Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературы 6
1.1 Общая характеристика питания 6
1.2 Использование белковых препаратов в качестве регуляторов состава и функционально-технологических свойств мясопродуктов 9
1.2.1 Белковые препараты растительного происхождения 10
1.2.2 Белковые препараты животного происхождения 15
1.3 Физические методы обработки пищевых продуктов 26
1.4 Заключение к аналитическому обзору литературы 38
1.5 Цель и задачи исследований 39
ГЛАВА 2. Организация эксперимента и методы исследований 40
2.1 Характеристика объектов исследования и условия проведения эксперимента 40
2.2 Методы исследований 44
2.3 Математическое планирование и обработка экспериментальных данных... 52
ГЛАВА 3. Исследование качественных характеристик продуктов переработки молочного сырья и модельных фаршевых систем 55
3.1 Изучение некоторых молекулярных свойств компонентов молочного сырья и их комплексов 55
3.2 Изучение функционально-технологических свойств молочных белково-углеводных препаратов и влияния лактозы и лактулозы на фаршевые системы 65
3.3 Заключение 73
ГЛАВА 4. Обоснование использования молочных белково-углеводных препаратов в многокомпонентных рецептурах мясопродуктов эмульсионного типа 76
4.1 Влияние молочных белково-углеводных препаратов на качественные характеристики модельных фаршевых систем 76
4.2 Разработка рецептурной композиции с молочными белково-углеводными препаратами 82
4.3 Заключение 88
ГЛАВА 5. Воздействие ультразвукового акустического поля на качественные показатели мясопродуктов с молочными белково-углеводными препаратами 91
5.1 Исследование изменений функционально-технологических свойств мясных систем под воздействием ультразвукового акустического поля 91
5.2 Разработка рецептурной композиции на основе мясного сырья с молочными белково-углеводными препаратами 100
5.3 Заключение 106
ГЛАВА 6. Принципиальная технологическая схема и аппаратурное оформление процесса производства вареных колбас 109
Выводы
Литература
- Использование белковых препаратов в качестве регуляторов состава и функционально-технологических свойств мясопродуктов
- Характеристика объектов исследования и условия проведения эксперимента
- Изучение некоторых молекулярных свойств компонентов молочного сырья и их комплексов
- Влияние молочных белково-углеводных препаратов на качественные характеристики модельных фаршевых систем
Введение к работе
В связи с быстрым ростом населения, недостаточным производством и переработкой различных продуктов питания на земном шаре ощущается острый белковый дефицит. Одним из путей восполнения белкового дефицита продуктов является улучшение использования сырьевых ресурсов за счет внедрения безотходных технологий, ликвидации производственных потерь, привлечения для выработки пищевых изделий вторичного сырья, богатого питательными веществами, безвредного, легко поддающегося различным видам обработки. Особый интерес при производстве вареных колбасных изделий представляет использование молочных белково-углеводных препаратов. Большой вклад в разработку технологий получения и использования молочных белкою-углеводных препаратов в продуктах питания внесли: Рогов И. А., Журавская Н. К., Жаринов А. И., Храмцов А. Г., Липатов Н. Н., Нелепов Ю. Н., Молочников В. В., Евдокимов И. А., Салаватулина Р. М., Рябцева С. А., Серов А. В., Mizota Т., Tamura Y. и др. Молочные белково-углеводные препараты характеризуются высокой биологической ценностью, хорошей растворимостью, вязкостью и водосвязывающей способностью. Основным углеводом молока является лактоза. Роль продуктов, содержащих лактозу, резко возросла в последние годы за счет их бифидогенных свойств. Лактоза имеет две конформации молекул а- и Р-формы. Особый интерес представляет (3-лактоза, которая, не полностью усваиваясь в тонком кишечнике, достигает толстой кишки, стимулирует рост кишечной бифидумфлоры и обеспечивает защитную функцию. Кроме того, р-лактоза стимулирует синтез микрофлорой кишечника витаминов группы В. Изомер лактозы - лактулоза является мощным пребиотиком бифидобактерий и обладает рядом специфических уникальных свойств. Благодаря бифидогенной активности лактулозы улучшаются процессы гидролиза и всасывания жиров, белкового и минерального обмена, структура слизистой оболочки кишечника и ее адсорбционная способность. Ферментируя сахар,
5 бифидобактерии, создают в кишечнике кислую среду, способствуют всасыванию в кровь кальция, железа, неорганических фосфатов. В связи с этим, большое значение отводится созданию и применению бифидогенных концентратов, содержащих лактозу и ее производные.
