Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Системный анализ состояния и инноваций в технологии плавленых сыров и плавленых сырных продуктов 16
1.1 Здоровое питание, значение сыра и сырных продуктов в его реализации 16
1.2 История и состояние практических технологий производства плавленых сыров и плавленых сырных продуктов 24
1.3 Белки молока, их использование в сырах
1.3.1 Характеристика состава и основных свойств белков молока 27
1.3.2 Биотрансформация белков в процессе технологической обработки молока, сыра и сырных продуктов 35
1.3.3 Состояние современных исследований белков молока в связи с их использованием в технологии сыра 61
1.4 Современные тенденции в создании технологий плавленых сыров и плавленых сырных продуктов 66
1.4.1 Направление инновационных технологий плавленых сырных продуктов 77
1.5 Пищевые добавки и функциональные ингредиенты для плавленых сырных продуктов 80
1.5.1 Соли-плавители, структурообразователи, стабилизационные системы 82
1.5.2 Молочные и растительные белки в рецептурах продуктов для специализированного питания 89
1.5.3 Растительные жиры в технологии сырных и плавленых сырных продуктов 95
1.5.4 Функциональные пищевые ингредиенты как основная категория продуктов пищевых функциональных 104
Заключение по главе 1 108
Глава 2 Научная концепция теоретических и экспериментальных исследований. Инновационные приоритеты 111
Глава 3 Методология проведения исследований 116
3.1 Организация и схема эксперимента 116
3.2 Объекты исследований 119
3.3 Основные методы исследования 120
Глава 4 Научно-экспериментальное обоснование направления совершенствования технологии основного молочного сырья для плавления (сыра и сырных масс) 131
4.1 Исследование химического состава и свойств молока-сырья и модельных сред 134
4.2 Изучение влияния тепловой обработки на химический состав и биологическую ценность модельных сред 143
Заключение по главе 4 149
Глава 5 Биотермодинамический анализ влияния комплексной добавки на качественные показатели молока-сырья 150
5.1 Исследование влияния комплексной добавки на качественные показатели молока 151
5.2 Математико-статистическая обработка экспериментальных данных по исследованию процесса стабилизации качественных показателей молока и выбору вида полисахарида 163
5.3 Определение энергии активации биосистемы (молоко+комплексная добавка) 169
5.4 Биотермодинамическая оценка структурированности исследуемой биосистемы 177
5.5 Результаты изучения биологической ценности белков
опытных продуктов 184
Заключение по главе 5 191
Глава 6 Биохимические и микробиологические закономерности интенсификации технологии сыров и сырных масс для плавления 192
6.1 Исследование активизации бактериального концентрата и интенсификация процесса созревания нежирного сыракак основного сырья для плавления 194
6.2 Исследование влияния вида бактериального концентрата пропионовокислых культур (ГПСБ) на формирование видовых и специальных свойств полутвёрдого сыра для плавления 206
6.3 Изучение влияния активизации бактериального концентрата, содержащего лактобациллы, и использование его для интенсификации процесса производства полутвёрдого сыра для плавления 220
6.4 Исследование биотехнологии производства сырной массы для плавления на основе совместного использования животного и растительного сырья 240
Заключение по главе 6 250
Глава 7 Исследование биотехнологических факторов и механизма формирования функциональных свойств плавленых сырных продуктов 251
7.1 Формирование функциональных свойств плавленого сырного продукта для школьного питания 253
7.2 Закономерности биотехнологических параметров и функциональных свойств плавленого сырного продукта для питания студенческой молодёжи 267
7.3 Исследование специальных факторов, формирующих функциональные свойства плавленого сырного продукта, предназначенного для профилактического питания 283
7.4 Биотехнологические параметры формирования функциональных свойств плавленого сырного продукта для геродиетического питания 290
Заключение по главе 7 300
Глава 8 Пищевая, биологическая ценность и сроки годности плавленых сырных продуктов, используемых в качестве продуктов пищевых функциональных 302
8.1 Закономерности процесса структурообразования плавленых сырных продуктов для специализированного питания 302
8.2 Хранимоспособность, безопасность и сроки годности плавленых сырных продуктов 308
8.3 Пищевая, энергетическая и биологическая ценность плавленых сырных продуктов 316
Заключение по главе 8 322
Глава 9 Теоретическое обоснование и практическая реализация комплексной технологии плавленых сырных продуктов с функциональными пищевыми ингредиентами 323
9.1 Теоретическое обоснование комплексной технологии плавленых сырных продуктов 323
9.2 Научная новизна рецептур, нормативная документация для реализации технологии плавленых сырных продуктов 329
9.3 Управление качеством производства плавленых сырных продуктов, предназначенных для специализированного питания на основе принципов ХАССП 331
9.4 Социально-экономическая оценка и маркетинговый анализ конкурентоспособности плавленых сырных продуктов с функциональными пищевыми ингредиентами (в рамках реализации программы импортозамещения) 334
9.5 Апробация и внедрение результатов исследований 340
Заключение 342
Список литературы
- Биотрансформация белков в процессе технологической обработки молока, сыра и сырных продуктов
- Основные методы исследования
- Изучение влияния тепловой обработки на химический состав и биологическую ценность модельных сред
- Исследование специальных факторов, формирующих функциональные свойства плавленого сырного продукта, предназначенного для профилактического питания
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Стратегия развития пищевой и
перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 г. (Распоряжение правительства РФ от 17 апреля 2012 г. № 559-р) [318] так же, как и другие программные документы государства: Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации (утв. Указом Президента РФ от 30 января 2010 г. № 120) [398]; Комплексная программа развития биотехнологий в РФ на период до 2020 г. № ВП-П8-2322 (утверждена правительством РФ 24.04.2012, № 1853п-П8 [185], предусматривает системное решение проблем развития пищевой и перерабатывающей промышленности (в числе которой молочная).
