Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Научные и практические предпосылки применения ягодного сырья для создания продуктов питания повышенной пищевой ценности 21
1.1 Функциональные пищевые ингредиенты ягод и их роль в жизнедеятельности организма человека 22
1.2 Садовые и лесные ягоды - природный источник функциональных пищевых ингредиентов для создания продуктов питания повышенной пищевой ценности 39
1.3 Технологические аспекты переработки плодово-ягодного сырья при получении пищевых продуктов 58
1.4 Заключение 85
Глава 2 Объекты и методы исследований 88
2.1 Сырьё и материалы, применявшиеся при проведении исследований 88
2.2 Методы определения активностей ферментных препаратов и оптимальных условий действия 89
2.3 Методы исследования химического состава и физико-химических показателей 91
2.3.1 Методы определения белковых веществ 92
2.3.2 Методы определения углеводов 92
2.3.3 Методы определения липидов 93
2.3.4 Методы определения органических кислот 94
2.3.5 Методы определения полифенольных соединений . 95
2.3.6 Методы определения витаминов и каротиноидов... 96
2.3.7 Методы определения минеральных веществ
2.4 Методы определения антиоксидантной активности 99
2.5 Метод исследования детоксицирующей способности (на 100 примере связывания свинца) 2.6 Методы определения показателей качества липидов 100
2.7 Методы определения микробиологических показателей 100
2.8 Методы исследования физико-химических, реологических, структурно-механических и органолептических показателей кондитерских, хлебобулочных изделий и безалкогольных напитков 101
2.9 Методы математического планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных 103
Глава 3 Оценка ягодного сырья (красной смородины, облепихи, брусники) как перспективного источника природных биологически активных соединений, красителей и консервантов . 104
3.1 Исследование химического состава ягод брусники 104
3.2 Исследование химического состава ягод красной смородины 106
3.3 Исследование химического состава ягод облепихи 3.4 Заключение 115
Глава 4 Научно-практические аспекты биокаталитического способа обработки ягодного сырья при получении ягодных соков 116
4.1 Обоснование выбора ферментных препаратов для предобработки ягод при получении сока 116
4.1.1 Характеристика пектолитических ферментных препаратов 118
4.1.2 Характеристика ферментных препаратов глюканазного действия 124
4.2 Исследование условий применения ферментных препаратов пектолитического и глюканазного действия для предобработки ягод при получении сока 130
4.2.1 Применение ферментных препаратов Фруктоцим Колор, Ксибитен-Цел, Laminex BG Glucanase Complex и мультэнзимных композиций на их основе 130
4.2.1.1 Влияние ферментативной обработки ягод на выход сока, его вязкость и содержание редуцирующих веществ 130
4.2.1.2 Подходы к созданию мультэнзимных композиций и разработка условий их применения для предобработки ягод при получении сока 143
4.2.2. Исследование условий применения ферментного препарата Пектофоетидин ШОх и мультэнзимной композиции на его основе для предобработки ягод при получении сока 162
4.3 Заключение 168
Глава 5 Научно-методологический подход к оценке эффективности применения биокаталитического способа предобработки ягодного сырья при получении соков 171
5.1 Исследование влияния ферментативной обработки ягод красной смородины с применением МЭК-1 на выход экстрактивных веществ и химический состав сока 172
5.2 Исследование влияния ферментативной обработки ягод брусники с применением МЭК-2 на выход экстрактивных веществ и химический состав сока 183
5.3 Исследование влияния ферментативной обработки ягод облепихи с применением МЭК-2 на выход экстрактивных
веществ и химический состав сока 188
5.4 Исследование влияния предварительной ферментативной обработки ягод при получении сока на его антиоксидантные и детоксицирующие свойства 199
5.5 Заключение 203
Глава 6 Научные и технологические аспекты применения биокаталитического способа обработки ягодного сырья для получения концентратов ягодных соков повышенной пищевой ценности 206
6.1 Получение концентратов ягодных соков 208
6.2 Характеристика концентратов ягодных соков по химическому составу и антиоксидантной активности как обоснование целесообразности их применения в составе
рецептур пищевых продуктов 210
6.2.1 Исследование химического состава и антиоксидантной активности концентрата смородинового сока 210
6.2.2 Исследование химического состава и антиоксидантной активности концентрата брусничного
сока 214