Для удовлетворения все возрастающих потребностей населения в пищевых продуктах требуется не только увеличение валового их производства, но и снижение себестоимости переработки. В создании этих условий решающую роль играет механизация, автоматизация и интенсификация производственных процессов. Существующие в настоящее время традиционные технологические процессы достигли естественного предела, а использование физических методов обработки позволит их ускорить и создать продукты высокого качества. Исследования различных энергетических полей с целью применения в технологических процессах пищевых производств начали развиваться давно. В теорию и практику изучения этих вопросов существенный вклад внесли: И. А. Рогов, Ю. Ф. Заяс, В. С. Баранов, А. С. Гинзбург, Э. И. Гуйго, Н. Н. Липатов, А. В. Лыков, А. М. Маслов, И. О. Павлов, П. А. Ребиндер, Л. Д. Розенберг, А. А. Соколов, В. Д. Сурков, Г. В. Твердохлеб, Н. П. Янушкин, R. S. Hannan, Н. J. Shepherd и др. Установлено, что использование энергетических полей интенсифицирует ряд физико-химических процессов, способствует улучшению функционально-технологических свойств (ФТС) и органолептических показателей.
В этой связи разработка технологий производства рациональных мясопродуктов с регулируемыми функционально-технологическими свойствами и физико-химическими характеристиками является актуальной задачей и составляет предмет настоящей диссертационной работы.
Использование белковых препаратов в качестве регуляторов состава и функционально-технологических свойств мясопродуктов
В настоящее время на земном шаре ощущается острый белковый дефицит, связанный с недостаточным производством и переработкой различных продуктов питания, а также быстрым ростом населения. Поэтому в пищевой промышленности большое внимание уделяется вопросам улучшения использования сырьевых ресурсов за счет внедрения безотходных технологий, ликвидации производственных потерь, привлечения для выработки вторичного сырья. Актуальной задачей является разработка технологий производства многокомпонентных продуктов питания из отечественного сырья, в том числе с использованием вторичных ресурсов пищевой промышленности. Накопленные знания и опыт уже сегодня в некоторых отраслях пищевой промышленности позволяют обеспечить комплексную переработку сельскохозяйственного сырья (плодов, овощей, мяса, рыбы, молока, зерна) наряду с резким сокращением его потерь и отходов. Однако проблема полного и рационального использования вторичного сырья пищевой промышленностью полностью не решена как в нашей стране, так и во всем мире. Одним из путей решения проблемы совершенствования технологических процессов является максимальное фракционирование вторичного сырья на ценные однородные по составу и свойствам пищевые ингредиенты с последующим конструированием на их основе высококачественных функциональных продуктов питания [17].
Использование вторичных ресурсов позволит создать малоотходные технологии, регулировать состав и свойства сырья и продукции, интенсифицировать ряд биохимических процессов, улучшить качество готовых изделий и снизить их себестоимость. В мясоперерабатывающей промышленности наибольшее распространение получили белоксодержащие препараты животного [2, 3, 7, 15] и растительного [35, 36, 37, 40] происхождения, обладающие высокими функционально-технологическими свойствами, биологической ценностью и относительно низкой стоимостью. В то же время поиск новых источников сырья для получения пищевых добавок, ферментов, ароматизаторов и путей совершенствования технологии их выделения в настоящее время остается актуальной задачей.
