Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Концепция проектирования многокомпонентных мясных продуктов с использованием вторичных сырьевых ресурсов пищевой промышленности 9
1.1. Цель и задачи 18
Глава 2 Методология экспериментальных исследований 20
2.1. Общая схема проведения исследований 20
2.2. Условия организации экспериментов и характеристика объектов исследования 23
2.2.1. Использование вторичных ресурсов животного происхождения при проектировании рациональных рецептур мясопродуктов 23
2.2.2. Разработка технологии получения белкового продукта и автолизата из дрожжевой биомассы и проектирование рациональных рецептур мясопродуктов 25
2.2.3. Использование гидроколлоидов в многокомпонентных рецептурных композициях мясопродуктов 27
2.2.4. Разработка технологии получения препаратов пищевых волокон высокой сорбционной способности и проектирование рациональных рецептур мясопродуктов 29
2.2.5. Разработка технологии и рецептур функциональных продуктов пребиотически-сорбционной направленности 31
2.3. Методы и методики исследований 33
2.4. Математическое планирование и обработка экспериментальных данных 38
Глава 3. Теоретическое обоснование использования искусственного интеллекта для оптимизации состава и совершенствования технологии многокомпонентных мясопродуктов 39
Глава 4. Исследование качественных характеристик и направлений использования вторичных сырьевых ресурсов пищевой промышленности 49
4.1. Методы извлечения белковых компонентов 50
4.2. Белоксодержащие продукты из сырья животного происхождения 54
4.2.1. Белковые продукты из вторичного сырья мясной промышленности 54
4.2.2. Вторичное белково-углеводное сырье молочной промышленности 78
4.3. Анализ качественных характеристик пищевых добавок, полученных на основе продуктов переработки сои 90
4.4. Опыт и перспективы использования биомассы микроорганизмов в мясоперерабатывающей промышленности 98
4.5. Заключение 123
Глава 5. Научные принципы использования гидроколлоидов для регулирования функционально-технологических свойств мясопродуктов 128
5.1. Перспективы использования гидроколлоидов в пищевой промышленности 129
5.2. Хитин и его производные 135
5.3. Пути направленного регулирования функционально-технологических свойств гидроколлоидов для создания комбинированных мясопродуктов 159
5.4. Заключение 170
Глава 6. Разработка технологии получения препаратов пищевых волокон 173
6.1. Теоретическое обоснование использования пищевых волокон и анализ сырьевых источников 173
6.2. Совершенствование технологии получения пищевых волокон из пшеничных отрубей с высокой сорбционной способностью 178
6.3. Изучение сорбционной способности и других функционально технологических свойств комбинированных препаратов пищевых волокон 190
6.4. Заключение 209
Глава 7. Разработка комплексной добавки сорбционно пребиотической направленности 211
7.1. Теоретическое обоснование использования полисахаридов в пищевой сорбционно-пребиотической добавке 212
7.2. Изучение комплексного влияния пищевого соевого обогатителя и полисахаридов на качественные характеристики мясных фаршевых систем..217
7.3. Обоснование комплексного использования пищевого соевого обогатителя, лактулозы и природных полисахаридов в технологии продуктов пребиотически-сорбционной направленности 219
Глава 8. Разработка принципиальных технологических и аппаратурных схем получения пищевых добавок 223
8.1. Разработка рекомендаций по промышленному внедрению способа извлечения белка из костного остатка 223
8.2. Разработка принципиальных технологических и аппаратурных схем получения дрожжевых автолизата и белкового продукта 225
8.3. Принципиальные технологическая и аппаратурная схемы процесса получения модифицированной гелевой добавки 229
8.4. Принципиальные технологическая и аппаратурная схемы получения пищевых волокон из пшеничных отрубей 231
Глава 9. Алгоритмизация проектирования многокомпонентных мясопродуктов 235
9.1. Разработка рецептурных композиций с продуктами переработки вторичного сырья животного происхождения 238
9.2. Использование белкового продукта дрожжевой биомассы в рецептурных композициях вареных колбасных изделий 253
9.3. Разработка рецептурной композиции с использованием гидроколлоидов 263
9.4. Разработка рецептурных композиций вареных колбасных изделий профилактического действия с пищевыми волокнами 272
9.5. Разработка научно обоснованной композиции и технологии колбасных изделий пребиотически-сорбционной направленности 282
9.6. Заключение 302
Глава 10. Парадигма экспертной системы по проектированию мясопродуктов с разработанными пищевыми добавками 305
Глава 11. Социально-экономическая значимость и экологическая оценка разработанных технологий 310
11.1. Социальная значимость 310
11.2. Оценка экономической эффективности 312
11.3. Экологическая оценка разработанных технологий 314
Выводы 317
Список используемой литературы 320
Приложения 360
- Теоретическое обоснование использования искусственного интеллекта для оптимизации состава и совершенствования технологии многокомпонентных мясопродуктов
- Хитин и его производные
- Принципиальные технологическая и аппаратурная схемы получения пищевых волокон из пшеничных отрубей
- Экологическая оценка разработанных технологий
Введение к работе
Актуальность работы. Во всем мире уделяется большое внимание промышленному производству продуктов питания. Правильное питание способствует профилактике заболеваний, продлению жизни, созданию условий для повышения способности организма противостоять вредным воздействиям окружающей среды. Актуальной задачей в настоящее время является разработка технологий получения высококачественных пищевых продуктов, с низкой стоимостью из отечественного сырья, за счет улучшения использования сырьевых ресурсов, внедрения безотходных технологий, ликвидации производственных потерь, привлечения для выработки пищевых изделий вторичного сырья, богатого питательными веществами, безвредного, легко поддающегося различным видам переработки. Немаловажное значение в современной технологии имеют пищевые добавки, позволяющие регулировать состав и функционально-технологические свойства (ФТС) готовых изделий. Эти процессы обусловлены острой общественной потребностью в выпуске пищевых продуктов с новыми качествами, в организации рационального природопользования и повышении его социально-экономической эффективности, особенно в связи с вступлением нашей страны в ВТО.
