Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы 7
1.1 Анализ структуры сбалансированного питания 7
1.2 Пищевые добавки, их классификация и использование при производстве продуктов питания 15
1.3 Использование соевых белковых препаратов в мясном производстве 18
1.4 Перспективы использования гидроколлоидов различного природного происхождения 23
1.4.1 Направления использования производных хитина 24
1.4.2 Использование гелеобразователей в производстве комбинированных мясных продуктов 32
1.4.3 Пути направленного регулирования функциональных свойств гидроколлоидов для создания комбинированных
мясопродуктов с заданными свойствами 42
1.5 Заключение к аналитическому обзору литературы 44
1.6 Цель и задачи исследований 46
Глава 2. Организация эксперимента и методы исследований . 48
2.1 Характеристика объектов исследования и условия проведения эксперимента 48
2.2 Методы исследований 52
2.3 Математическое планирование и обработка экспериментальных данных 57
Глава 3. Исследование влияния продуктов переработки хитина на гелеобразующие и эмульгирующие свойства соевых концентратов и мясных фаршевых систем 60
3.1 Обоснование использования хитозана и сукцината хитозана для регулирования функциональных свойств пищевых продуктов 60
3.2 Изучение влияния технологических факторов на растворимость хитозана и сукцината хитозана 66
3.3 Исследование гелеобразующих и эмульгирующих свойств
соевых концентратов с растворами хитозана и сукцината хитозана. 72
3.4 Влияние продуктов переработки хитина на эмульгирующие и гелеобразующие свойства мясных фаршевых систем 80
3.5 Заключение 89
Глава 4. Исследование влияния гидроколлоидов на исходные свойства соевых белковых концентратов 91
Глава 5. Изучение возможности повышения функционального потенциала гелеобразователей под воздействием технологических факторов 105
5.1 Исследование влияния гелеобразователей с модифицированными функциональными свойствами на качественные показатели мясных фаршей 105
5.2 Показатели безвредности и безопасности модифицированной добавки «Синергист» 113
5.3 Принципиальная технологическая схема и аппаратурное оформление процесса получения добавки «Синергист» состоящей из агар-агара, желатина и крахмала 116
5.4 Заключение 119
Глава 6. Разработка сбалансированной рецептурной композиции вареной колбасы с использованием гидроколлоидов 121
Выводы 137
Список используемой литературы
- Пищевые добавки, их классификация и использование при производстве продуктов питания
- Математическое планирование и обработка экспериментальных данных
- Изучение влияния технологических факторов на растворимость хитозана и сукцината хитозана
- Показатели безвредности и безопасности модифицированной добавки «Синергист»
Введение к работе
Анализ современного состояния мясной промышленности России показывает, что в последние годы мясоперерабатывающие предприятия работают в условиях дефицита сырья. Низкий уровень обеспеченности предприятий сырьем, неурегулированность вопросов платежей и взаимозадолженности между предприятиями и поставщиками привели к снижению объемов производства мяса и мясопродуктов.
Анализ питания различных групп населения РФ, проводимый Институтом питания АМНРФ, свидетельствует, что в настоящее время потребление пищевых продуктов не только полностью обеспечивает, но у значительной части населения превышает энергетические потребности. В то же время потребности в белках, в первую очередь в животного происхождения, удовлетворяется лишь на 80%. У значительной части населения отмечается чрезмерное потребление жиров и углеводов, недостаток витаминов и минеральных веществ [222].
В связи с нехваткой мясного сырья на Российском рынке современные мясоперерабатывающие предприятия вынуждены переходить на импортируемое из-за границы, которое, как правило, поступает мороженое, низкого качества, с повышенным содержанием жировой и соединительной ткани, с признаками PSE и DFD. Не смотря на это, предприятия должны не только сохранить качество готовой продукции, но и обеспечить снижение ее себестоимости с учетом уровня платежеспособности населения. Эти причины во многом предопределяют тенденцию к производству продуктов, в которых мясную основу комбинируют с белками и белоксодержащими ингредиентами растительного происхождения, а также с различными гидроколлоидами [52, 170].