В настоящее время большой ассортимент мясных продуктов вырабатывается с использованием препаратов растительного происхождения. Это экономически целесообразно, поскольку обусловлено низкой стоимостью и достаточно высокой питательной ценностью готовых изделий. Кроме того, применение растительных белков позволяет улучшить качественные характеристики готовой продукции за счет повышения функционально-технологических свойств мясного сырья с высоким содержанием жировой и соединительной ткани. Среди белковых компонентов растительного происхождения, применяемых в производстве комбинированных пищевых продуктов, наибольшее распространение получили белки сои, биологическая ценность которых достаточно велика [54, 77, 109]. Они имеют высокие функциональные свойства и используются в разных отраслях пищевой промышленности: мясоперерабатывающей, молочной, кондитерской, хлебопекарной, макаронной и др. [49, 68, 72].
В программе изменения структуры питания человека Всемирная организация здравоохранения центральное место отводит сое. Это связано с уникальными свойствами компонентов, входящих в состав сои и продуктов ее переработки. Научными исследователями доказано, что соевые продукты можно использовать для лечения и профилактики заболеваний сердца, артериальной гипертонии, артрита, сахарного диабета, остеопороза, некоторых видов рака [58, 110, 129].
В некоторых научных публикациях, посвященных исследованию биологической ценности белков сои, отмечается, что соевые белки менее полноценны по сравнению с белками животного происхождения из-за дефицита серосодержащих аминокислот, таких как цистеин и метионин, но, в свою очередь, отличаются повышенным содержанием лизина. Последние научные данные наоборот свидетельствуют о полноценности соевых белков и сопоставимости их с белками говядины [41, 73]. Изменение аминокислотного состава белка сои связано с генетической модификацией этого растения [68, 87].
Функционально-технологические свойства соевых белков тесно связаны с их химическим и аминокислотным составом, структурой и физико-химическими свойствами. Эти свойства определяют взаимодействие: белок -белок (гелеобразование); белок - вода (набухание, водосвязывающая способность, растворимость); белок - липиды (жиропоглащающая и жироудерживающая способности); жир - белок - вода (поверхностно-активные свойства - образование эмульсии); адгезионные и реологические характеристики и т.д. [84, 130]. Высокие функциональные свойства соевых белков позволяют улучшить консистенцию готового продукта, стабилизировать фаршевую эмульсию, снизить риск образования бульонно-жировых отеков и, как следствие, сократить потери при термической обработке. Эти преимущества возрастают при переработки сырья с признаками PSE и DFD, а также блочного, размороженного или низкосортного мяса (с высоким содержанием соединительных белков и жира) [40, 59, 170].
Характеристика объектов исследования и условия проведения эксперимента
В соответствии с поставленной целью и задачами был осуществлен выбор объектов исследования и условий проведения эксперимента. Основные исследования выполнялись на базе кафедр «Технология мяса и консервирования», «Органическая и физическая химия» СевКавГТУ, кафедре «Биохимия» СГУ, кафедре «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» СтГАУ и ГНУ СтНИИ животноводства и кормления.
В качестве объектов исследования были использованы: - говядина высшего сорта (ГОСТ 779-55), свинина полужирная (ГОСТ 7724-77); концентрат соевый «ARCON-S» (санитарно-эпидемиологическое заключение №77.99.04.916.Г.000011.12.02); сухое обезжиренное молоко (ГОСТ 23621 - 79); концентрат бифидогенный «Лактобел» (ТУ 9229 - 038 - 00437062 - 01); концентрат бифидогенный «КБУ-Рс» (ТУ 9229 - 021 - 00672610 - 99); лактоза пищевая (ТУ 922921 - 005 - 02067968 - 94); лактулоза пищевая (ТУ 922900 - 006 - 02067968 - 94).
Исследования проводили в несколько этапов (рис. 2.1):
1 Изучение некоторых молекулярных характеристик исследуемых препаратов и их компонентов.
2 Определение функционально-технологических свойств молочных белково-углеводных препаратов и исследование влияния лактозы и лактулозы на фаршевые системы.