Значительный вклад в развитие научных исследований, разработку многокомпонентных рецептурных композиций функционального питания, совершенствования технологий переработки вторичных ресурсов пищевой промышленности внесли Рогов И. А., Липатов Н. Н., Липатов Н. Н. (мл.), Жаринов А. П., Лисипин А. Б., Большаков О. В., Касьянов Г. П., Толстогузов В. Б., Титов Е. П., Журавская Н. К., Бражников А. М., Файвишевский М. Л., Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г., Евдокимов И. A, Rivas Н., Tarrant P., Odier A., Fisher Е. и другие. Российскими и зарубежными учеными показана актуальность комплексной переработки вторичного сырья, перспективность пищевых продуктов комбинированного состава.
Интенсификацию и совершенствование технологических процессов возможно эффективно выполнить с использованием эвристического анализа и создания дедуктивных систем на основе искусственного интеллекта, который достаточно широко применяется в космонавтике, военном деле, электронике, медицине, робототехнике, при передачи данных и др. областях науки и техники. Сочетание технологических приемов и современных методов анализа данных позволит повысить эффективность производства, улучшить качество пищевых изделий.
В связи с вышеизложенным, разработка научных принципов проектирования состава и совершенствования технологии многокомпонентных мясных изделий с использованием вторичных ресурсов пищевой промышленности, является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение, в том числе для реализации приоритетных национальных проектов в области АПК.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научных принципов проектирования состава и совершенствования технологии многокомпонентных мясных изделий с использованием вторичных ресурсов пищевой промышленности на базе адаптированной методологии искусственного интеллекта.
Для реализации намеченной цели решались следующие задачи:
на основании разработанной концепции обосновать использование искусственного интеллекта для совершенствования технологии извлечения полезных веществ из выявленных вторичных сырьевых ресурсов пищевой промышленности и проектирования рациональных рецептур мясопродуктов с пищевыми добавками различного природного происхождения;
изучить состав и свойства некоторых видов вторичных ресурсов животного, растительного и микробного происхождения, разработать технологии выделения полезных ингредиентов из перспективных сырьевых источников;
теоретически обосновать возможность использования гидроколлоидов различного происхождения для регулирования функционально-технологических свойств мясных фаршевых систем, исследовать свойства фрагментов молекул отечественных гидроколлоидов, изучить возможность повышения их функционального потенциала за счет комплексного использования и модификации свойств под воздействием технологических факторов;
теоретически обосновать использование сырья, богатого пищевыми волокнами (ПВ) в рецептурных композициях мясопродуктов и разработать технологию получения ПВ из пшеничных отрубей высокой сорбционной способности, изучить и оптимизировать качественные характеристики фаршевых систем с ПВ;
разработать рецептурные составы мясопродуктов с белково-углеводны-ми продуктами переработки вторичного сырья пищевой промышленности, гидроколлоидами и пищевыми волокнами, систематизировать результаты исследований в экспертную систему;
осуществить социально-экономическую и экологическую оценку значимости разработанных технологий.
Научная новизна. Теоретически обоснована целесообразность комплексного применение пищевых белоксодержащих препаратов, полисахаридов и других компонентов (в том числе вторичное сырье пищевой промышленности и извлеченные из него полезные ингредиенты), позволяющих регулировать качественные характеристики мясопродуктов с помощью методов искусственного интеллекта.
Экспериментально определены эффективные технологические режимы получения с помощью неканцерогенных компонентов пищевого белка из костного остатка механической дообвалки кости, дрожжевых белкового продукта и автолизата из пивных остаточных дрожжей, пищевых волокон из пшеничных отрубей и разработаны комбинированные составы ПВ для регулирования ФТС готовых изделий.
Изучены основные молекулярные свойства и выполнен анализ полей распределения электронной плотности пептидного участка коллагена, а, (3 лактозы и лактулозы, хитозана, сукцината хитозана, агар-агара и амилозы. Установлены эмпирические закономерности образования матричных гелей фрагментами молекулы коллагена, определено, что а и (3 лактоза являются редуцирующими углеводами. Теоретически и экспериментально обоснована возможность использования
растворов хитозана в молочной сыворотке и сукцината хитозана в воде при производстве пищевых продуктов с повышенной активной кислотностью (рН>6,0). Исследовано влияние продуктов переработки хитина на исходные функционально-технологические и структурно-механические свойства соевых концентратов и мясного сырья.
