Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1. Медико-биологические аспекты применения коллагенсодержащих препаратов и пищевых волокон в производстве пищевых продуктов 7
1.2 Функционально- технологические свойства коллагенсодер жащих препаратов 21
1.3. Функциональные продукты на основе творога 25
1.4. Структурообразующие пищевые добавки, применяемые в производстве творожных изделий 34
1.5. Основные выводы к главе 1. Цель и задачи собственных исследований 44
Глава 2. Организация эксперимента, изучаемые объекты и методы исследований 46
2.1. Организация эксперимента 46
2.2. Объекты исследований 46
2.3. Методы исследований 49
2.4. Обработка экспериментальных данных 56
Глава 3. Экспериментальная часть 5 8
3.1. Обоснование компонентного состава проектируемого продукта 5 8
3.2. Разработка модельной среды для производства мол очно-сывороточного продукта функционального назначения 59
3.3. Исследование функционально-технологических свойств белковых коллагенсодержащих препаратов 60
3.4. Определение рациональных доз белковых коллагенсодержащих препаратов 74
3.5. Подбор ингредиентов функционального назначения 77
3.6. Компьютерное решение рецептурной и ингредиентной задач моноструктурной оптимизации 96
3.7. Разработка технологии производства молочно-сывороточных продуктов 98
Глава 4. Комплексные исследования молочно-сывороточного продукта функционального назначения при производстве и хранении ЮЗ
4.1.. Изучение физико-химических и структурно-механических показателей молочно-сывороточного продукта функционального назначе ния при производстве и хранении 103
4.2. Изучение микроструктуры молочно-сывороточного продукта функционального назначения при производстве и хранении 106
4.3. Микробиологические и органолептические показатели молочно-сывороточного продукта функционального назначения при производстве и хранении 118
4.4. Изучение пищевой, биологической и энергетической ценности разработанного продукта 120
4.5. Экономическая эффективность использования коллагенсодер-жащих препаратов и пищевых волокон в производстве молочно-сывороточного продукта функционального назначения 126
Выводы 129
Библиографический список
- Медико-биологические аспекты применения коллагенсодержащих препаратов и пищевых волокон в производстве пищевых продуктов
- Обоснование компонентного состава проектируемого продукта
- Исследование функционально-технологических свойств белковых коллагенсодержащих препаратов
- Изучение физико-химических и структурно-механических показателей молочно-сывороточного продукта функционального назначе ния при производстве и хранении
Введение к работе
Состояние здоровья населения Российской Федерации на начало XXI века может быть охарактеризовано данными академика Российской Академии Медицинских Наук (РАМН) В.А. Тутельяна: 20 % населения РФ составляют здоровые люди, обладающие адаптивной мощностью; 40 - 45 % относятся к здоровому населению с пониженным уровнем адаптации к изменениям внешней среды; 30-35 % населения - склонные к заболеваниям и больные люди [58, 60, 112]. Угнетение иммунной системы может быть результатом действия как специфических агентов, например, ВИЧ-инфекции, так и неспецифических факторов - загрязнение окружающей среды, стрессы, белковое голодание и другие.
Между состоянием здоровья человека и питанием существует тесная взаимосвязь. Особенности питания влияют на процессы генерации энергии в клетке, биосинтез белка, структуру и функции клеточных и внутриклеточных мембран, активность ферментных систем, на нейрогуморальную регуляцию, иммунитет, биологические ритмы и т. д. От количества и качества питания существенно зависят биохимические показатели обмена веществ, функциональная активность разных органов и систем. При правильной организации питания, включающей знания о влиянии пищи на состояние здоровья, удается значительно снизить общую заболеваемость, повысить сопротивляемость организма к неблагоприятным факторам внешней среды, увеличить продолжительность жизни. Тем не менее нарушения в пищевом рационе населения обусловлены недостаточным потреблением нутриентов (витаминов, макро- и микроэлементов, полноценных белков, жиров), а также их неоптимальным соотношением [38,108].