6.2.3 Исследование химического состава и антиоксидантной активности концентрата облепихового сока 216
6.3 Обоснование сроков хранения ягодных концентратов на основе анализа органолептических, физико-химических, микробиологических и биохимических показателей качества 226
6.3.1 Влияние сроков хранения на органолептические, физико-химические и биохимические показатели качества ягодных концентратов 228
6.3.2 Исследование микробиологического состояния ягодных концентратов в процессе хранения 234
6.4 Разработка технологических решений по переработке ягодного сырья и получению ягодных концентратов с использованием предобработки ягод ферментными препаратами, гидролизующими некрахмальные полисахариды... 238
6.5 Исследование химического состава вторичного продукта получения ягодных концентратов 242
6.6. Заключение 251
Глава 7 STRONG Разработка нового ассортимента пищевых продуктов и технологических решений по использованию концентратов ягодных соков и вторичного продукта - ягодного жома при их
производстве STRONG 254
7.1 Разработка технологических решений для создания нового ассортимента кондитерских изделий 255
7.1.1 Применение концентрата сока из ягод облепихи в технологии кондирования тыквы 257
7.1.2 Разработка рецептуры и технологических решений для производства тортов и пирожных с применением концентрата сока из ягод облепихи 262
7.1.3 Разработка практических рекомендаций по применению концентрата сока из ягод облепихи при получении желейного мармелада 271
7.1.4 Разработка рецептуры и технологических решений для производства конфет типа «Суфле» с применением концентрата сока из ягод красной смородины 279
7.2 Разработка рецептуры и технологических решений для производства хлебцев хрустящих диетических с применением концентратов соков из ягод облепихи и брусники 281
7.3 Разработка практических рекомендаций по применению концентрата сока из ягод облепихи при получении экструдированного рисового продукта 285
7.4 Разработка технологических решений для создания нового ассортимента безалкогольных напитков 288
7.4.1 Разработка рецептуры и технологических решений для получения безалкогольных негазированных напитков с использованием концентрата сока из ягод красной смородины 289
7.4.2 Разработка рецептуры и технологических решений для получения газированных безалкогольных напитков с использованием концентрата сока из ягод брусники 292
7.5 Применение вторичного продукта переработки ягодного сырья - ягодного жома 295
7.5.1 Разработка практических рекомендаций по применению жома ягод облепихи в составе жировой начинки для вафель 295
7.5.2 Разработка практических рекомендаций по применению жома ягод красной смородины при получении заварных пряников 303
7.5.3 Применение жома ягод облепихи в рецептуре хлебобулочных изделий 306
7.6 Заключение 315
Заключение 318
Список сокращений 323
Список литературы
- Садовые и лесные ягоды - природный источник функциональных пищевых ингредиентов для создания продуктов питания повышенной пищевой ценности
- Методы определения полифенольных соединений
- Исследование химического состава ягод красной смородины
- Применение ферментных препаратов Фруктоцим Колор, Ксибитен-Цел, Laminex BG Glucanase Complex и мультэнзимных композиций на их основе
Введение к работе
Актуальность темы. Современные тенденции и приоритеты в развитии сферы производства продуктов питания ориентированы на постулаты современной нутрипиологии, в частности, на создание принципиально новых пищевых технологий, позволяющих получать на основе рационального использования природных сырьевых ресурсов инновационные продукты питания, призванные коренным образом улучшить структуру питания, способствующую сохранению здоровья и профилактике распространенных заболеваний современности, таких как атеросклероз, остеопороз, онкологические заболевания, сахарный диабет и т.д., что отвечает основам государственной политики в области здорового питания.
Важная роль в создании продуктов питания нового поколения принадлежит растительному сырью, в том числе плодам и ягодам, которые, благодаря многообразию входящих в их состав микронутриентов и функциональных пищевых ингредиентов (ФПИ) (пищевые волокна, каротиноиды, витамины, полиненасыщенные жирные кислоты, фосфолипиды, флавоноиды, органические кислоты, минеральные вещества), способных регулировать важнейшие физиологические реакции организма, представляют исключительный интерес для индустрии здорового питания и являются ценной сырьевой базой для получения натуральных и высококачественных пищевых продуктов.