Экспериментально и с помощью методов броуновской (ленжевиновской) динамики разработаны и обоснованы режимы получения гелевой добавки из гидроколлоидов (агар-агара, желатина и крахмала), которые способны изменять свои свойства в водных растворах под воздействием температуры.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено комплексное использование пищевого соевого обогатителя, лактулозы и природных полисахаридов (альгината натрия и пектина) в технологии продуктов пребиотически-сорб-ционной направленности.
Выполнена оптимизация состава и ФТС многокомпонентных мясопродуктов, разработаны методические рекомендации по адаптации методологии «Нейронные сети» к технологическим объектам пищевых производств и экспертная система проектирования рецептур вареных колбас.
Практическая ценность. Разработаны технологии получения полезных веществ из вторичного сырья пищевой промышленности: белкового продукта костного остатка; автолизата и белкового продукта, выделенных из пивных остаточных дрожжей; пищевых волокон пшеничных отрубей. На все виды продукции разработана техническая документация.
Разработаны рекомендации по использованию в мясных фаршевых системах хитозана и сукцината хитозана. Установлен компонентный состав и режимы модификации в водных растворах гелевой добавки для мясопродуктов, состоящей из агар-агара, крахмала и желатина.
Для регулирования функционально-технологических свойств мясопродуктов разработана комбинированная добавка из пищевых волокон (ПВ).
Разработана технология получения композиционного состава пребиотиче-ски-сорбционной направленности (КСПСН) под торговой маркой «ОкаЛакт».
Разработаны рецептурные композиции вареных колбасных изделий с белковыми продуктами костного остатка, дрожжевой биомассы, вторичным молочным белково-углеводным сырьем, гидроколлоидами, пищевыми волокнами, КСПСН «ОкаЛакт».
Разработана и утверждена в установленном порядке техническая документация на препарат пищевых волокон из пшеничных отрубей, КСПСН «ОкаЛакт», колбасу вареную диетическую высшего сорта «Оздоровительную» с ПВ, вареные колбасы под торговой маркой «Университетские» с КСПСН «ОкаЛакт».
Предложенные технологии апробированы на действующих предприятиях мясной промышленности, качество опытных партий продукции оценено положительно. За технологию получения комбинированных препаратов высокой сорбци-онной способности на основе пищевых волокон пшеничных отрубей авторский коллектив награжден серебряной медалью VI Московского международного салона инноваций и инвестиций, дипломами III степени международного фонда био-
технологий им. академика И. Н. Блохиной «Инновационные биотехнологические проекты, разработки и продукция», «Инновационные проекты и разработки в области экологии и рационального природопользования». Вареные колбасные изделия, выработанные под торговой маркой «Университетские» награждены двумя золотыми медалями на Всероссийском смотре конкурсе лучших пищевых продуктов (г. Волгоград, 23 - 24 июня 2005 г.).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных, Всесоюзных, Всероссийских и региональных конференциях, конгрессах и симпозиумах (Москва, 1984, 1988, 1989, 1995, 1999, 2001, 2002, 2003, 2004; Харьков, 1989; Ставрополь, 1984, 1986, 1990, 1994, 1996, 1997, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2006; Пятигорск, 1998, 2003; Кемерово, 1993; Волгоград, 1999, 2002; Краснодар, 2002; Новосибирск, 2002, 2003; Углич, 2002, 2003; Барнаул, 2002; Санкт -Петербург, 2003; Сочи, 2003; Омск, 2003).
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, изложены в монографии, 80 статьях и тезисах. По результатам работы получено 2 авторских свидетельства и 4 патента, 24 статьи опубликованы в журналах реферируемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и 11 глав, выводов и списка литературы, содержащего ссылки на 464 источника. Основной текст работы изложен на 360 страницах, включает 154 таблицы 99 рисунков. Имеется приложение на 66 страницах.
Теоретическое обоснование использования искусственного интеллекта для оптимизации состава и совершенствования технологии многокомпонентных мясопродуктов
Совершенствование технологических процессов и разработку рациональных продуктов питания невозможно эффективно выполнить без использования современных методов анализа данных, то есть Data Mining [16, 108, 198, 211, 395, 444, 454, 463]. Data Mining переводится как «добыча» или «раскопка данных». Нередко рядом с Data Mining встречаются слова «обнаружение знаний в базах данных» и «интеллектуальный анализ данных». Одним из высокоэффективных направлений интеллектуального анализа данных является нейросетевое представление неизвестных знаний и закономерностей. В последние годы наблюдается повышенный интерес к нейронным сетям, они находят применение в самых различных областях - бизнесе, медицине, технике, геологии, физике и других. Нейронные сети вошли в практику везде, где нужно решать задачи прогнозирования, классификации или управления, поскольку они применимы практически в любой ситуации, когда имеется связь между переменными-предикторами и прогнозируемыми переменными, даже если эта связь имеет очень сложную природу и ее трудно выразить в обычных терминах корреляций или различий между группами. В пищевой технологии существует обширный круг проблем по разработке интенсивных технологий, созданию сбалансированных, профилактических и лечебно-профилактических рецептурных композиций, совершенствованию технологий переработки вторичного сырья, внедрению новых эффективных методов управления производством и др. Использование дедуктивных систем на основе искусственного интеллекта, и, в первую очередь, нейронных сетей, позволит решить на высоком уровне многие из вышеуказанных проблем.