Отечественными и зарубежными учеными (Рогов И. А., Липатов Н. Н., Толстогузов В. Б., Гуров А. Н., Журавская Н. К., Титов Е. И., Жаринов А.И., Касьянов Г. И., Нелепое Ю. Н., Антипова Л. В., Rivas Н. J., Tarrant Р. V. и др.) [80, 131, 123, 162, 170, 213, 218] доказана актуальность комбинированного использования белков животного и растительного происхождения в сочетании с различными гйдроколлоидами (МЦ, КМЦ, камеди, каррагенаны, пектины, крахмалы, агар-агар и др.), сформулированы принципы управления основными физико-химическими и биохимическими процессами, ответственными за формирование качественных характеристик готовой продукции. Одним из перспективных аминополисахаридов является хитозан, получаемый из хитина. Braconnot Н., Odier А., Шорыгин П.П., Садов Ф.И., Данилов С.Н., Быков В. П., Сафронова Т. М., Ким Г. Н., Евдокимов И. А., Алиева Л. Р. и др. [4, 59, 60, 63, 102, 113, 176, 190, 209, 210, 211] исследовали свойства хитина и его производных. Этими и другими учеными подтверждена целесообразность его использования во многих отраслях промышленности, в тоже время конкретные рекомендации по применению хитозана в производстве мясопродуктов отсутствуют, что объясняется плохой растворимостью. Разработанный сотрудниками кафедры ПБ СевКавГТУ способ получения коллоидного раствора хитозана расширяет возможности более широкого использования этого полисахарида в мясоперерабатывающей отрасли. Следует признать, что преобладающая доля белковых препаратов и гидроколлоидов на Российском рынке представлена продукцией зарубежных . фирм. Вместе с тем, наша страна располагает значительными ресурсами по выпуску некоторых пищевых добавок, широко применяемых в пищевой промышленности (крахмал, желатин, агар-агар, КМЦ, МЦ). Необходимость в поиске новых видов технологически эффективных, безопасных и экономически целесообразных белоксодержащих ингредиентов и препаратов для колбасного производства отмечена в одном из направлений «Концепций государственной политики в области здорового питания населения России на период до 2005 года» [69], в котором, в частности, ґ предусмотрено «развитие биотехнологии получения новых видов пищевых продуктов с использованием пищевых добавок, биологически-активных веществ, а также применение побочного отечественного сырья пищевой и перерабатывающей промышленности для производства полноценных продуктов питания» [170], Разработанная концепция не утратила своей значимости и является актуальной и в настоящее время. В этой связи полагаем, что решение данной проблемы наряду с разработкой предложений по направленному регулированию функционально-технологических, физико-химических характеристик мясных фаршевых систем и разработка технологий мясных продуктов с высокими качественными характеристиками, является актуальной и составляет предмет настоящей диссертационной работы.
Пищевые добавки, их классификация и использование при производстве продуктов питания
В современной пищевой промышленности находят применение различные способы улучшения качества пищевых продуктов и совершенствования технологических процессов. Наиболее экономически выгодным и легко осуществимым оказалось применение пищевых добавок, в результате чего пищевые добавки получили широкое распространение в большинстве стран мира. Как правило, под пищевыми добавками понимают группу веществ, природного или искусственного происхождения, используемых для усовершенствования технологии, получения продуктов специализированного назначения, например диетических, сохранения или придания пищевым изделиям необходимых качественных показателей [168]. Пищевые добавки по технологическим соображениям могут добавляться в пищевой продукт на различных этапах его производства, хранения либо транспортировки с целью улучшения или облегчения технологического процесса, увеличения стойкости продукта к различным видам порчи, сохранения структуры и внешнего вида продукта или намеренного изменения органолептических свойств. Пищевые добавки могут оставаться в продуктах полностью или частично в неизменном виде или в виде веществ, образовавшихся в результате химического взаимодействия добавок с компонентами пищевых продуктов [25, 48, 87, 124]. В соответствие с технологическим предназначением пищевые добавки подразделяются на четыре основные группы [25, 45, 47]: обеспечивающие необходимый внешний вид и органолептические свойства продукта - улучшители консистенции, пищевые красители, ароматизаторы, вкусовые вещества; предотвращающие микробную и окислительную порчу продуктов (консерванты) - антимикробные средства (химические, биологические), антиокислители (антиоксиданти), препятствующие химической порче, связанной с окислением компонентов пищевых продуктов; необходимые в технологическом процессе производства пищевых продуктов - разрыхлители теста, желеобразователи, пенообразователи, отбеливатели и др.; " - улучшители качества.