3 Изучение влияния молочных белково-углеводных препаратов на качественные характеристики модельных фаршевых систем и разработка рецептурной композиции. Исследование функци вналыю-тсхнологических свойств мясных систем, обработанных ультразвуковым акустическим полем.
5 Разработка технологии и рецептурной композиции вареной колбасы на основе мясного сырья с молочными белково-углеводными препаратами и использованием ультразвукового акустического поля.
Модельные фаршевые системы готовились следующим образом: мясное сырье измельчали на волчке d отв. = 2-3 мм, перемешивали с посолочными ингредиентами, выдерживали для созревания при t 4-6 С в течение 12 ч. Гидратирование белковых и белково-углеводных препаратов вели по эквивалентному с мясным сырьем количеству протеина. Количественное содержание сверхрецептурной влаги устанавливалось по результатам предварительных экспериментальных исследований. Влагу вводили дробными порциями в виде воды или льда, чтобы конечная температура фарша не превышала 12С. Набивку фарша производили лабораторным поршневым шприцом. Термическую обработку колбасных изделий проводили в термостате SPT 200 и на варочной электрической плите до заданной температуры (70-72С в центре батона). Изготовление вареных колбасных изделий на заключительном этапе работы производили по технологическим схемам и параметрам, регламентированным разработанной нормативно-технической документацией.
Порядок работы с лабораторной установкой ультразвукового параметрического генератора начинается с установки всех выключателей в минимальное или выключенное положение. Наливается вода в ванночку с излучателями, устанавливается стакан с исследуемым образцом в рабочую зону излучателя. Включается сетевая вилка в сеть 220В. На блоке питания устанавливается переключатель «Сеть» в положение «Вкл». Устанавливается переключатель «Регулировка выхода» в положение, обеспечивающее необходимый ток излучателя. Настраиваются излучатели в резонанс с помощью регулятора частоты, контролируя форму тока по осциллографу. Образец выдерживается заданное время и исследуются ФТС.
Изучение некоторых молекулярных свойств компонентов молочного сырья и их комплексов
К настоящему времени синтезированы десятки миллионов органических соединений различной химической структуры. Практическое применение из них находят десятки тысяч веществ. Каждое соединение имеет свои характерные физико-химические свойства. Однако далеко не для всех практически применяющихся соединений имеются надежно определенные экспериментальные значения различных свойств [173]. Поэтому чрезвычайно важной является задача нахождения количественных корреляционных зависимостей между структурой и свойствами химических соединений. Нахождение таких зависимостей позволит не только быстро выбрать из имеющихся соединений наиболее желательное, но и определить направление синтеза новых соединений. Так метод молекулярной механики может быть использован для исследования систем, включающих несколько тысяч атомов, таких как олигомеры, белки и полисахариды. С его использованием решаются задачи конформационного анализа: поиск стабильных состояний путем минимизации энергии молекулярной системы. Компьютерная химия не ограничивается только квантово-химическими расчетами и включает широкий круг различных эмпирических и полуэмпирических методов определения физико-химических свойств веществ, базирующихся на применении методов искусственного интеллекта, в том числе нейронных сетей, базы данных, численного моделирования статистических характеристик и динамики химических процессов. Визуализация пространственной структуры молекул и расчет их геометрического строения позволят осуществить прогноз физико-химических свойств органических соединений.
Исходя из заключения литературного обзора, поставлена задача провести компьютерное моделирование и определить некоторые физико-химические и термодинамические свойства а-, Р-лактозы, лактулозы, а-казеина, лактоглобулина, миозина и их систем. Выбор объектов для моделирования осуществлялся на основании того, что а-казеин, лактоглобулин, а-, р-лактоза и лактулоза составляют основу бифидогенных концентратов, на долю миозина в мышечной ткани приходится около 60% от всех белков.
При моделировании молекулярных структур определялись общая энергия, дипольный момент и среднеквадратичный градиент. Дипольный момент отображает изменения как статических, так и динамических параметров молекул.