Нейронные сети - исключительно мощный метод моделирования, позволяющий воспроизводить чрезвычайно сложные зависимости. В частности, нейронные сети нелинейны по своей природе. Кроме того, нейронные сети справля 40 ются с «проклятием размерности», которое не позволяет моделировать линейные зависимости в случае большого числа переменных. Нейронные сети учатся на примерах. Пользователь нейронной сети подбирает представительные данные, а затем запускает алгоритм обучения, который автоматически воспринимает структуру данных. Нейронные сети привлекательны с интуитивной точки зрения, ибо они основаны на примитивной биологической модели нервных систем. Искусственные многослойные нейронные сети конструируются по принципам построения их биологических аналогов. Нейронные сети возникли из исследований в области искусственного интеллекта, а именно, из попыток воспроизвести способность биологических нервных систем обучаться и исправлять ошибки, моделируя низкоуровневую структуру мозга. Под нейронными сетями подразумеваются вычислительные структуры, которые моделируют простые биологические процессы, обычно ассоциируемые с процессами человеческого мозга. Адаптируемые и обучаемые, они представляют собой распараллеленные системы, способные к обучению путем анализа положительных и отрицательных воздействий. Элементарным преобразователем в этих сетях является искусственный нейрон, названный по аналогии с биологическим прототипом (рис.3.1) [211].
В состав нейрона входят умножители (синапсы), сумматор и нелинейный преобразователь. Синапсы (TDL или Delays - задержки) осуществляют связь между нейронами и умножают входной сигнал на число, характеризующее силу связи - вес синапса (weight). Сумматор (netsum) выполняет сложение сигналов, поступающих по связям синапсов от других нейронов, и внешних входных сигналов. Скалярный входной сигналу умножается на скалярный весовой коэффициент и результирующий взвешенный вход wx р является аргументом функции активации нейрона/(в данном случае функция tansig), которая порождает скалярный выход а. Нейрон может быть дополнен скалярным смещением Ь (bias). Смещение суммируется с взвешенным входом wxр и приводит к сдвигу аргумента функции/на величину Ь. Действие смещения можно свести к схеме взвешивания, если представить, что нейрон имеет второй входной сигнал со значением, равным 1. Вход п функции активации нейрона скалярный и равен сумме взвешенного входа смещения Ь. Эта сумма - аргумент функции активации f\ выходом функции активации является сигнал а. Константы w и Ь - скалярные параметры нейрона. Искусственная нейронная сеть - это набор нейронов, соединенных между собой. Как правило, передаточные функции всех нейронов в сети фиксированы, а веса являются параметрами сети и могут изменяться. Некоторые входы нейронов помечены как внешние входы сети, а некоторые выходы - как внешние выходы сети. Подавая любые числа на входы сети, получают набор чисел на выходах сети. Связи синапсов с положительными весами называют возбуждающими, с отрицательными весами - тормозящими [211].
Основной принцип работы нейронной сети состоит в настройке параметров нейрона таким образом, чтобы поведение сети соответствовало некоторому желаемому поведению. Регулируя веса или параметры смещения, можно обучить сеть выполнять конкретную работу; возможно также, что сеть сама будет корректировать свои параметры, чтобы достичь требуемого результата.
Таким образом, работа сети состоит в преобразовании входного вектора «X» в выходной вектор «У», причем это преобразование задается весами сети. Для построения нейронной сети необходимо произвести выбор типа (архитектуры) сети и подобрать веса (обучение). На первом этапе необходимо установить, какие нейроны необходимо использовать, как следует их соединить между собой и определить входы и выходы сети. Наиболее популярные и изученные архитектуры -это многослойный персептрон, сеть Кохонена и др. На втором этапе следует «обучить» выбранную сеть, то есть подобрать такие значения ее весов, чтобы сеть работала нужным образом. Для многих архитектур разработаны специальные ал 42 горитмы обучения, которые позволяют построить веса сети определенным образом. В процессе функционирования сети осуществляется преобразование входного вектора в выходной, т. е. производится некоторая переработка информации. В многослойных сетях нейроны объединяются в слои. Слой содержит совокупность нейронов с едиными входными сигналами. Число нейронов в каждом слое может быть любым и никак заранее не связано с количеством нейронов в других слоях. В общем случае сеть состоит из Q слоев, пронумерованных слева направо. Внешние входные сигналы подаются на входы нейронов первого слоя, а выходами сети являются выходные сигналы последнего слоя. Вход нейронной сети можно рассматривать как выход «нулевого слоя» вырожденных нейронов, которые служат лишь в качестве распределительных точек, так как суммирование и преобразование сигналов здесь не производится. Кроме входного и выходного слоев, в многослойной нейронной сети есть один или несколько промежуточных слоев. Связи от выходов нейронов некоторого слоя q к входным нейронам следующего слоя (q+1) называют последовательными [211, 229]. Чем сложнее искусственная нейронная сеть (ИНС), тем масштабнее задачи, подвластные ей. Любая непрерывная функция на замкнутом ограниченном множестве может быть равномерно приближена функциями, вычисляемыми нейронными сетями. Таким образом, нейронные сети являются универсальными аппроксимилирующими системами. В пакете ST Neural Networks для решения всех этих вопросов реализованы специальные средства пре- и пост-процессирования, которые позволяют привести исходные данные в числовую форму, пригодную для обработки нейронной сетью, и преобразовать выход нейронной сети обратно в формат входных данных.