В составе этих групп выделяют 23 функциональных класса. Пищевые добавки, применяемые для решения одних и тех же технологических задач, характеризуются разнообразием химической природы и путей метаболизма [33, 48, 87, 124, 140, 149, 206].
Как известно, большинство пищевых добавок не имеют пищевого значения, и в лучшем случае, является биологически инертными для организма, а в худшем - оказываются биологически активными и небезразличными для организма. Применение пищевых добавок в этой связи допустимо лишь в тех случаях, если они, даже при длительном использовании, не угрожают жизни человека. Здесь нельзя обойти вниманием такой важный вопрос, как токсичность химических веществ, под которой обычно понимается способность веществ наносить вред организму [25, 124, 140].
Понятие безвредности вещества подразумевает определенный способ его применения. Решающую роль здесь играет доза, то есть количество вещества, поступающего в организм в сутки, длительность его потребления, режим, пути поступления вещества в организм и многие другие факторы [124, 140, 25]. Ни одна пищевая добавка не допускается к применению, если она не прошла проверку на безвредность и не определено ее допустимое суточное потребление, учитывающее характер и величину потребления данного пищевого продукта [47, 85].
Исследования по безвредности пищевых добавок обобщаются и анализируются Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН (ФАО), а также национальными министерствами здравоохранения. Безопасность применения пищевых добавок регламентируется документами Министерства здравоохранения РФ. Этими документами определены списки разрешенных и запрещенных к применению в России пищевых добавок [38, 47]. С целью гигиенической регламентации экспериментально обосновывают предельно допустимые концентрации (ПДК), то есть концентрации, которые не вызывают отклонений в здоровье при ежедневном воздействии на организм в течение сколь угодно длительного времени [25, 48, 87, 124].
При производстве мясопродуктов основная задача технологов сводится к снижению брака (появление бульонно-жировых отеков в колбасных изделиях), повышению потребительских свойств (упругая консистенция, вид на разрезе, вкусовые характеристики и запах) и удешевлению готовой продукции. Удовлетворение этих требований обеспечивается за счет использования соевых белковых препаратов и гидроколлоидов различного происхождения (желатина, каррагинанов, крахмала, камедей и др.). В мясоперерабатывающем производстве широкое применение находят продукты переработки сои (концентраты и изолята белка сои, текстураты, мука и др.), которые обладают выраженными эмульгирующими и гелеобразующими свойствами и могут быть использованы с целью улучшения ФТС и CMC готовых изделий, а также для замены животного белка адекватным количеством белка растительного происхождения.