Состояние питания и здоровья населения России требует проведения в рамках единой государственной политики необходимых профилактических мероприятий, среди которых важное место занимают вопросы по созданию качественно новых пищевых продуктов с заданным составом и свойствами, соответствующими потребностям человека, и увеличению их доли в структу-
ре питания [82, 104]. В этом направлении известны работы В.Г. Высоцкого, Н.Б. Гаврилова, З.Х. Диланяна, Н.И. Дунченко, Л.Н. Забодаловой, П.Ф. Кра-шенинина, В.А. Конышева, Н.С. Королевой, Н.Н. Липатова (мл.), Л.А. Остроумова, Н.С. Родионовой, И.А. Рогова, В.Ф. Семенихиной, A.M. Уголева, D. Burkit, D. Dalgleish, P. Fox, M. Jreen, H. Trowell и многие другие [14, 50 - 57, 59, 73 - 75,135, 136, 140, 141, 161].
Основным направлением научно-технического прогресса в области производства продовольствия в последние три десятилетия является интенсификация процессов приготовления пищи с одновременным приданием ей комплекса свойств, отражающих требования науки о здоровом питании. Новые пищевые производства в качестве приоритетных включают технологии получения белковых продуктов. Эти технологии основываются на фундаментальных и прикладных знаниях в области пищевой, физической, биологической, биоорганической химии, генетики, молекулярной биологии, биофизики и ряда технических дисциплин [96].
В последние годы большое внимание уделяется проблеме привлечения новых видов натурального белкового сырья и созданию на их основе продуктов массового потребления. Введение концентратов белка животного происхождения обуславливается их высокими функциональными свойствами, а также сравнительно низкой стоимостью в условиях постоянного роста цен на сырье [8]. Это направление хорошо изучено в мясной промышленности и недостаточно в молочной.
Создание новых продуктов на молочной основе с применением животного белка, соответствующих требованиям Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора, Министерства здравоохранения и медицинской промышленности о применении пищевых добавок [26, 97], поможет решить такие проблемы, как:
расширение ассортимента выпускаемой продукции;
целенаправленное изменение структуры питания;
сохранение натуральных качеств и пищевой ценности продукта;
удовлетворение потребностей человека в белке и пищевых волокнах;
стабильности пищевого продукта;
улучшению органолептических показателей продуктов;
предотвращение заболеваний желудочно-кишечного тракта и других болезней цивилизации;
гигиенической регламентации используемых добавок.
Медико-биологические аспекты применения коллагенсодержащих препаратов и пищевых волокон в производстве пищевых продуктов
Состояние здоровья населения по данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) имеет тенденцию к ухудшению. Нарушение принципов рационального питания неизбежно приводит к развитию заболеваний, которые сокращают человеческую жизнь. По данным РАМН в настоящее время продолжительность жизни населения составляет: 57 лет для мужчин и 72 года для женщин, против 72 и 80 лет, соответственно, для населения Западных стран [56,115].
Продукты питания как один из важнейших естественных факторов играют важную роль в жизнедеятельности настоящего и подрастающего поколений человечества и имеют первостепенное значение для решения многих вопросов, включая снижение степени риска заболеваемости организма человека. Однако в современных условиях труда общепринятые рекомендации о том, что пища должна быть калорийной и легкоусваиваемой, неприемлемы. Это связано с тем, что легкоусваиваемая пища формируется рафинированными продуктами, не требующими каких-либо усилий для переваривания, а следовательно, ведет к ослаблению функций пищеварения.
В структуре питания населения РФ продолжается снижение потребления наиболее биологически ценных продуктов: значительное преобладание в пищевом рационе мясных продуктов (от 52,5 до 85,3 %) над рыбными (4,6 -5,1 %), молочными (2,1 - 5,8 %) и растительными (1,7 - 2,9 %). Среди огромного количества продуктов растительного и животного происхождения наиболее совершенными, т. е. наиболее ценными в пищевом и биологическом отношении, являются молоко и молочные продукты.