Стратегическая цель, стоящая перед пищевой и перерабатывающей
промышленностью, заключается в обеспечении гарантированного и устойчивого снабжения населения страны безопасным и качественным продовольствием.
Следует отметить, что насыщение рынка мясной и молочной продукцией зависит от темпа производства сырья животноводческой отрасли и, прежде всего, от его качества. В число главных задач обеспечения импортозамещения в отношении социально значимых продуктов питания и наращивания экспортного потенциала входит:
выстраивание приоритетов для проведения модернизации промышленности;
внедрение биотехнологий, технологий замкнутого цикла с более эффективной выработкой целевого продукта, с сокращением потерь сырья, производством пищевых продуктов с различными функциональными свойствами;
увеличение производства молочного сырья и повышение его качества с целью увеличения выработки высококачественной готовой продукции;
расширение ассортимента выпускаемой продукции за счёт внедрения современных технологий, повышающих пищевую и биологическую ценность продуктов.
Основные положения диссертационного исследования согласуются с
вышеназванными задачами. Сыр, так же как и сырные продукты, занимает важное
место в структуре питания населения всех возрастных групп. Особенное значение
принадлежит производству продуктов для таких категорий населения, как дети
школьного возраста, студенческая молодёжь, лица старшего возраста и другие
потребительские группы, организм которых нуждается не только в питательных
веществах и энергии, но и в систематическом потреблении определенных
функциональных пищевых веществ, в числе которых пробиотики, пребиотики,
витамины, микро- и макроэлементы и др. Исследования по созданию таких
продуктов, как пробиотические и функционально пищевые, в Паспорте комплексной программы развития биотехнологий в РФ на период до 2020 г. включены в число приоритетных.
Учитывая вышеизложенное, теоретические и экспериментальные исследования, направленные на научное обоснование новых технологий, расширение ассортимента плавленых сырных продуктов в качестве пищевых функциональных продуктов для целевых групп потребителей, следует считать актуальными и своевременными.
Степень разработанности темы. Проблеме организации производства безопасных молочных продуктов для функционального питания посвящены фундаментальные и прикладные научные труды отечественных учёных: А.Г.
4 Храмцова, В.Д. Харитонова, Л.А. Остроумова, И.А. Евдокимова, Ю.Я. Свириденко, И.С. Хамагаевой, В.М. Позняковского, Н.П. Захаровой, В.И. Ганиной, Л.А. Забодаловой, Н.И. Дунченко, Н.А. Тихомировой, Г.Б. Гаврилова, А.Ю. Просекова, А.Г. Рябцевой, Е.И. Мельниковой.
Совершенствование технологии сыра, сырных и сырных плавленых продуктов отражено в научных и практических трудах ведущих учёных: А.А. Майорова, И.А. Смирновой, Н.Б. Гавриловой, Л.В. Голубевой, А.Д. Лодыгина, О.В. Лепилкиной, Л.М. Захаровой, И.В. Буяновой. Проблеме повышения сроков годности и безопасности продуктов питания посвящены труды зарубежных учёных: Д. Килкаста, П. Субраманиама, Р. Стеле, Г. Гибсона и др.
Цель работы и задачи исследований. Цель диссертационной работы –
теоретическое и экспериментальное обоснование комплексной технологии плавленых сырных продуктов как продуктов пищевых функциональных для целевых групп потребителей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
провести системный анализ состояния и инноваций производства плавленых сырных продуктов. На его основе сформулировать научную концепцию направленного формирования функциональных свойств плавленых сырных продуктов;
экспериментально изучить качественные показатели и биологическую ценность молока как основного сырья для производства сыра для плавления;
теоретически обосновать и экспериментально исследовать влияние комплексной добавки на качественные показатели молока-сырья;
дать биотермодинамическую оценку энергии активации и структурированности исследуемой биосистемы, определить вид и количество комплексной добавки;
изучить биохимические и микробиологические закономерности совершенствования технологии сыра и сырной массы для плавления, путём подбора и активизации бактериальных культур на экспериментальных питательных средах;
выявить тенденции формирования функциональных свойств плавленых сырных продуктов;
определить пищевую, биологическую ценность, безопасность и сроки годности плавленых сырных продуктов как продуктов пищевых функциональных;
теоретически и экспериментально обосновать технологическую платформу комплексной технологии плавленых сырных продуктов в качестве технологии замкнутого цикла;
разработать технологию плавленых сырных продуктов с использованием функциональных пищевых ингредиентов для специализированного питания;
провести социально-экономическую оценку и маркетинговый анализ конкурентоспособности новых продуктов в рамках реализации программы импортозамещения.