Большой вклад в развитие теоретических и практических аспектов разработки и совершенствования отечественных технологий переработки растительного, в т.ч. плодово-ягодного сырья, и его применению в пищевых продуктах внесли работы российских ученых С.Н. Бутовой, М.В. Гернет, А.С. Джабоевой, Г.Н.Дубцовой, Л.А. Ивановой, О.В. Кислухиной, В.В. Колпаковой, С.Я. Корячкиной, А.А. Кочетковой, А.П. Нечаева, Г.Н. Румянцевой, СЕ. Траубенберг, Г.Ц. Цыбиковой, Т.Б. Цыгановой и др.
Наша страна располагает значительным потенциалом ежегодно возобновляемых сырьевых биоресурсов. На территории Российской Федерации широко распространены садовые ягодные культуры красной смородины и облепихи: занимаемые площади в среднем оцениваются 440 тыс. га и 5500 га. Среди дикоросов лидирующие позиции (по природным запасам) принадлежат бруснике. По самым приблизительным подсчетам средняя урожайность ягод брусники в лесах европейской части России составляет свыше 200 тыс. тонн, а возможные промысловые сборы оцениваются в 63 тыс. тонн. Достаточно неприхотливые, морозоустойчивые, дающие ежегодно стабильно высокие урожаи, эти ягодные культуры обладают исключительными пищевыми качествами и антиоксидантными свойствами, являются ценным поливитаминным и лекарственным сырьем. А если учесть, что дикорастущие виды не требуют затрат человеческого труда и являются экологически чистыми, то перспективы их использования в пищевых технологиях очевидны. Однако, несмотря на доступность, распространенность,
возможность больших объемов промышленных заготовок и высокую пищевую ценность область их практического применения достаточна ограничена. В основном, это -производство консервированной и молочно-кислой продукции с использованием цельных ягод (джемы, протертые массы, варенье, конфитюры, йогурты, творожные массы и др.), а для облепихи - (до 95% собранного урожая) получение облепихового масла. Для расширения области использования уникального природного потенциала ягодного сырья в других отраслях (кондитерской, пищеконцентратной, безалкогольной) необходимо получение полуфабрикатов на основе сока в форме, приемлемой для включения в рецептуру продуктов питания для их обогащения ценными физиологически активными ингредиентами. Однако при переработке лишь часть ценных компонентов ягод переходит в соковую фракцию, тогда как значительные количества, находясь в ассоциативной связи со структурными образованиями клеточных стенок, основу которых составляют некрахмальные полисахариды, после отделения сока остаются в отходах. К настоящему времени в литературе встречаются лишь немногочисленные научные разработки по данным ягодным культурам, открывающие перспективы их масштабного разнопланового промышленного освоения.
В свете этого, актуальной проблемой является разработка и внедрение новых инновационных технологий переработки ягодного сырья, обеспечивающих наиболее полное извлечение в соковую фракцию входящих в состав ягод природных компонентов и ФПИ и создание конкурентоспособных высококачественных пищевых продуктов, удовлетворяющих требованиям науки о здоровом питании. Решение этой проблемы может быть достигнуто за счет проведения ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов, способствующего деструкции клеточных стенок и повышению вследствие этого эффективности переработки сырья при получении сока.
Анализ научно-технической литературы и патентных источников позволил оценить достоинства применения ферментов в переработке растительного сырья для интенсификации технологического процесса, увеличения выхода готового продукта, повышения его качества. Однако разнообразие плодово-ягодного сырья, отличающегося составом и сортовыми особенностями, требует системного, научно-обоснованного подхода к разработке и применению биокаталитических способов обработки ягод для реализации их природного потенциала при получении пищевых продуктов, который может быть выработан на основе всестороннего изучения химического состава, антиоксидантных свойств, биохимических превращений компонентов ягодного сырья на всех этапах технологического процесса его переработки, а также пищевых изделий, полученных с его применением.
Решению этих вопросов и посвящена настоящая работа.
Работа проводилась в рамках государственного задания Минобрнауки России на
выполнение НИР "Конструирование продуктов функционального и
специализированного назначения. Роль взаимодействия макро- и
микронутриентов" (2012-2013гг.) и следующих программ: инновационной научно-технической программы Министерства общего и профессионального образования РФ «Создание технологических систем для производства пищевых и кормовых продуктов» (1997-1999 гг.); «Научные исследования высшей школы по технологии живых систем» (2000-2002 гг.); аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2010 гг.) Рособразования РФ.