Для реализации нейросетевых концепций разработано большое количество специализированных программных пакетов. Однако самым мощным и эффективным средством является Statistic Neural Networks (SNN). Модуль SNN сохраняет данные в формате системы Statistic, что позволяет использовать ее возможности для импорта файлов данных, сохраненных в других форматах. Кроме того, имеется возможность создавать файлы данных непосредственно в модуле SNN, набирая их в редакторе данных [229,387,413]. После того, как данные подготовлены, необходимо решить, какие переменные следует использовать при работе с нейронной сетью. При недостаточном объеме данных и/или корреляциях между переменными исключительную важность во многих нейросетевых приложениях приобретают вопросы отбора значимых входных переменных и сжатия информации в меньшее число переменных.
Реализованный в модуле Statistic Neural Networks нейрогенетический алгоритм отбора входных данных соединяет в себе возможности генетических алгоритмов и PNN/GRNN (PNN - вероятностные нейронные сети, GRNN - обобщенно-регрессионные нейронные сети) для автоматического поиска оптимальных комбинаций входных переменных, в том числе и в тех случаях, когда между ними имеются корреляции и нелинейные зависимости. Почти мгновенная скорость обучения по PNN/GRNN-алгоритму дает возможность применить генетический алгоритм, и, пользуясь имеющимися в редакторе данных модуля SNN удобными средствами подавления незначимых переменных, в реальном времени проводить собственные эксперименты на чувствительность данных. Для технологических процессов по разработке композиционных составов чаще всего используется многослойный персептрон с пороговой передаточной функцией. В некоторых случаях могут быть применены вероятностные (PNN) и обобщенно-регрессионные (GRNN) нейронные сети с нелинейными сигмоидальными функциями активации. Однако в этом случае существует опасность эффекта «переобучения», то есть нейронная сеть будет работать слишком точно, учитывая все погрешности, полученные в результате экспериментальных исследований. Разработанная архитектура нейронной сети с установленными смещениями служит для определения оптимальных условий хода технологического процесса по всем факторам. SNN содержит также встроенную систему анализа главных компонентов, позволяющую понижать размерность исходных данных. Столь же важно, чтобы выходные данные можно было легко интерпретировать. В Statistic Neural Networks имеется возможность автоматического масштабирования входных и выходных данных; также могут быть автоматически перекодированы переменные с текстовыми значениями, в том числе по методу І-из-N кодирования. SNN имеет средства работы с пропу 44 щенными данными. Реализованы такие функции нормировки, как «единичная сумма», «победитель получает все» и «вектор единичной длины». Имеются средства подготовки и интерпретации данных, специально предназначенные для анализа временных рядов [229].