Научная концепция работы. Направленное формирование функциональных
свойств плавленых сырных продуктов путём совершенствования биотехнологии
основного молочного сырья для плавления, выбора и исследования новых
функциональных пищевых ингредиентов позволит создать в них идентификационные
признаки высококачественных безопасных пищевых продуктов с заданными
качественными характеристиками, соответствующими продуктам пищевым
функциональным.
Научная новизна работы. Сформулирована научная концепция направленного
формирования функциональных свойств плавленых сырных продуктов на основе
использования молочного сырья с высокими качественными показателями,
функциональных пищевых ингредиентов и оптимальных параметров производства.
Изучены качественные показатели и биологическая ценность молока – основного
сырья для производства сыра как биосистемы. Определена степень влияния
комплексной добавки, состоящей из полисахарида и кальцийсодержащего
компонента, на значения динамической вязкости, активности воды, энергии
активации, энтропии и структурированности биосистемы. На основании результатов
математического анализа совокупности экспериментальных данных оптимизирован
качественный и количественный состав исследуемой биосистемы. Предложена
гипотетическая модель взаимодействия молока как сложной биотермодинамической
системы с полисахаридами и кальцийсодержащим компонентом. Впервые рассмотрен
биотермодинамический метод оценки состояния биосистемы в качестве средства
информации о структурированности продукта. Определены биохимические и
микробиологические закономерности совершенствования технологии сыра и сырных
масс для плавления путём подбора и активизации бактериальных культур с различным
видовым составом на экспериментальных питательных средах, что позволило
сформировать их видовые признаки. Экспериментально установлены основные
тенденции направленного формирования функциональных свойств плавленых сырных
продуктов путём использования таких функциональных пищевых ингредиентов, как
пробиотики, пребиотики, витаминно-минеральные комплексы, кальция в наноформе,
инулинсодержащих препаратов. Структура рецептур плавленых сырных продуктов
как продуктов пищевых функциональных представлена в виде четырехэлементной
биотехнологогической системы (БТС). Изучен процесс структурообразования
плавленых сырных продуктов. Для стабилизации БТС предложено использовать кроме
эмульгирующих солей стабилизирующую систему. Установлены пищевая,
биологическая ценность, безопасность и сроки годности новых видов плавленых сырных продуктов. Теоретически и экспериментально обоснована технологическая платформа производства плавленых сырных продуктов как продуктов пищевых функциональных. Новизна технических решений комплексной технологии плавленых сырных продуктов отражена в 11 патентах РФ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Диссертация представляет собой научно-квалификационную работу с изложенными научно обоснованными технологическими решениями, внедрение которых вносит значительный вклад в решение социальных проблем и развитие молочной промышленности страны. На основании результатов экспериментальных исследований и промышленной апробации разработана 21 технология, в том числе плавленых сырных продуктов. Апробация и внедрение результатов исследования и новых технологий проводились на ведущих пищевых предприятиях Омского региона: ООО «ВНИМИ-Сибирь», г. Омск; ООО «Ястро»; ЗАО «Любинский молочно-консервный комбинат»; ЗАО «ОмскМолоко», ОАО «СибСыр», ОАО «Альянс». Результаты исследований внедрены в образовательный процесс Омского государственного аграрного университета им. П.А. Столыпина при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по следующим направлениям: 260303.65 – технология молока и молочных продуктов; 260100.62, 260100.68 – продукты питания из растительного сырья; 260200.62, 260200.68 – продукты питания животного происхождения.
Степень достоверности и апробация результатов. Научные положения,
решения, выводы и рекомендации основаны на сформулированной в работе научной
концепции, анализе теоретических и практических аспектов изучаемой проблемы,
подтверждаются значительным объемом проведенных экспериментальных работ с
использованием стандартных и специальных методов исследования, современных
методов расчета статистической достоверности результатов измерений,
согласованностью результатов исследований с современными тенденциями пищевой технологии, положениями науки о питании, подтверждаются апробациями, производственными опытами и результатами практических внедрений.
Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были
предметом докладов и обсуждений на научно-технических мероприятиях различного
уровня, специализированных конгрессах, в том числе: «Реализация государственной
программы развития с/х и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции,
сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы» (Омск, 2009, 2013);
«Актуальные проблемы техники и технологии переработки молока» (Барнаул, 2009,
2010, 2012); «Социально-экономические и правовые проблемы развития
информационного общества» (Омск, 2009); «Динамика систем, механизмов и машин»
(Омск, 2009); «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2009, 2010);
«Повышение качества пищевых продуктов: развитие творческой и инновационной
деятельности молодежи» (Кемерово, 2010); «Инновационные идеи молодых
исследователей для агропромышленного комплекса России» (Пенза, 2010); «Омское
время – взгляд в будущее» (Омск, 2010); «Пищевые технологии и биотехнологии»
(Казань, 2010); «Современные технологии продуктов питания: теория и практика
производства» (Омск, 2010); «Новейшие направления развития аграрной науки в
работах молодых ученых» (р.п. Краснообск, 2010); «Наука и молодежь: новые идеи и
решения» (Волгоград, 2010); «Безопасность и качество товаров» (Саратов, 2010);
«Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы,
перспективы» (Пенза, 2010); «Ресурсосберегающие технологии при хранении и
переработке сельскохозяйственной продукции» (Орел, 2010); «Молочная
промышленность Сибири» (Барнаул, 2010); «Вавиловские чтения» (Саратов, 2010);
«Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2010, 2013);
«Социально-экономические аспекты современного развития АПК: опыт, проблемы,
перспективы» (Саратов, 2010); «Россия молодая: Передовые технологии – в
промышленности» (Омск, 2010, 2011, 2013); «Живые системы и биологическая
безопасность населения» (Москва, 2010); «Инновационному развитию АПК – научное
обеспечение» (Пермь, 2010); «Перспективы производства продуктов питания нового
поколения» (Омск, 2011); «Инновации молодых ученых аграрных вузов –
агропромышленному комплексу сибирского региона» (Омск, 2011); «Современные
достижения биотехнологии» (Ставрополь, 2011, Минск – Ставрополь, 2014);
«Инновации и современные технологии в производстве и переработке
сельскохозяйственной продукции» (Ставрополь, 2011); «Продовольственная
безопасность Казахстана: состояние и перспективы» (Семей, 2012); «II Торговый
форум Сибири» (Омск, 2013); «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово,
2013); «Производство и переработка сельскохозяйственной продукции: менеджмент
качества и безопасности» (Омск, 2013); «Пищевая и перерабатывающая
промышленность Казахстана: современное состояние и перспективы развития» (Семей, 2013); «Современный взгляд на производство продуктов здорового питания»
7 (Омск, 2013); «Пища. Экология. Качество» (Екатеринбург, 2010, 2012, 2014); «Актуальные проблемы использования биологических ресурсов в сельском хозяйстве в условиях глобализации» (Екатеринбург, 2014); «Создание объединенного аграрного вуза в Москве» (Москва, 2014); «Биотехнология и общество в XXI в.» – международный биотехнологический симпозиум «Bio-Asia-2015» (Барнаул, 2015); «Современные достижения биотехнологии. Актуальные проблемы молочного дела» (Ставрополь, 2015).
Личное участие автора. Представленная работа является обобщением научных исследований, проведенных с 2005 по 2015 гг. лично автором и/или при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах: обосновании актуальности исследований по теме диссертации, формировании научной концепции; планировании и постановке эксперимента, разработке методик исследований; анализа, обобщения, математической обработки результатов исследований, проведении промышленных испытаний; разработке нормативной документации; внедрении результатов в образовательный процесс.
Отдельные этапы данной работы были выполнены в рамках финансируемых НИР и проектов:
Министерства сельского хозяйства РФ на проведение научно-исследовательских работ на тему «Разработка технологии функциональных продуктов с пролонгированными сроками хранения», приказ № 90 ОД от 04.03.2009 г. ФГОУ ВПО ОмГАУ;
Омского регионального фонда поддержки и развития малого предпринимательства на тему «Производство плавленых сырных продуктов специального назначения», Свидетельство № 310554301400070 от 14 января 2010 г.;
- Министерства сельского хозяйства РФ на проведение научно-
исследовательских работ на тему «Проведение научных исследований по разработке
экологически безвредных, высокотехнологичных технологий для предприятий
комплексной переработки сельскохозяйственного сырья», приказ № 85/1ОД от
04.03.2011 г. и приказ № 89 ОД от 06.02.2012 г. ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А.
Столыпина;
научной темы «Разработка теоретических основ, создание новых технологий и техники для производства безопасных продуктов питания с функциональными свойствами», номер гос. регистрации 01.200609463;
гранта Президента Российской Федерации № 14.120.14.5651-МК от 03 февраля 2014 г. по теме «Научное и экспериментальное обоснование технологии сырных продуктов специального назначения» (финансирование с 2014 по 2015 гг.).
Значимость научных исследований подтверждена премией правительства Омской области для поощрения молодых деятелей науки за 2014 год (Распоряжение правительства Омской области от 12 ноября 2014 года № 155-рп).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в печатных работах, в их числе 2 монографии, 17 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобразованием РФ, а также 40 статей в научных трудах институтов, материалах конференций, конгрессов, форумов, научных семинаров, 11 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 9 глав, в их числе введение, литературный обзор, методология, результаты исследований, заключение и выводы, список литературы и приложения.
Биотрансформация белков в процессе технологической обработки молока, сыра и сырных продуктов
Промышленное производство плавленых сыров началось в Европе и США в 1910-1920 гг. Технологии были основаны на переработке сыров типа Чеддер и других видов, а в качестве солей-плавителей использовались цитраты или фосфаты. Эти ранние попытки получить высококачественный плавленый сыр имели ог 25 раниченный успех, но к 1930-м гг., когда на рынке появились специальные соли плавители (например, полифосфаты и др.), данная технология получила широкое распространение. Кроме того, перед обработкой в смесь стали вносить другие молочные и немолочные ингредиенты, причем возможность их использования обычно определялась действующими нормативными актами отдельных стран.
Плавленый сыр - молочный продукт, который вырабатывается из сычужных сыров, сыров для плавления, творога, масла и других молочных продуктов с добавлением специй и наполнителей путём плавления сырной массы при температуре 75...95 С. Изобретён в швейцарском городе Туне швейцарцем Вальтером Гербером в 1911 г. Джеймс Крафт, основатель одноименной компании «Kraft Foods», в 1916 г. запатентовал свой метод производства плавленого сыра. Его компания в 1950 году впервые в мире выпустила в продажу нарезанный ломтиками плавленый сыр [304].