Математическое планирование и обработка экспериментальных данных
При разработке, проектировании и создании многокомпонентных систем очень сложно провести анализ полученных экспериментальных данных вручную, поэтому с целью повышения эффективности и качества научных исследований при выполнении работы использовали математические методы планирования и обработки экспериментальных данных. Всю серию опытов проводили в трехкратной повторности, в случае обнаружения ошибок и промахов, число повторностей увеличивали. Организацию экспериментальных исследований вели с помощью планов смесей (Mixture Designs) и греко-латинских квадратов (Greco-Latin squares). Конфигурация используемых планов имеется в базовой системе Statistic. Анализ значимости полученных результатов и оценку величины ошибки определяли по базовым статистикам, осуществляя контроль ошибки каждого опыта (Error per case) (Приложение 1). Анализ результатов исследований вели в пакетах фирмы Statistic v.6.0 и Statistic Neural Networks v.4 [24, 92]. Для создания виртуальных массивов использовали алгоритмический язык Pascal. Расчеты химического и аминокислотного составов проектируемых продуктов автоматизировали, используя приложение Excel. Помимо статистической обработки пакетов в диссертационной работе уделено большое внимание - интеллектуальному анализу полученных результатов (Data Mining), т.е. процессу обнаружения в данных ранее неизвестных, практически полезных и доступных интерпретации знаний (закономерностей), необходимых для принятия решений. Моделирование молекул продуктов переработки хитина вели с использованием пакета прикладных программ HyperChem Release 7.01 for Windows Molecular Modeling System.
Анализ межфакторных взаимодействий и оптимизацию технологических режимов и композиций проводили в программном пакете. 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. Искусственные многослойные нейронные сети конструируются по принципам построения их биологических аналогов. Элементарным преобразователем в данных сетях является искусственный нейрон, названный так по аналогии с биологическим прототипом. Нейрон получает сигналы (импульсы) от аксонов других нейронов через дендриты (приемники) и передает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль своего аксона (передатчика), который в конце разветвляется на волокна. На окончаниях этих волокон находятся специальные образования - синапсы, которые влияют на силу импульса. Синапс является элементарной структурой и функциональным узлом между двумя нейронами [51,81, 86, 91, 92, 135]. 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 также требуется установить, какие нейроны необходимо использовать (число входов, передаточные функции), как следует их соединить между собой и определить входы и выходы сети. На втором этапе следует «обучить» выбранную сеть, то есть подобрать такие значения ее весов, чтобы сеть работала нужным образом [135].
Перед тем, как данные будут введены в сеть, они должны быть определенным образом подготовлены. Столь же важно, чтобы выходные данные можно было легко интерпретировать. В Statistic Neural Networks имеется возможность автоматического масштабирования входных и выходных данных (в том числе шкалирование по минимальному/максимальному значениям и по среднему/стандартному отклонению) [24].
Изучение влияния технологических факторов на растворимость хитозана и сукцината хитозана
Прежде чем использовать хитозан при производстве пищевых продуктов для повышения их функционально-технологических свойств (ФТС), необходимо перевести его в растворимое состояние. Поскольку известно, что некоторые продукты переработки хитина не проявляют своих эмульсионных и гелеобразующих свойств в средах с повышенной активной кислотностью, поэтому, на начальном этапе исследований была изучена растворимость некоторых образцов хитозана (17-20, 21-24, 37-40, 69-72, 73 67 76, БИО) в зависимости от величины рН растворителя рис. 3.8-3.9. Хитозаны, вырабатываемые отечественной промышленностью, не одинаковы по своему молекулярному весу, размеру частиц, вязкости, степени дезацетилирования, зольности и, следовательно, с различной скоростью растворяются в молочных (подсырной и творожной) сыворотках.
Как ранее отмечалось (гл.З р.1), при значении рН выше 7 аминогруппа хитозана депротонизирована, он нерастворим в слабых и концентрированных растворах щелочей и органических растворителях. Исходя из анализа литературных источников [113] и результатов моделирования энергетических полей, для растворения нерастворимых в воде хитозанов использовали молочную сыворотку (творожную и подсырную) с различной активной кислотностью при комнатной температуре. Регулирование рН среды осуществляли с помощью заранее приготовленной кислой сыворотки и воды. Анализ растворимости вели, использую 1%-ые растворы хитозана.