Молоко - уникальная биологическая пищевая система, содержащая многофункциональные белки и липиды высокой биологической ценности, обусловленной их составом; углеводы, минеральные вещества, витамины, ферменты, гормоны и другие биологически активные вещества. Молоко и молочные продукты в значительной степени обеспечивают потребность организма человека в животном белке, незаменимых аминокислотах, полиненасыщенных жирных кислотах, фосфолипидах, кальции, фосфоре, микроэлементах, витаминах, ферментах [31, 32, 55, 94, 112, 135].
В последние годы в молочной промышленности Российской Федерации произошли глубокие изменения, которые существенным образом затронули экономику молочных предприятий. Изменились взаимоотношения заводов с поставщиками сырья, а также появились новые формы реализации продукции. Проблемы промышленности усиливаются изменениями соотношения компонентов в молоке, связанными с сезонностью его получения. В этих условиях возникла необходимость корректировки ассортимента молочных продуктов [16, 18, 19,70,71, 101].
Биологическая ценность продуктов из молока (в частности, творога) обусловлена не только их высокой усваиваемостью, но и продуктами жизнедеятельности полезной микрофлоры, которая развивается в процессе получения продуктов. Подобно молоку продукты на его основе содержат все основные пищевые вещества в хорошо сбалансированной форме, вследствие чего легко перевариваются в желудочно-кишечном тракте и быстро усваиваются организмом человека. Вместе с тем многие из них содержат белки в мелкодисперсном, частично расщепленном состоянии, что способствует особенно быстрой их переваримости. Благодаря накоплению углекислоты, молочной кислоты и других вкусовых веществ кисломолочные продукты возбуждают аппетит, стимулируют выделение желудочного сока, улучшают обмен веществ. Наличие в их составе живых микроорганизмов, способных приживаться в кишечнике и подавлять гнилостную микрофлору, а также способных прекращать образование ядовитых продуктов распа да белка - фенола, индола, скатола и др. В этом аспекте молочные продукты могут играть важную роль не только в профилактическом питании, но и в острый период заболеваний, а также в период реконвалестенции [112].
Практически все натуральные пищевые продукты не являются сбалансированными, так как не содержат незаменимых нутриентов в необходимых количествах и соотношениях. В связи с этим существует одна из острейших проблем современного питания, а именно патологическое состояние, вызванное несбалансированным питанием.
В настоящее время, когда изменился характер труда человека, резко снизились его физические нагрузки вследствие внедрения в производство разнообразных технических средств, а также малоподвижного образа жизни, в высокоразвитых странах, в том числе и в России, наблюдается избыточная калорийность питания населения за счет излишнего потребления жиров и углеводов [66, 120, 129].
Исследования в области рационального питания послужили поводом для ограничения потребления животного жира, содержащего повышенное количество холестерина. Данные исследования привели к изменению тенденции современного рынка, расширив ассортимент продукции пониженной жирности. Все большее внимание стало уделяться биологически полноценным продуктам [31, 126]. Это в первую очередь относится к молочным продуктам.
Употребление белков, особенно животного происхождения, значительно повышает усваиваемость микроэлементов, которая в обычных условиях не превышает 20-30 % от вводимого их количества [139]. Уменьшение содержания белка животного происхождения в рационах питания приводит к снижению потребления гемового железа [108, 134].
Обоснование компонентного состава проектируемого продукта
Нами сформулированы исходные требования к проектируемому молочному продукту, в котором массовые доли компонентов подобраны таким образом, что обуславливают возможность его применения как для массового, так и функционального потребления определенными группами населения за счет подбора специфического компонентного состава.
В состав молочной основы предложены функциональные компоненты и структурообразующие добавки, формирующие консистенцию, органолептиче-ские, физико-химические и энергетические свойства продукта.