Зарубежные специалисты утверждают, что, вопреки современному мнению обывателей, плавленые сыры изготавливают из высококачественных натуральных сыров (смесей свежих и зрелых), а не из утративших свое качество товарных запасов (последние, в том числе направляемые на повторную переработку плавленые сыры, используют лишь в очень небольших дозировках) [379, 464].
Плавленым сыром и/или плавленым сырным продуктом называют продукты переработки натуральных сыров путем нагревания в целях стабилизации их свойств. Такие изделия вырабатываются во многих странах, и на различных рынках присутствуют многочисленные варианты плавленых сыров с разными названиями типа «пастеризованный», «эмульгированный», «пастеризованная смесь», «американский», «вареный» или «стерилизованный» [491].
В настоящее время получили широкое распространение «искусственные» плавленые сыры, приготавливаемые из смесей молочных и/или немолочных белков, молочного жира или растительного масла. Эти изделия называют по-разному - «сырами-аналогами», «искусственными аналогами», «заменителями сыра», «искусственными», «прессованными», «синтетическими», «тофу», а также «сырами с наполнителем». По различным аспектам производства плавленых сыров см. также работы [456, 457, 481, 482, 493, 507, 515, 524, 532, 538]. Аналоги плавленых сыров получают из смесей молочных и/или немолочных белков и жиров. Так, в связи с увеличением себестоимости выпускаемых плавленых сыров был предложен ряд продуктов - аналогов плавленого сыра - для удовлетворения спроса на рынке быстрого питания (например, сыров для пиццы), кейтеринга и готовых к употреблению продуктов, в том числе для системы школьного питания [379, 462, 483, 503, 511, 527, 552].
В России производство плавленых сыров получило развитие с 1930 г. Теоретические и практические технологии плавленых сыров созданы СМ. Барканом, М.Ф. Кулешовой, П.Ф. Крашенининым, Ю.Я. Свириденко, В.Ф. Роздовой, Н.П. Захаровой, А.В. Дунаевым, В.Г. Тиняковым, Б.С. Бедных, О.В. Лепилкиной и другими учёными [3, 21, 66, 152, 153, 155, 156, 157, 201, 210, 367, 390].
В молочной промышленности для производства широкого спектра молочных и молокосодержащих продуктов основным сырьём является молоко коровье сырое по ГОСТ Р 52054-2003 [93].
Особую ценность представляют белки молока - наиболее важные в биологическом отношении органические вещества. Образующиеся в результате расщепления белков аминокислоты идут на построение клеток организма, ферментов, защитных тел, гормонов и т.д. Некоторые аминокислоты легко образуются в организме из других кислот, но есть и такие, которые должны поступать с пищей (человеческий организм не способен их синтезировать). Эти аминокислоты (лизин, триптофан, метионин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин, валин) на 27 зывают незаменимыми. Недостаток в пище даже одной незаменимой аминокислоты приводит к нарушению обмена веществ в организме человека.
По содержанию незаменимых аминокислот белки молока относят к белкам высокой биологической ценности. Особенно богаты незаменимыми аминокислотами сывороточные белки молока - они содержат больше по сравнению с казеином лизина, триптофана и некоторых других аминокислот. Количество многих незаменимых аминокислот в них значительно выше не только по сравнению с белками растительных продуктов, но и с некоторыми белками мяса и рыбы. Поэтому использование белков молока в хлебопекарной, кондитерской и мясной промышленности повышает биологическую ценность многих пищевых продуктов.
Кроме того, казеин и сывороточные белки молока обладают рядом важных функциональных свойств (водосвязывающая, эмульгирующая, пенообразующая способность и др.), позволяющих использовать их концентраты в качестве стабилизаторов, эмульгаторов разнообразных продуктов (мороженое, кремы, пудинги и другие продукты питания).
Одним из важнейших свойств белков молока является то, что они содержатся в растворенном состоянии, легко атакуются и перевариваются протео-литическими ферментами пищеварительного тракта. Степень усвоения белков молока составляет 96.. .98 % [75].
Основные методы исследования
Пищевая ценность продуктов сыроделия обусловливается прежде всего белками. Содержание общего белка в сырах и сырных продуктах варьирует от 14 (мягкие сыры и сырные продукты) до 37 % (сыры нежирные для плавления). Техническими документами регламентировано колебание массовой доли белка для плавленых сыров и плавленых сырных продуктов, плавленых сыров из творога и сырных соусов от 8,4 (сладкие плавленые сыры и плавленые сырные продукты) до 53,5 % (сухие плавленые сыры в порошке). Таким образом, диапазон содержания белка в продуктах сыроделия достаточно широк, а объекты испытаний характеризуются различным химическим составом и текстурой [386]. Исследования показали, что в плавленых сырах и плавленых сырных продуктах наблюдается за 62 ниженное количество белка. Это следует объяснить использованием в рецептуре молочных ингредиентов, содержащих нестандартное количество молочного белка.