Влияние рН среды сыворотки на растворимость хитозана образцов 69-72, 73-76, БИО Результаты исследований свидетельствуют о том, что хитозан 37-40, имеющий самую высокую степень дезацетилирования (92,6%) и небольшой размер частиц (0,1-0,4 мм), растворяется при более высоких значениях рН 5,2, Хитозан марки 17-20 (92,2%) достигает полного растворения при рН 4,9, а хитозан 21-24 (85,0%) при рН 4,5. Растворение хитозана марки 69-72 (79,5%) происходит при рН 4,5, а 73-76 (89,7%) при рН 4,2. Хитозан БИО растворяется медленно, это обусловлено большим размером частиц (1,0-3,0 мм) и низкой степенью дезацетилирования (79,3%). Таким образом, при повышенных значениях показателя рН растворителя процесс растворения хитозана замедляется, а его концентрация в растворе снижается за счет отдельных не растворившихся частиц. Снижение рН среды способствует возрастанию скорости растворения хитозана и повышению его концентрации в растворе. При изучении скорости растворения установлено, что для достижения полной растворимости (100% к общему количеству) хитозана 37-40 при рН 6,2 требуется 5,5 ч, а для хитозана БИО при тех же условиях -2,5 суток. Полное растворение хитозана БИО при рН 4,1 происходит через Зч Юмин.
Однако на растворимость хитозанов оказывает влияние не только активная кислотность среды и продолжительность растворения, но и температура. Хитозан БИО при 60С и рН 6,2 полностью растворялся через 50 мин, при 70 и 80С - через 40 мин. Полное растворение хитозана 69-72 при 60С и рН 6,2 происходит через 10 мин, при 70 - 80С - через 5 мин. При повышении температуры до 80С и выше не наблюдается увеличения степени растворимости хитозанов, очевидно это обусловлено денатурационными изменениями белков сыворотки, способных образовывать ионные и водородные связи с хитозаном по типу комплексообразования.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о том, что растворимость хитозанов зависит от размера частиц и степени дезацетилирования, которая характеризует суммарный заряд системы. Растворимость также зависит и от температуры среды, чем выше температура, тем быстрее будет растворяться хитозан. Это объясняется, прежде всего, тем, что при повышении температуры увеличивается тепловое движение молекул, в результате чего ускоряются диффузионные процессы и увеличивается степень гидратации.
Использование молочной сыворотки при производстве мясопродуктов ограничено из-за ее высокой активной кислотности. Известно, что хитозан способен подщелачивать кислые растворы, но применение 1%-ых растворов хитозана нецелесообразно, поскольку будет способствовать сдвигу рН среды мясных фаршевых систем в сторону изоэлектрической точки. Введение большого количества молочной сыворотки приведет к понижению водосвязывающей способности фарша, выхода, органолептических показателей, а также себестоимости готовых изделий. Присоединение протона, ведет к снижению активной кислотности растворителя, поэтому целесообразно изучить влияние концентрации хитозана на изменение величины рН табл. 3.2. При проведении анализа была использована сыворотка с рН 4,51. Подготовленную смесь хитозана в сыворотке подогревали до 80 С и выдерживали при этой температуре 10 минут с целью пастеризации и наиболее полного растворения хитозана. Приготовленный раствор охлаждали до 20С и измеряли показатель активной кислотности.
Показатели безвредности и безопасности модифицированной добавки «Синергист»
Повышение функционального потенциала гидроколлоидов под воздействием технологических факторов заключается в проведении направленной модификации нативных свойств каких-либо компонентов. Как известно, модифицировать можно физическими, химическими способами или их сочетанием. Из физических методов чаще используют тепловую обработку, реже механическую, из химических — применяют обработку кислотами, окислителями или другими химическими реагентами [136]. Использование модифицированных пищевых добавок направлено на улучшение ФТС и качества готовой продукции при производстве и хранении. В связи с этим, была поставлена задача, провести физическую модификацию гидроколлоидов с целью улучшения показателей СЭ и ПНС фаршевых систем, а также степени пенетрации и выхода готовых изделий.