Хитин и его производные
На современном этапе в пищевой промышленности широко используют природные полисахариды. Имеется много сведений и накоплен опыт использования в различных отраслях промышленности высокоэффективного эмульгатора и гелеобразователя - хитозана. В мире ежегодно производится около 1500 тонн хитина, из них на производство хитозана уходит около 800 тонн. Россия обладает значительными ресурсами ракообразных для производства хитозана. Наиболее масштабным, реальным и доступным источником сырья является панцирь дальневосточных крабов. По экспертным оценкам добываемые крабы обеспечат выработку до 500 т хитозана в год [24, 153, 234, 236]. Известно и запатентовано более 300 направлений использования хитозана и его производных: в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, биотехнологии. Промышленное применение хитозана основано на таких его свойствах, как биосовместимость с живыми тканями, избирательная сорбционная емкость в отношении тяжелых металлов, радионуклидов и веществ белково-липидной природы, антимикробная, антивирусная и антиопухолевая активность, биодеградируемость, гелеобразование и т.д. Наиболее важными направлениями использования хитозана во всем мире признаны медицина и пищевая промышленность. Известно, что хитозан способствует перистальтике кишечника, снижению давления в кишечнике и усвоению организмом вредных компонентов пищи, предупреждает возникновение рака толстой кишки, оживляет лимфатические клетки, способные уничтожать клетки, пораженные раком. Хитозан используется для лечения ран, ожогов, язв; производства хирургических нитей, искусственной кожи, лекарственных форм антисклеротического, антикоагулянтного и антиартрозного действия. С помощью хитозана проводят диагностику и лечение опухолей, язвы желудка; он улучшает всасывание и эффективность труднорастворимых лекарственных форм; эффективен при лечении заболеваний зубов и полости рта; снижает уровень холестерина, кровяное давление; улучшает функции печени, стабилизирует кислотную среду, повышает иммунитет; адсорбирует и удаляет из организма вредные вещества; является профилактическим средством сердечно-сосудистых заболеваний [19, 190, 277, 302, 309, 310, 330, 344, 354, 382, 402, 448]. Уникальные результаты показывает хитозан как энтеросорбент. Он поглощает жир и холестерин в пищеварительном тракте. Положительно заряженный хитозан притягивается к отрицательно заряженному жиру, выводя из организма жира в 10-12 раз больше своего молекулярного веса. Хитозан образует гель более текучий и более стабильный, чем другие некрахмальные полисахариды [249]. Неоспоримым достоинством является то, что хитозан нетоксичен, экологически чист, безвреден для человека и окружающей среды, может длительно применяться по всем направлениям его использования, в природных условиях полностью распадается. Хитозан не дает дополнительных калорий, усиливает действие природных биологически активных веществ; благотворно влияет на иммунную активность; выполняет функцию лиофильного волокна [241, 365]. В пищевой промышленности его используют в качестве загустителя и структурообразователя для продуктов диетического питания, способствующих выведению радионуклидов из организма [380]. Хитозан используют для создания простых и многокомпонентных эмульсий, соусов, паст [47, 49, 171, 289], съедобных колбасных оболочек; сохранения свежих фруктов и овощей [384]; осветления пива, соков, вин [290, 457]; в коптильных препаратах [146], в роли адге-зива и бактериостатического пленкообразователя [21]. Широкое применение хитиновых биоматериалов в пищевой промышленности связано, прежде всего, с их нетоксичностью и биологической активностью, а также с высокой эмульгирующей, пенообразующей и стабилизирующей способностями.
Анализ зарубежных и отечественных информационных материалов по использованию хитина и его производных показал, что эти продукты находят самое широкое применение в различных областях жизнедеятельности человека. Ученые полагают, что в будущем благодаря своим уникальным свойствам хитин и его производные вытеснят синтетические аналоги и станут рассматриваться как «полимер 21 века» [185].
Хитозан является производным хитина, входящего в структуру опорных, покровных тканей и внешнего скелета живых низших растений и животных. По распространению в природе считается вторым (после целлюлозы) аминополиса-харидом за счет синтеза его насекомыми, грибами, ракообразными и водорослями [60, 400]. Хитин был впервые выделен из грибов и охарактеризован французским ученым Н. Braconnot в 1811 году, а хитозан - его важнейшая производная, был получен в 1859 году французом С. Rouget [185]. В 1823 году французский ученый A. Odier выделил из панциря майского жука вещество и назвал его хитин от греческого «хитос» - покров, одежда. В 1824 году английский химик J. G. Children исследовал вещество, открытое A. Odier, и обнаружил в его составе азот [400]. Помимо этого, изучением хитина и его производных занимались лауреаты Нобелевской премии, такие как Е. Fischer, P. Karrer, W. Haworth. [185]. Первые работы в Рос 138 сии, связанные с модификацией хитина, были проведены под руководством академика АН СССР П. П. Шорыгина [445, 446, 447]. Серия работ бала проведена советскими учеными на Черном море, объектом исследования служили морские ракообразные бокоплавы (Amphipoda, Gammaridea и др.) [137, 163, 207, 244, 278]. Хитин относится к природным полимерам аминосахаров и представляет собой гомополисахарид с неразветвленной цепью, 1-4 соединенных 2-ацетамидо-2-дезокси-О-глюкозных остатков, поочередно повернутых на 180 (поли-М-ацетил-D-глюкозамин). Длина цепи хитина колеблется в пределах тысячи мономерных звеньев [445, 446]. Существуют три молекулярные формы хитина: а-, 3-, и у- хитин. Различные формы хитина обладают рядом индивидуальных свойств и способны к взаимопревращению [411]. Практически невозможно выделить чистый хитин без наличия белка, который, в свою очередь, влияет на его свойства. Учеными доказано существование комплексов хитина с протеинами, липидами, минеральными веществами. Хитин-протеиновые комплексы чувствительны к рН среды, при рН 9 они находятся в полностью диссоциированном состоянии [403].
Хитин нерастворим в воде, органических растворителях, щелочных растворах и лишь слабо набухает в них, так как энергия межмолекулярного взаимодействия для этих соединений значительно превосходит энергию гидратации [400]. Его можно растворить без заметной деструкции только в концентрированных растворах некоторых нейтральных солей при нагревании [403]. Хитин издавна употреблялся в пищу, например, в составе сыров, пива, изделий из раков, крабов и грибов [244].