В СибНИИ сыроделия проводятся аналитические и экспериментальные исследования номенклатуры и биологических свойств основных сывороточных белков коровьего молока. Установлено, что в отличие от казеинов основные сывороточные белки молока коровы демонстрируют достаточно широкий разброс таких физико-химических параметров, как молекулярные массы (от 14 до 1000 кДа) и изоэлектрические точки (от 4,2 до 8,8).
Термин «сывороточные белки молока» используется для определения группы белков, которые остаются в молочной сыворотке после преципитации казеинов при рН 4,6 и 20 С. Традиционно основными компонентами этой группы белков считаются бета-лактоглобулин (P-LG), альфа-лактальбумин (a-LA), сывороточный альбумин (SA), иммуноглобулины (Ig) и протеозо-пептонная фракция. Один из наиболее информативных и распространенных методов исследования белкового состава — электрофорез в полиакриламидном геле в присутствии доде-цилсульфата натрия и (3-меркаптоэтанола (SDS-PAGE) - позволяет выявить в образцах сыворотки еще один белок - лактоферрин (LF), который также относится к сывороточным белкам молока. Универсальность метода SDS-PAGE позволяет сравнивать и анализировать данные, полученные в разных лабораториях, нивелируя разницу в реактивах, способах подготовки образцов и субъективные факторы.
Кроме P-LG, a-LA, SA, Ig и LF, во фракции сывороточных белков присутствуют продукты протеолитической деградации казеинов и протеины мембраны жировой глобулы, однако правомерность включения этих компонентов в список является предметом дискуссии. В результате гидролиза Р-казеина плазмином молока образуются различные продукты его деградации, обозначавшиеся ранее как у-казеины и протеозо-пептоны. Комитет по номенклатуре, классификации и методологии белков молока (Committee on the Nomenclature, Classification and Methodology of Milk Proteins) при ADSA (American Dairy Science Association) рекомендует называть у-казеины и протеозо-пептоны 5 и 8 продуктами деградации (или фрагментами) бета-казеина, указывая в скобках длину полипептидного фрагмента с номерами аминокислотных остатков цепи Р-казеина. Например: yl-казеин обозначается как P-CN (29-209) («f» - fragment), у2-казеин - как P-CN (fl06-209), уЗ-казеин - как р -CN (fl08-209)x [129].
В ФГБОУ ВПО КемТИПП проведены исследования и разработаны полифункциональные добавки на основе гидролизатов казеина, а также предложена технология пищевых продуктов с их использованием. Исследованы закономерности очистки и деминерализации гидролизатов казеина, полученных химическим способом. Подобраны оптимальные параметры, обеспечивающие удаление соляной кислоты и гидроксида натрия из гидролизатов казеина: температура (80±5) С, продолжительность процесса 90 мин. Определены параметры деминерализации кислотного и щелочного гидролизатов: размер частиц анионита и катеонита 0,8...0,1 мм, высота слоя 750...800 мм, концентрация наносимого гидро-лизата 40...50 %, продолжительность элюирования полного объема хроматогра-фической колонки производственной установки 90 мин. В условиях опыта при фильтровании гидролизатов казеина концентрация кислоты уменьшилась в 600 раз, а щелочи в 200 раз с потерей 7 и 8 % аминного азота соответственно.
В процессе ферментативного гидролиза казеина изучено влияние энзимати-ческих систем, в состав которых входят эндо- и экзопептидазы, на динамику накопления свободных аминокислот, молекулярно-массовое распределение белков и пептидов. Подобраны параметры, при которых происходит наибольшее накопление свободных аминокислот: активная кислотность 7,0, оптимальная температура активности энзиматической системы (50±1) С, фермент-субстратное соотношение 1:25. Степень гидролиза (98,44±2,68) % и (98,52±2,38) % достигается в результате действия на казеин энзиматической системы, где в качестве эндопепти-дазы использовали папаин и химотрипсин соответственно, экзопептидаз - кар-боксипептидазу А и лейцинаминопептидазу [204, 206, 207].
Изучение влияния тепловой обработки на химический состав и биологическую ценность модельных сред
Подготовка пробы включает в себя следующие операции: измельчение и перемешивание твердой пробы; прессование твердой пробы в таблетку, в специальную капсулу для жидких проб. Определение аминокислотного состава проводили на системе для аминокислотного анализа Aracus. Краткая характеристика - чувствительность (сигнал/шум 2:1) 5 пмоль по аспарагину, воспроизводимость площади пика: 1 % по глутамину и гистидину, уровень шума: 0,02-10 е.о.п, дрейф базовой линии: 1,0-10 е.о.п./час; объем вводимой пробы: 1...50 мкл, шаг объема вводимой пробы: 1 мкл, точность: 1 % СКО; объем петли: 20 или 50 мкл. Подготовка пробы включает в себя следующие операции: -гидролиз соляной кислотой при температуре (110±10) С, давление 0,8 МРа в течение 12... 15 ч для разделения белка на свободные аминокислоты; -центрифугирование через мембрану с размером пор от 0,22...0,25 нм для удаления из раствора различных примесей. Для определения активности воды использовали криоскопический метод и прибор АВК-3, разработанный в Саратовском государственном аграрном университете [261, 402]. Для изучения состояния воды использовался метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), основанный на взаимодействии внешнего магнитного поля с ядрами, имеющими магнитный момент, которые при воздействии на них радиоимпульсом определенной частоты переходят на другой энергетический уровень, а при отключении импульса возвращаются в исходное состояние, испуская при этом электромагнитное излучение. В результате получаются изображения затухающих резонансных колебаний, в которых смешаны сигналы от всех резонирующих ядер - спад свободной индукции (ССИ), форма которого отличается в зависимости от химического состава и физического состояния анализируемого вещества, количества резонирующих ядер (чаще всего ядер водорода - протонов) [131,401,492,522].
