, аргинин) даже превосходит ее. В чечевице, как и у всех представителей растительного царства, обнаружены ингибиторы трипсина. Валено отметить, что чечевица - одна из немногих культур, которая ингибирует только трипсин; большинство же бобовых инак-тивируют все ферменты пищеварительной системы.
При тепловой обработке ингибиторы трипсина теряют активность, и пищевая ценность белков чечевицы становится сопоставима с белком молока.
Достаточно высокая урожайность, неприхотливость, традиционность и опыт работы сельского хозяйства России по выращиванию чечевицы ставит ее в одно из первых мест по перспективности использования для получения пищевого белка.
Обоснование основных параметров экструзионнои обработки продуктов из мясо-растительного сырья
Задача обеспечения населения конкурентоспособными отечественными продуктами питания высокого качества, сбалансированными по основным компонентам - белкам, углеводам, их производным, а также витаминам и другим биологически активным веществам может быть решена за счет реконструкции перерабатывающих отраслей АПК на основе внедрения интенсивных, безотходных ресурсо- и энергосберегающих технологий.
Таким требованиям отвечает варочно-экструзионная технология в аспекте реализации производства белковых комбинированных мясо-растительных полуфабрикатов и готовых продуктов [24, 35, 44, 73].
Реализации этого направления предприятиями пищевой промышленности препятствует, с одной стороны, ограниченное количество рекомендаций, обосновывающих рациональный компонентный состав пищевых смесей для переработки на основе экструзионных процессов, а с другой - недостаток научно-обоснованных подходов, позволяющих достоверно прогнозировать эффективные технологические режимы применительно к условиям частных производств.
Рациональный состав пищевых смесей в соответствии с формулой сбалансированного питания предусматривает соотношение углеводы : белок, равное 4:1, однако большинство рационов питания в современных социальных условиях не соответствуют рекомендуемым нормам, нуждаясь в коррекции в сторону обогащения белковым компонентом. Интересно отметить, что этим требованиям удовлетворяют комбинированные мясо-растительные смеси для получения белковых продуктов путем экструзионной обработки.
При этом основу рецептурных композиций составляет растительный компонент с углеводной фракцией массовой долей 60-65 %, представленной преимущественно крахмалом, что обеспечивает получение продукта пористой структуры с эффектом экспондирования на уровне 250-300 %, а внесение белковых компонентов животного происхождения массовой долей до 20 % позволяет целенаправленно повышать пищевую ценность продуктов, обогащая их биологически ценными и физиологически активными ингредиентами: незаменимыми аминокислотами, полиненасыщенными жирными кислотами, функциональными аналогами пищевых волокон [47] и т.д.
Базируясь на принципах максимального и рационального использования отечественных белковых ресурсов перерабатывающих отраслей АПК и методах компьютерного проектирования с использованием оригинальных программных продуктов, установлено, что оптимальный по общепризнанным критериям биологической ценности [91] состав рецептурных смесей для получения экструзи-онных комбинированных биопродуктов достигается при использовании в качестве растительной основы смеси чечевицы и манной крупы, в качестве мясного компонента - подвергнутого предварительной обработке вторичного белкового сырья мясной и птицеперерабатывающей промышленности. Для полифункционального обогащения продуктов комплексом пищевых веществ, микро- и макроэлементов использовали порошкообразные молочно-овощные полуфабрикаты (ПМОП) производства ОАО "Воронежская кондитерская фабрика", (ТУ 9164-001-02068102-94). Объектами исследования служили комбинированные белково-углеводные (крахмальные) смеси на основе животного и растительного сырья: коллагеновые полуфабрикаты 12-14 %, высушено мясо птицы механической обвалки 6-8 %, чечевичная мука 51-56 %, манная крупа 14-17 % и ПМОП 3-6 %.
Эксперимент проведен на экструзионной установке при рациональных параметрах экструзионного процесса в условиях лаборатории кафедры технологии мяса и мясных продуктов, промышленные испытания - на экструдере КМЗ - 2У (ОАО «Воронежская кондитерская фабрика», г. Воронеж).
Результаты эксперимента оформили в виде табличных данных табл. 4.1. Показано [36, 45, 99], что в случае комбинированных углеводно-белковых пищевых смесей адекватная оценка экструзионного процесса возможна на основе комплексного анализа влияния основных параметров обработки на характер экструдирования и качество экструдата.
Основываясь на анализе имеющихся в литературе данных [37, 105, 147, 153] и результатах собственных исследований [25], при изучении влияния условий экструзионной обработки на процесс получения продуктов исходили из оцененных как рациональных базовых технологических и кинетических параметров экструзионного процесса. В качестве совместимых и некоррелированных между собой факторов планирования использовали: Xi - время нахождения продукта в рабочей камере экструдера (60-120 с); Х2 - влажность экструдируе-мой комбинированной мясо-растительной смеси (12-18 %); Х3 - температура продукта в предматричной зоне экструдера (438-458 К); Х4 - скорость вращения шнека (8,4-12,6 с"1).
В качестве наиболее значимого выходного параметра, позволяющего комплексно охарактеризовать влияние совокупности факторов на экстру знойный процесс, оценивали давление в предматричной зоне экструдера- Yi, Мпа.
Изучение влияния условий экструзионной обработки на процесс получения биопродуктов проводили на основе стандартных математических методов планирования многофакторного эксперимента [58].
Графическая интерпретация экспериментальных данных (рис. 4.1) позволила установить: увеличение частоты вращения шнека приводит к снижению температурного воздействия на экструдируемый продукт в рабочей камере экструдера.
Увеличение угловой скорости вращения шнека обусловливает возрастание и линейной скорости перемещения пластифицирующейся массы от зоны загрузки до матрицы, тем самым уменьшая период нахождения термолабильного продукта в рабочей камере экструдера.