Хитин характеризуется биологической активностью, радиационной устойчивостью, способностью образовывать волокна и пленки, что обусловливает его широкое применение. Однако для практического применения более ценным является хитозан, обладающий большей растворимостью и способностью растворяться в разбавленных кислотах. Именно это свойство повышает возможности его применения на практике [405]. В 1859 г. при модификации хитина горячим раствором натриевой щелочи, в результате чего происходит замещение ацетильных групп аминогруппами, французским химиком С. Rouget было получено кислоторастворимое вещество, названное трансформированным хитином, а в 1894 г. F. Hoppe-Seyler дал новому веществу название хитозан [400]. Хитозан - природный катионный полиамин. Такая структура крайне редко встречается среди природных веществ и уникальна среди полисахаридов. По химическому строению хитозан представляет собой Р-(1-4)-2-амино-2-дезокси-0-гликополисахарид, т.е. аминополисахарид, полученный при удалении ацетильной группы из положения С2 в хитине. В зависимости от источника сырья и метода получения молекулярная масса хитозана колеблется в пределах ЗхЮ5. Эмпирическая формула хитозана (C6Hii05N)x представлена на рис. 5.6 [21].
Принципиальные технологическая и аппаратурная схемы получения пищевых волокон из пшеничных отрубей
Проведенные исследования и результаты оптимизации экспериментальных данных послужили основой для разработки принципиальной схемы получения препарата пищевых волокон из пшеничных отрубей. Принципиальная технологическая схема процесса представлена на рис. 8.9.
На основании разработанной принципиальной технологической схемы предложено аппаратурное оформление процесса получения ПВ из пшеничных отрубей (рис. 8.10).
Пшеничные отруби подаются в емкости (1), снабженные мешалками (2), где к ним добавляется раствор лимонной кислоты концентрацией 8-10%. Кислотную обработку проводят в течение 0,65-1,1 ч при температуре 10-23 С. Полученный полуфабрикат выгружается на транспортер (3), который снабжен поддоном (4) для сбора использованного раствора лимонной кислоты. Использованный раствор самотеком поступает в ротационный насос (5) и направляется на регенерацию. Полуфабрикат ПВ центрифугируют (6), жидкая фракция насосом (5) транспортируется на регенерацию. После центрифугирования (6) с помощью скребкового конвейера (7) и ленточного транспортера со сбрасывателями (8) полуфабрикат поступает в промывочные емкости (1). Отделение ПВ от водной фракции происходит в горизонтально-отстойной центрифуге (9). Частично обезвоженный полуфабрикат по транспортеру (8) загружается в емкости с паровой рубашкой (10) и мешалками (2), куда заливается раствор карбоната аммония концентрацией 14 -17% и температурой ПО - 120С, продолжительность обработки 1,0 - 1,5 ч при температуре ПО - 120С. Полуфабрикат ПВ отделяют от раствора карбоната аммония в горизонтально-отстойной центрифуге (9), где происходит одновременная промывка водопроводной водой. По транспортеру (11) влажные ПВ поступают в установку (12) на сушку при температуре до И0С. Полученный препарат ПВ транспортируют (13) в дробилку (14), затем направляют через магнитный уловитель (16) в расфасовочно-упаковочный автомат (17), где готовую продукцию дозируют в мешки (18) с полиэтиленовым вкладышем. Расфасованный препарат ПВ направляется на хранение и реализацию.
Разработка рецептурных композиций вареных колбасных изделий должна базироваться на основных принципах теории адекватного или рационального питания. Питание, как фундаментальный процесс, лежащий в основе жизнедеятельности всех без исключения живых организмов, представляет огромный интерес с самых разных точек зрения [97, 208, 236, 266, 318, 343, 346, 347, 368, 372]. В последнее время был сделан ряд выдающихся открытий в области науки о питании, в частности, появилась новая теория адекватного питания. Из данной теории следует, что важно обеспечить поступление питательных веществ в организм в оптимальном для здоровья соотношении с учетом требований различных групп населения. Индивидуальные потребности в пищевых веществах и энергии существенно различаются в зависимости от пола, возраста, характера труда, физической нагрузки, физиологического состояния (беременность, кормление грудью), наличия заболеваний и т.д. Именно пища обеспечивает все клетки нашего организма энергией и множеством различных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности. Качественный и количественный состав пищи - основа обеспечения физиологических потребностей человеческого организма. Обмен биологических веществ подразделяется на основной обмен, направленный на устойчивое существование организма как саморегулирующейся системы, и обмен, обеспечивающий его внешнюю работу и рост [97,178,318, 343, 346, 347, 368,372].
По оценкам ученых-медиков и специалистов по питанию воплощение в жизнь принципов адекватного питания позволило бы снизить смертность от сердечно-сосудистых заболеваний на 25%), от рака - на 20 - 30%), от диабета - на 50%. Удалось бы достичь значительных успехов в преодолении таких недугов, как анемия, пищевая аллергия, алкоголизм, поражение зубов, суставов костей. Значение правильного питания для предупреждения многих заболеваний теперь убедительно доказано наукой [46, 57,68, 178,208, 215, 314, 318, 343,368].
Значительное изменение структуры питания населения за счет снижения объемов производства основных видов пищевых продуктов, а также повышения цен на них приводит к возникновению и развитию различных заболеваний. По данным института РАМН пищевой рацион россиян, различных возрастных групп не отвечает требованиям современной медицинской науки [18, 120, 346].