В соответствии с формулой сбалансированного питания и с учетом уровня адекватности заданы состав и свойства продукта: низкокалорийный (энергетическая ценность не более 3824,5 кДж/кг), белковый (массовая доля белка 5,0-10,0 %; массовая доля жира 0,5-10,0 %; лактоза 0,2-2,5 %); кисломолочный, обогащенный пищевыми волокнами, сбалансированный по аминокислотному, жирнокислотному составу. Консистенция проектируемого продукта должна характеризоваться предельным напряжением сдвига 1840-1900 Па.
Обоснованием для выбора компонентов молочной основы послужили показатели пищевой и биологической ценности сырья, иммуномодулирующих факторов, белково-калорийной, витаминной и минеральной достаточности.
Так, творог является уникальным белковым концентратом, восполняющим в организме человека дефицит животного белка, макро-, микронутриентов и витаминов. Используемые при его производстве заквасочные культуры нормализуют жизнедеятельность полезной микрофлоры кишечника и предупреждают аутоинтоксикацию.
Творожная сыворотка признана оптимальной по соотношению питательных веществ, биологической, физиологической полноценности и органолепти-ческим показателям, сбалансирована по аминокислотному составу, особенно по серосодержащим аминокислотам: цистину, метионину, которые способствуют регенерации белков печени, гемоглобина и белков плазмы крови человека, а минеральные соли обеспечивают «защитные» комплексы антиатеросклеротиче-ского действия.
Белковые коллагенсодержащие компоненты регулируют пищевую ценность продукта, обеспечивают заданную структуру и одновременно, являясь пребиотиками, способны изменять метаболизм токсикантов и регулировать неспецифическую резистентность организма.
Сенсорные качества творога невысоки и требуют улучшения перед употреблением за счет введения вкусовых наполнителей. Травы и специи в данном случае могут послужить не только обогатителями вкуса, но и биологически активными веществами, обуславливающими лечебные свойства продукта. В качестве наполнителя, обеспечивающего полноту вкуса, а также компонента, балансирующих жирнокислотный состав продукта, выбран молочный жир.
Подбор компонентного состава проектируемого осуществлялся с использованием экспертной системы адекватного питания (Роспатент №2003611592), разработанной на кафедре компьютерных технологий и систем МГУПБ, которая на основе математических моделей обеспечивает компьютерное решение поставленных задач.
За основу взята рецептура продукта, в состав которой входят творог нежирный (ТУ 9222-045-05268977) с содержанием жира 0,1 %, белка - 18,0 %, лактозы - 1,0 %, влаги - 80,0 %, сливки 25%-й жирности, сыворотка творожная. В роли источника молочного жира выбраны сливки с массовой долей жира 25 %, полученные из натурального молока в результате сепарирования, с содержанием воды 68,0 % и общей массовой долей сухих веществ 32,0 % [131]. Творожная сыворотка, полученная в результате производства творога, на 93-95 % состоит из воды; 5,0-6,6 % сухих веществ; 0,5-1,0 % белка; 0,2-0,3 % жира; 3,5-4,7 % молочного сахара; 0,6-0,8 % золы; также она богата витаминами, гормонами, органическими кислотами, иммунными телами, микроэлементами и ультрамикроэлементами [143]
В результате компьютерного моделирования количественного соотношения творога нежирного (405 г/кг), сливок (300 г/кг) и сыворотки творожной (280 г/кг) достигнут заданный количественный состав основных нутриентов: массовые доли белка (6 г/100), жира (7,1 г/100) и углеводов (2,4 г/100).
Исследование функционально-технологических свойств белковых коллагенсодержащих препаратов
Необходимо отметить некоторые наблюдения, полученные при определении ККГ. Через определенные промежутки времени практически для всех кол-лагенсодержащих препаратов в полученных гелях наблюдали отсутствие сине-резиса, причем все структуры получены в условиях термообработки при температуре 70±2 С.
Препарат SCANPRO Т 95 в сравнении с другими препаратами имел наибольшую величину ВСС - 64,74±0,07 %, SCANPRO BR 95 - 45,53±0,07 %, Ти-про 601 - 39,14±0,10 %, Русселот желатин 225 PS 60 - 39,30+0,10 %, желатин отечественный - 36,80±0,07 %.