Из литературных источников известно, что крахмал нерастворим в холодной воде, а лишь способен обратимо впитывать влагу и набухать. Изменение его функциональных свойств сопровождается процессом клейстеризации в результате нагревания растворов крахмала от 50 до 80 С. Желатин и агар-агар также набухают в холодной воде, но не растворяется в ней. Набухшие частицы при нагревании до 80-90 С растворяются, образуя коллоидный раствор, который при охлаждении дает хороший прочный гель [25,115].
В результате проделанной ранее работы (см. гл. 3 р.2) установлено, что подогрев растворов хитозана и сукцинатов хитозана до 80С в течение 10 мин способствует увеличению скорости растворения, но не изменяет их свойств.
Известно, что КМЦ способна к набуханию в холодной воде, а при подогреве полученного раствора улучшений его гелеобразующих свойств не наблюдается [115]. По своей структуре такой гель является термодинамически метастабильным, т.е. в результате его хранения снижается модуль упругости [162], поэтому использование данного компонента для термической модификации является нецелесообразным. Напротив, в случае гелей желатина и агар-агара их прочность со временем возрастает [162]. Проанализировав свойства каждого из гидроколлоидов, было принято решение о проведении модификации трех гелеобразователей: крахмала, агар-агара и желатина. Это вызвано, прежде всего, тем, что каждый из этих компонентов проявляет свои гелеобразующие свойства лишь при определенных технологических условиях, т.е. такие гели принято считать термотропными. Известно также, что при взаимодействии между собой отдельных гидроколлоидов есть вероятность усиления функциональных свойств их смеси, в отличие от каждого коллоида в отдельности [223].
Все используемые гидроколлоиды являются в той или иной степени микробиально обсемененными, что в свою очередь может отрицательно сказаться на качестве и сроках хранения готовой продукции. В связи с этим, а также с учетом всего вышесказанного, была поставлена задача, провести изменение свойств агар-агара, желатина и крахмала под воздействием температур, и найти количественное соотношение этих компонентов с целью повышения функционального потенциала каждого гелеобразователя и снижения уровня микробиальной обсемененности.
Растворы таких гидроколлоидов при переводе в гелеобразное состояние способны образовывать гели, различающиеся по структуре, реологическим, физико-химическим и другим свойствам. В общем случае в смесях двух или нескольких гелеобразователей возможно образование трех различных групп гелей, а именно наполненных, смешанных и комплексных. В реальных пищевых системах эти три группы гелей могут присутствовать одновременно. Исследованием таких гелей занимались В. Б. Толстогузов, Е. Е. Браудо, В. Я. Гринберг, А. Н. Гуров и другие [161, 162, 166].
Эффекты усиления структурообразования компонентов в смешанных гелях проявляются при снижении критической концентрации гелеобразования и ускорении процессов формирования пространственных сеток. Так, смешанные гели желатина и агар-агара образуются при таких концентрациях компонентов, при которых каждый из них в отдельности геля не образует. В концентрационной области, отвечающей переходу системы из однофазного состояния в двухфазное, наблюдается экстремальное изменение зависимостей свойств гелей от их состава [162, 188, 189].
Все вышесказанное дает основания для проведения модификации (методом температурного воздействия) коллоидных растворов гелеобразователей (желатина, крахмала, агар-агара) и изучения влияния полученных гелей на изменение показателей ПНС и СЭ модельных фаршевых систем, и степени пенетрации (СП) и выхода готовых изделий. Составление композиции с желатином, агар-агаром и крахмалом вели в соответствии с матрицей планирования, полученную смесь гидратировали водой в соотношении 1:3 и выдерживали при 40-80С в течение 1-5 ч в сушильном шкафу, после чего охлаждали до 20С. Подготовленную таким образом модифицированную добавку вводили в мясной фарш, добавляли 25% воды, перемешивали на блендере и измеряли показатели ПНС и СЭ. Модельные фаршевые системы использовали для изготовления опытных образцов вареных колбасных изделий, в которых измеряли степень пенетрации и выход. Целью проведения этих исследования являлось также выявление соотношения гелеобразующих компонентов, температуры и времени их тепловой обработки для разработки пищевой добавки и ее использования в колбасном производстве.