Ученые установили, что оптимальным является рацион питания, когда соотношение белков, жиров и углеводов составляет 1:1:4, при этом 12% суточного потребления энергии дают белки, 30% - жиры и 58% - углеводы [41, 97, 318,372]. Недостаточные потребление полноценных белков, витаминов, минеральных веществ и пищевых волокон приводит к нарушениям работы организма, ослабевает иммунитет, работоспособность, замедляется восстановление после перенесенных заболеваний. Обильная диета с избытком жиров, углеводов приводит к возникновению патологических состояний, связанных с избыточным питанием. Избыточный вес и ожирение повышают риск развития атеросклероза, диабета, гипертонии, болезней желчевыводящих путей, остеопороза, некоторых форм рака и т. д. [140, 208, 334, 362]. Помимо недостатка или избытка продуктов питания, пища может быть и нездоровая, то есть, хотя по калорийности она соответствует потребностям организма, пищевые вещества поступают в неправильных соотношениях. Все эти три ситуации в питании определяются терминами неправильное, нездоровое, нерациональное питание, которое становится фактором риска развития заболеваний человека [208]. С медико-биологических позиций, согласно теории сбалансированного питания, пищевые продукты должны содержать определенные виды нутриентов, балластных веществ в физиологически целесообразных количествах и соотношениях, причем, применительно к мясным изделиям, приоритетное внимание уделяется незаменимым аминокислотам, которые предопределяют уровень полноценности белкового компонента [140, 378]. Существуют научные рекомендации о наиболее общих целях в питании современного человека. Эти общие цели были сформулированы Всемирной организацией здравоохранения в 1991 г. Нормативные величины потребления пищевых веществ, имеющих значение в профилактике заболеваний и сохранении здоровья, представлены в табл. 9.1 [68,208].
Экологическая оценка разработанных технологий
В настоящее время защита биосферы от промышленных выбросов производится главным образом очисткой отходящих газов и сточных вод; при этом в результате очистки должны быть достигнуты предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ, установленные санитарно-гигиеническими нормами. Что касается экологической оценки пищевых производств, то следует отметить два взаимосвязанных аспекта: обеспечение выпуска высококачественной, экологически безопасной продукции и охрана окружающей среды. Первый из них заключается в организации рационального производства, обеспечивающего выпуск высококачественной, экологически безопасной продукции при минимизации расходов; второй - в организации рационального ресурсосберегающего производства, обеспечивающего охрану окружающей среды, снижения антропогенной нагрузки, развитие эффективных систем очистки неиспользуемых отходов. При этом главным направлением экологизации производства является развитие мало- и безотходных ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих соблюдение природоохранных требований.
Экологическая безопасность получения добавок из вторичных ресурсов пищевой промышленности должна определяться отсутствием канцерогенных соединений, способных причинить вред здоровью человека. С целью определения ста 315 дий технологического процесса, при которых возможна контаминация целевого продукта вредными и нежелательными соединениями, был проведен экологический мониторинг технологических процессов получения белковых продуктов из костного остатка и дрожжевой биомассы, выделения пищевых волокон из пшеничных отрубей и технологии производства гелевой и сорбционно-пребиотической добавок.
При производстве белкового продукта из костного остатка, дрожжевых белка и автолизата, пищевых волокон пшеничных отрубей в технологическом процессе использованы пищевые химические реагенты: карбонат натрия, уксусная кислота, хлористый натрий, карбонат аммония, лимонная кислота, ферментный препарат лизоцим.
Молочная сыворотка должна использоваться полностью и рационально. Одновременно это позволяет решить ряд экологических проблем. При этом известно, что штрафы за слив молочной сыворотки превышают любые затраты на ее переработку и даже последующую вынужденную утилизацию. Использование 3 - 4% растворов хитозана в молочной сыворотке в технологии колбасных изделий позволит не только решить проблему утилизации этого сырья, но и повысить пищевую ценность мясопродуктов, улучшить их функционально-технологические свойства.
Использование пищевого соевого обогатителя (ПСО) в технологии мясопродуктов позволит вырабатывать продукцию сорбционно-пребиотической направленности и решить проблему утилизации ПСО.
При разработке композиционных составов для регулирования ФТС готовых изделий применялись пищевые компоненты, не имеющие концентрационных ограничений использования в рецептурах продуктов питания. Безопасность гелевой добавки подтверждена также методам броуновской динамики.
Анализ микробиологических показателей и изучение минерального состава готовых изделий свидетельствовали о безопасности полученных препаратов и готовых изделий по исследуемым критериям.
Разработанные безотходные и малоотходные технологии переработки вторичных ресурсов пищевой промышленности способствуют защите биосферы, снижению выбросов отходящих газов и сточных вод.
Таким образом, разработанные технологии являются экологически безопасными при условии соблюдения требований к сырью и материалам, правил техники безопасности и эксплуатации оборудования, а также санитарных норм, принятых на предприятиях пищевой промышленности.