Измерение времени проводили на ЯМР-спектрометре AV-400 Avance III (Омский региональный центр коллективного пользования СоРАН, г. Омск).
Время спин-решеточной релаксации Ті измеряли в эксперименте по методу «инверсии - восстановления», используя фирменную программу INVREC для программатора импульсов, задающую последовательность радиочастотных импульсов, облучающих образец. Управление экспериментом и обработку накопленных сигналов осуществляли посредством дисковой версии программного обеспечения фирмы «Брукер» для ЭВМ «Аспект-2000».
Время спин-спиновой релаксации определяли с помощью импульсных последовательностей Карра-Перселла-Мейбума-Гилла (программа CPVG) и эха Хана (программа HAHNECHO).
ЯМР-спектрометр AV-400 Avance III, BRUKER с характерным набором датчиков для получения ЯМР-спектров жидкостей и твердотельной приставкой CP/MAS для экспериментов с кросс-поляризацией/вращением под магическим углом.
ЯМР-спектрометр AV-400 Avance III включает: высокопроизводительную активно-экранированную сверхпроводящую магнитную систему ВС-94/54 с отверстием соленоида 54 мм и магнитным полем 9,4 Тесла с антивибрационной стойкой; ортогональную систему шиммов (BOSS-1) и систему контроля (BSMS); микропроцессорную систему AMOS для ручной и компьютерной настройки шиммов, лока и скорости вращения образца; радиочастотную секцию и систему передатчик-приемник, включающую 2-канальную схему усиления с двумя линейными усилителями (14... 400 МГц) мощностью импульса 50 Вт для Ни 135 Вт для С; пневмосистему для введения образцов и вращения ампул; улучшенный передатчик ВН3088 для работы в режимах кроссполяризации / вращения под магическим углом (CP/MAS); многоядерные двухканальные датчики X/ Н для экспериментов с кросс-поляризацией / вращением под магическим углом (0CP/MAS)0 и широкополосный датчик (BBO-F) для жидкостей во всей области температур, а также температурную приставку для работы с MAS от +120 С до - 50 С.
Содержание инулина в пересчете на фруктозу. Инулин определяли на спектрофотометре СФ-26 по методу, представленному в литературе [25].
Сущность данного метода состоит в том, что в концентрате топинамбура помимо полисахарида инулина содержатся свободные сахара (фруктозиды). Инулин растворим в воде и нерастворим в 96 % спирте, а фруктозиды растворимы в воде и 96 % спирте. Это свойство положено в основу методики. Было получено два извлечения - водное и спиртовое. В первое переходили инулин и фруктозиды. По разности двух определений рассчитывали содержание инулина. Для количественного определения суммы инулина и фруктозидов готовили извлечение согласно методике, которое очищали 2 мл 10 % раствора свинца ацетата, нейтрализовали раствор 2 мл 5 % раствора фосфата натрия. Объем очищенного и нейтрализованного извлечения доводили до метки и фильтровали. Затем 2 мл фильтрата помещали в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводили водой объем раствора до метки и перемешивали (раствор А). В две мерные колбы по 25 мл прибавляли по 5 мл 0,1 % спиртового раствора резорцина (точно). В первую колбу добавляли раствор А в другую воду. Доводили объем обоих растворов до метки 30 % раствором кислоты хлористоводородной и нагревали на водяной бане при температуре 80 С в течение 20 мин. Далее охлаждали до температуры лаборатории и определяли оптическую плотность анализируемого раствора на спектрофотометре при длине волны 520 нм в кювете с толщиной слоя 10 мм относительно раствора сравнения. Содержание суммы инулина и фруктозидов в пересчете на фруктозу в процентах вычисляли по формуле: O-20Q-100-100 3) 95-1-2-m v } где X - сумма инулина и фруктозидов в пересчете на фруктозу, %; D - оптическая плотность анализируемого раствора; 95 - удельный показатель поглощения продуктов реакции взаимодействия фруктозы с резорцином в кислой среде; m - масса пробы, г.