Препараты SCANPRO BR 95, Типро 601 и SCANPRO Т 95 выделялись хорошей способностью связывать свободную влагу, с увеличением их концентрации эта способность повышается.
Высокая способность белков удерживать воду повышает выход пищевых продуктов, удлиняет сроки хранения и улучшает текстуру.
Традиционным компонентом структурированных молочных продуктов является желатин. Однако известно, что препараты желатина образуют студни, нестабильные во времени и зависимые от температуры технологической обработки. Белковые коллагенсодержащие препараты при нагревании в воде набухают, разрыхляются, изменяется их структура, вследствие чего они приобретают способность связывать воду и могут образовывать желе и студни, что имеет важное технологическое значение. В водных растворах масса коллагенсодер-жащих препаратов увеличивается почти в 2 раза. В то же время полученные структуры длительное время обладают стабильными характеристиками, поэтому белковые коллагенсодержащие препараты предпочтительны для производства структурированных молочных продуктов..
На прочность геля влияют следующие параметры: - концентрация гелеобразователя; - условия приготовления геля (температура и продолжительность тепловой обработки); - условия хранения перед испытанием (температура и продолжительность хранения); - условия проведения испытания прочности (размер и форма индентора, скорость и глубина пенетрации, геометрические размеры геля, температура испытания) [150].
Анализируя показатели пластичности, необходимо отметить, что препарат Типро 601 имел максимальную способность образовывать пластичные структуры, в отличие от других препаратов, показатель пластичности составил 18,60+0,09 см2/г. Близкие показатели имели препараты GS 100 и GS 200 -17,40±0,08 и 17,30±0,09 см2/г соответственно, а также препараты SCANPRO BR95 и SCANPRO Т 95 - 16,1710,07 и 16,5010,02 см2/г соответственно. Руссе-лот желатин 225 PS 60 обладал наименьшей пластичностью - 12,1710,05 см /г, в то время как желатин отечественный -15,3010,06 см /г.
Раствор препарата SCANPRO BR 95 (1%-й) имел значение рН 6,110,06, SCANPRO Т 95 - 6,210,04; Типро 601 - 6,210,04; GS 100 и GS 200 - 6,310,07, Русселот желатин 225 PS 60 и желатин отечественный - 6,210,04 и 6,010,07 соответственно. Показатели активной кислотности незначительно отличаются между собой, так как рН самих этих препаратов имеет нейтральное значение и не оказывает влияния на рН исследуемой водной среды. Значения активной кислотности препаратов пищевых волокон подтверждают возможность использования их в молочных системах как ферментированных, так и неферментирован-ных.
Препараты GS 100 и GS 200 обладают высокой ККГ и низкой влагосвязы-вающей способностью - при их концентрации 3,5 % в дистиллированной воде наблюдалось образование слабого геля. Таким образом, использование данных белковых коллагенсодержащих препаратов в качестве структурообразователей нецелесообразно. Пластичность для GS 100 17,40±0,08 см2/г; GS 200 - 17,3+0,09 см /г. Добавление препаратов GS 100 и GS 200 в дистиллированную воду сопровождается значительным увеличением показателя рН с 6,12 (дистиллированная вода) до 6,29 и 6,35 - для концентрации 3,5 % белковых добавок GS 100 и GS 200. Это изменение связано с тем, что сами эти препараты имеют слабощелочной показатель рН. Увеличение дозы вносимых препаратов соответственно повышает значение активной кислотности образцов.
Белковые коллагенсодержащие препараты являются полифункциональными компонентами проектируемого продукта, регулирующими пищевую и биологическую ценность продукта, обеспечивающими заданную структуру и функциональные свойства.
Варьируя органолептическими показателями, можно создать новые виды продуктов питания, расширять ассортимент предлагаемой продукции.