С использованием приложения HyperChem v. 7.1 построены пространственные структуры (рис. 3.1, 3.3, 3.5) и выполнена геометрическая оптимизация молекул а-, р-лактозы и лактулозы. Под оптимизацией геометрии понимается поиск молекулярной структуры - координат атомов, при которых система имеет наименьшее значение энергии. Цель геометрической оптимизации заключается в поиске наиболее устойчивого состояния структур. Полуэмпирическим методом определялось распределение электронной плотности (рис. 3.2, 3.4, 3.6) и некоторые физико-химические свойства молекул а-, Р-лактозы и лактулозы.
Свидетельством корректности геометрической оптимизации являются расчетные характеристики молекулярных свойств полученных моделей. Полученные значения теплоты образования а- и Р-лактозы коррелируют с литературными данными (АН298 для а-лактозы равно -592,9 для Р-лактозы -533,8) [173]. Среднеквадратичный градиент (RMS Gradient) приближен к нулевому значению (0,004132 0,09995 ккалДАхмоль)), что свидетельствует об эффективно выполненной процедуре минимизации энергии молекулярной системы. Величина дипольного момента (1,277 1,981 Дебай) характеризует распределение электронной плотности, определяемой при анализе трехмерных электростатических поверхностей. Электронная плотность служит для выявления отрицательно и положительно заряженных участков в молекулярной системе. На рис. 3.2, 3.4 видно, что молекулы а- и (3-лактозы имеют только одну область с повышенной электронной плотностью, на которую может быть направлена атака электрофильного реагента. Анализ электронной плотности молекул а- и (3-лактозы свидетельствует о превалировании областей с пониженной электронной плотностью. Распределение электронной плотности молекулы лактулозы (рис. 3.6) свидетельствует об отсутствии ярко выраженных зон с повышенной электронной плотностью. На основании полученных данных можно предположить, что введение исследуемых олигосахаридов в мясные фаршевые системы будет способствовать снижению электронной плотности и стабилизации их состояния.
Используя модуль ланжевеновской динамики в приложении HyperChem v. 7.1, выполнено моделирование процесса термической обработки а-казеина, лактоглобулина, миозина и системы этих белков при 72С, что соответствует технологическим режимам вареных колбасных изделий. Процесс имитации обработки компонентов в воде осуществлялся в модуле Periodic boundary conditions (периодические граничные условия). Смысл периодических граничных условий в молекулярной динамике состоит в том, что с помощью данного метода решается проблема моделирования системы, включающей большое число молекул воды. После термической обработки каждой молекулы в воде снималась общая энергия, дипольный момент и среднеквадратичный градиент (табл. 3.2). Графическое оформление компьютерного моделирования процесса термической обработки а-казеина в воде представлено на рис. 3.7 - 3.10. По окончании моделирования процесса термической обработки а-казеина (рис. 3.7, 3.9) наблюдалось незначительное изменение конформации системы (рис. 3.8,3.10) с образованием пространственной структуры.
Влияние молочных белково-углеводных препаратов на качественные характеристики модельных фаршевых систем
Высокие функционально-технологические свойства молочных белково-углеводных препаратов предполагают их использование при производстве мясопродуктов. К основным функциональным характеристикам мясных фаршей относят ВСС, стабильность эмульсии, ПНС, выход изделий к массе сырья. Эти показатели влияют как на потребительские свойства, так и на технико-экономическую деятельность предприятия. Предсказать функционально-технологические показатели системы, состоящей из большого количества ингредиентов различного химического состава, невозможно. В связи с этим целесообразно изучить влияние компонентного состава смеси на основные качественные показатели. В качестве объектов исследования были использованы: говядина высшего, 1 и 2 сортов, свинина нежирная, шпик, соевый концентрат Аркон-S, бифидогенные концентраты «Лактобел» и КБУ-Рс, сухое обезжиренное молоко, лактоза и лактулоза. Модельные фаршевые системы готовились следующим образом: мясное сырье измельчали на волчке d отв. = 2-3 мм, перемешивали с посолочными ингредиентами, выдерживали для созревания при t 4-6 С в течение 12 ч. Гидратирование препаратов производили по эквивалентному с мясным сырьем количеству протеина, соевый концентрат «ARCON-S» гидротировали в соотношении 1:4, «Лактобел», КБУ-Рс и СОМ 1:1, лактоза и лактулоза вносилась в виде 50% сиропа. Количественное содержание сверхрецептурной влаги устанавливалось по результатам предварительных экспериментальных исследований и составляло 30%. Влагу вводили дробными порциями в виде холодной воды или льда, чтобы конечная температура фарша не превышала 12С. Эксперимент вели по плану греко-латинских квадратов. Матрица планирования и уровни действия факторов представлены в приложении 1. Уровни действия факторов в натуральном выражении представлены в табл. 4.1.