Для количественного определения фруктозидов готовили извлечение согласно методике [25], которое очищали 1 мл 10 % раствора свинца ацетата, нейтрализовали раствор 2 мл 5 % раствора фосфата натрия. Объем очищенного и нейтрализованного извлечения доводили до метки и фильтровали. Затем 10 мл фильтрата помещали в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводили водой объем раствора до метки и перемешивали (раствор А). Далее поступали, как при определении суммы инулина и фруктозидов. Содержание фруктозидов (Х{) в пересчете на фруктозу в процентах вычисляли по формуле:
Исследование специальных факторов, формирующих функциональные свойства плавленого сырного продукта, предназначенного для профилактического питания
Устройство обнаружения вязкости образца состоит из двух тонких сенсорных пластин. Сенсорные пластины приводятся в состояние равномерной синусоидальной вибрации в противофазе. Сенсорные пластины приводятся в движение электромагнитной силой той же частоты, что и собственная частота (резонанс), которая является характеристикой каждой структуры, для того чтобы привести измерительную систему в состояние резонанса. Такое использование резонанса является наиболее замечательной особенностью этого вискозиметра. Когда устройство обнаружения вязкости вибрирует, оно производит значительную по величине реактивную силу в опорном устройстве сенсорных пластин через рессорные пластины. Однако, поскольку сенсорные пластины движутся в противофазе друг относительно друга с одинаковой частотой/амплитудой вибрации для того, чтобы исключить силу реакции, это дает возможность получить стабильную синусоидальную вибрацию.
Прибор SV10 работает в динамическом диапазоне от 0,3 мПа-с до 10,000 мПас и способен выполнять непрерывные измерения в этом диапазоне с высокой повторяемостью (точностью) и стабильностью. Программное обеспечение, входящее в комплект поставки прибора, позволяет пользователю строить графики вязкости и температуры в реальном времени.
Вязкость продуктов определяли на вискозиметре РВ-8 М. Воларовича [73]. Предельное напряжение сдвига (ПНС) Go (Па) определили по формуле: "" в пр где Мо — момент, при котором начинается вращение ротора; R в - радиус поверхности ротора; hnp - приведенная высота контакта ротора с продуктом. Пластическую вязкость г) (Па-с) вычисляли по формуле: т1 = 1(Кт-К20Д (3.7) 128 где 0О = K0m0 — предельное напряжение сдвига, Па; К, К0, Кь К2 - постоянные прибора, имеющие размерность соответственно: M_1-C"2; М_1-С"2; М-С2; 1; m — масса грузов, вращающих ротор, кг. Расчет эффективной вязкости гЭф (Па-с) для любого напряжения рассчитывали, используя зависимость, предложенную М.П. Волоровичем: Л , = К (3.8) Выбраковку резко отклоняющихся значений опытных данных осуществляли по методике, изложенной в научной литературе [41, 109, 406]. Определение структурно-механических характеристик осуществляется на приборе «Структурометр», зарегистрированном в Госреестре средств измерений Российской Федерации и допущенном к применению.
Структурометр представляет собой устройство, включающее блок управления, сменные измерительные головки и набор сменных инструментов и приспособлений.
Принцип работы структурометра основан в измерении воздействия неподвижного инструмента на образец, перемещаемый столиком по заданному закону. Структурометр имеет 8 режимов работы определения структурно-механических характеристик: определение упругих пластических деформаций, прочностных адгезионных свойств, исследование кинетики деформации и релаксационных процессов [374].
Для характеристики безопасности готовых продуктов определялись [252, 253,373,338]: -микробиологические показатели в соответствии с действующей нормативной базой: СанПиН 2.3.4.551 «Производство молока и молочных продуктов»; СанПиН 2.3.2.1078 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов». Определение содержания токсичных элементов, пестицидов, антибиотиков и радионуклидов: - свинца - по ГОСТ Р 51301 «Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержа 129 ния токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка)», ГОСТ 26932 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения свинца», ГОСТ 30178 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов», ГОСТ 30538 «Продукты пищевые. Методика определения токсичных элементов атомно-эмиссионным методом» и МУК 4.1.986 «Методика выполнения измерений массовой доли свинца и кадмия в пищевых продуктах и продовольственном сырье методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии. Методические указания»; -мышьяка - по ГОСТ Р 51766 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения мышьяка»; -кадмия - по ГОСТ Р 51301 «Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка)», ГОСТ 26933 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения кадмия», ГОСТ 30178 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов», ГОСТ 30538 «Продукты пищевые. Методика определения токсичных элементов атомно-эмиссионным методом» и МУК 4.1.986 «Методика выполнения измерений массовой доли свинца и кадмия в пищевых продуктах и продовольственном сырье методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии. Методические указания»; - ртути - по ГОСТ 26927 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения ртути» и МУ 5178 «Методические указания по определению ртути в пищевых продуктах»; -радионуклидов стронция-90 и цезия-137 - по МУК 2.6.1.1194 «Радиационный контроль. Стронций-90 и цезий-137. Пищевые продукты. Отбор проб, анализ и гигиеническая оценка». Экспериментальные данные обрабатывали методом математической статистики на ЭВМ.
Результаты экспериментальных исследований подвергали статистической обработке методами корреляционного и регрессионного анализа, реализованного с помощью стандартных пакетов программ «MathCAD-14 Professional», «Ms. Excel». Повторность опытов установлена методами статистического анализа и яв 130 лялась пятикратной. Достоверность результатов определяли с помощью критерия Кохрена [128, 235, 499].
Выбор оптимальных экспериментальных вариантов осуществляли методом нормирования (переводом в безразмерные единицы), относящимся к категории формализованного описания параметров. Математическое моделирование, определение трехфакторных зависимостей результатов исследований осуществляли с использованием прикладной программы «Eureka: The Solver, Version 1.0» и математических матриц в процессоре электронных таблиц «Ms. Excel», входящего в пакет «Microsoft Office».