Для органолептической оценки были представлены образцы модельной среды с добавлением исследуемых в данной работе коллагенсодержащих препаратов в концентрациях от 0,5 до 4,0 % с шагом 0,5 %. Для сравнения исследовали образец модельной среды с препаратом желатин отечественный, поэтому его вносили в тех же концентрациях. В качестве контроля использовали модельную среду без введения коллагенсодержащих препаратов.
Изучение физико-химических и структурно-механических показателей молочно-сывороточного продукта функционального назначе ния при производстве и хранении
Исследовали образцы готового продукта с применением композиции пищевых волокон и белковых коллагенсодержащих препаратов, выработанных в производственных условиях. Результаты исследования физико-химических показателей после структурообразования представлены в таблице 4.1.1.
Исследование физико-химических показателей образцов с композицией пищевых волокон и белковых коллагенсодержащих препаратов показало, что все опытные образцы имели высокую массовую долю влаги (81,22-81,52 %), что обусловлено функционально-технологическими свойствами препаратов пищевых волокон.
Наименьшее содержание влаги имел продукт 2 - 81,22 ±0,11 %, этот же продукт соответственно имел наибольшее содержание сухих веществ -18,78±0,08 %. Значения активной кислотности минимальны у продукта 6 -4,62±0,01 и максимальны для продуктов 1 и 3 - 4,67±0,01. Продукт 4 имел большую титруемую кислотность 80,00±0,8 Т, а продукт 3 - наименьшее значение 79,30 ±0,05 Т по сравнению с остальными выработанными продуктами. В общем, все выработанные продукты имели близкие между собой значения физико-химических показателей.
Определялась одна из важнейших реологических характеристик пищевых материалов - адгезия - это молекулярная связь между поверхностями разнородных тел. Она обуславливается в большей степени однородностью и механической прочностью структуры и консистенции исследуемого продукта, чем ее химическим составом. Адгезия является результатом межмолекулярного взаимодействия контактирующих тел с образованием между молекулами различных связей [142, 154]. Полученные результаты адгезионной способности (Па) исследуемых образцов молочно-сывороточных продуктов функционального назначения во время хранения представлены в таблице 4.1.2.
Как показали результаты исследований, все продукты имели равномерно нарастающую адгезионную способность. Однако наибольшую адгезионную способность имел продукт 4 рецептуры (с применением SCANPRO Т 95 и препарата овсяной клетчатки HF - 200) - 727±1 Па, что соответствует увеличению на 39% по сравнению с начальными данными, а остальные рецептуры имели прирост 26-27 %. Предположительно можно объяснить увеличение адгезии образованием прочных связей и полным заполнением микропустот продукта, что подтверждают исследования микроструктуры. Затем исследовали изменения прочности (Па) молочно-сывороточного продукта во время хранения (табл. 4.1.3).
Отмечено, что основное увеличение показателей прочности происходит в первые 20 суток хранения продукта (от 7 до 25 %). Лишь к 39 суткам хранения максимальное значение прочности составляет 32 % от первоначальных показателей для рецептур 4 и 6. Упрочнение структуры системы происходит за счет взаимодействия составных компонентов внесенных добавок. Для остальных рецептур прирост прочности составил 20-31%. Изменения прочности молочно-сывороточных продуктов функционального назначения во время хранения также подтверждают исследования микроструктуры
Результаты исследования этих показателей говорят о высоких структурно-механических свойствах разработанного продукта.
Изучение мироструктуры мол очно-сывороточных продуктов, изготовленных в соответствии с разработанными рецептурами, проводили после образования структуры и на 39 сутки хранения в соответствии с МУК 4.2.1847-04. Фотокадры (рис. 4.2.1. - 4.2.12.) иллюстрируют микроструктурные особенности образцов: структурную компоновку, степень дисперсности и равномерность распределения структурных компонентов в каждом образце.
1. Образец белкового коллагенсодержащего препарата SCAN PRO BR 95 и препарата овсяной клетчатки HF - 200 после образования структуры (рис. 4.2.1).