Введение используемых молочных белково-углеводных препаратов способствует увеличению содержания: минеральных веществ; незаменимых аминокислот; количественного состава витаминов, так увеличивается содержание витамина С (с 0 до 0,228), предотвращающего поражение кровеносной системы, тиамина (с 0,268 до 0,384), отвечающего за деятельность нервной и сердечно-сосудистой системы, а также желудочно-кишечного тракта, рибофлавина (с 0,183 до 0,413), при авитаминозе которого развивается общая мышечная слабость и слабость сердечной мышцы, ниацина (с 3,250 до 4,043), получившего название антипеллагрического витамина. Таким образом, установлена целесообразность использования молочных белково-углеводных препаратов для регулирования функционально-технологических свойств и химического состава мясопродуктов.
Результаты исследования функционально-технологических свойств и химического состава были использованы для создания нейронной сети в пакете прикладных программ STATISTIC NN V.4e. На рис. 4.1 представлена архитектура нейронной сети, характеризующая ФТС, аминокислотный, минеральный и витаминный составы мясных фаршевых систем.
Полученные результаты (табл. 4.8) свидетельствуют об эффективно выполненной оптимизации композиционного состава рецептуры. Опытный образец имел достаточно высокий выход по сравнению с контролем (126% к массе сырья) и органолептическую оценку (4,8 против 4,5). Водосвязывающая способность и стабильность эмульсии опытного образца на 8 и 36%) соответственно выше контроля, предельное напряжение сдвига опытного образца ниже показателя контроля на 40 Па. Достаточно высокие функционально-технологические свойства (выход и стабильность эмульсии) опытного образца по сравнению с контролем объясняется наличием в рецептуре соевого концентрата и добавки СЛКБ - 1.
Данные табл. 4.9 свидетельствуют о достаточно хорошей адекватности к эталону ФАО/ВОЗ аминокислотного состава опытного образца колбасы вареной (аминограмма опытного образца представлена в приложении 3). Отличие по лизину можно объяснить его высоким содержанием в мясном сырье и сывороточных белках.
С помощью методики, разработанной д.т.н., академиком РАСХН Н. Н. Липатовым выполнена оценка сбалансированности аминокислотных составов исследуемых образцов. На основании результатов количественной оценки распределения НАК определяется основной критерий оценки пищевого белка с позиций рационального использования НАК, которые в символической форме выглядят следующим образом: [RC - max; БСНАК - min;]T эгНАК - minj. Опытный образец: 0,87— 1; 0,13- 0; 0- 0. Контроль: 0,88-И; 0,12- 0; 0,08- 0.
По полученным результатам можно сделать вывод о том, что опытный образец является предпочтительным в виду того, что при условии равного обеспечения организма анаболическим материалом, максимальная доля содержащихся в нем НАК используется на анаболические цели на биосинтез заменимых аминокислот приходится 0,13 массовых долей, а на компенсацию энергозатрат организма вообще не расходуется.
Макро- и микроэлементы обладают разными анатомо-физическими свойствами, а недостаток или избыток соответствующих элементов может служить сигналом к болезням, связанными с нарушением минерального состава, называемым микроэлементозы [19]. Молочные белково-углеводные препараты имеют богатый минеральный состав [88, 106, 131]. На этом основании проведен сравнительный анализ между оптимальной рецептурой и контрольным образцом (табл. 4.10).