Целью настоящей работы явилось решение комплекса научно-практических задач, направленных на разработку инновационного подхода к технологии переработки ягодного сырья, обеспечивающего наиболее полное извлечение ценных компонентов ягод при получении ягодных полуфабрикатов, и технологических решений по их применению в пищевых продуктах.
Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:
дать характеристику химического состава садовых и лесных ягод (облепихи, красной смородины и брусники) с позиций пищевой ценности и обосновать условия применения при переработке ягодного сырья направленного биокатализа с использованием ферментных препаратов (ФП), гидролизующих некрахмальные полисахариды, для интенсификации процесса получения ягодных соков;
исследовать влияние биокаталитического способа предобработки ягодного сырья при получении соков на их биохимическую характеристику и антиоксидантную активность в сравнении с соком, полученным без применения ФП;
провести исследования, направленные на получение соковых концентратов и характеристику их химического состава;
исследовать органолептические, физико-химические, биохимические и микробиологические показатели качества концентратов и обосновать сроки и условия их хранения;
разработать технологические рекомендации и принципиальную технологическую схему переработки ягодного сырья и получения соковых ягодных концентратов повышенной пищевой ценности в ориентации на применение в конкретных отраслях пищевой промышленности;
разработать технологические решения для применения соковых ягодных концентратов и вторичного продукта переработки ягодного сырья - жома для создания нового ассортимента пищевых продуктов (кондитерских и хлебобулочных изделий, сухих готовых завтраков, хлебцев хрустящих, безалкогольных напитков) на основе модификации традиционных рецептур, исследования показателей качества и пищевой ценности готовой продукции;
провести опытно-промышленную апробацию разработанных технологических решений, разработать техническую документацию (ТУ, ТИ) на концентраты ягодных соков, разработать технологические рекомендации и техническую документацию (ТУ,
ТИ) по применению соковых ягодных концентратов для создания нового ассортимента продуктов питания повышенной пищевой ценности.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально продемонстрирована роль ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов ягодного сырья как фактора, способствующего глубокой деструкции клеточных структур и компонентов клеточных стенок ягод и более полному, вследствие этого, извлечению в соковую фракцию биологически активных соединений ягод, а также природных красителей и консервантов.
Доказано, что в ягодных соках, полученных с использованием мультэнзимной композиции (МЭК) на основе ФП пектолитического и глюканазного действия, существенно выше, по сравнению с соком, полученным в тех же условиях, но без ферментативной обработки, содержание таких физиологически активных ингредиентов, как витамин С, токоферолы, каротиноиды, полифенольные соединения - катехины, флавоны, флавонолы и флаванонолы, антопианы, проантоцианидины. Дана характеристика качественного и количественного состава содержащихся в соке антоцианов, каротиноидов, катехинов, органических кислот с позиций их роли, как компонента питания, в физиологических функциях и обменных процессах в организме человека.
Показано, что применение МЭК на основе ФП глюканазного и пектолитического действия при переработке ягод существенно увеличивает выход в соковую фракцию органических кислот (лимонной, L-яблочной, бензойной, хлорогеновой, салициловой, кофейной, галловой).
Установлено, что применение биокаталитического способа обработки ягодного сырья приводит и к определенным качественным преобразованиям сока по сравнению с соком контрольного варианта (без ФП): в соке смородины дополнительно выявлен цианидин-3-софорозид, в соке облепихи - в составе каротиноидов идентифицированы лютеин и криптоксантин, а среди катехинов - эпикатехин галлат. Это может служить косвенным подтверждением того, что ферментативный гидролиз некрахмальных полисахаридов приводит к разрушению ассоциативных связей биологически активных компонентов ягод с компонентами клеточных стенок.
Показано, что применение биокаталитического способа обработки ягод при получении сока усиливает проявление им антиоксидантных свойств. Выявлено существенное увеличение антиоксидантной активности сока из ягод брусники и красной смородины (по отношению к DPPH-радикалу) и липофильной и гидрофильной фракций облепихового сока ( по отношению к ABTS-радикалу).
На примере связывания свинца в опытах in vitro выявлена высокая детоксицирующая способность сока из красной смородины по отношению к «тяжелым» металлам.
Установлено, что концентрирование соков под вакуумом при температуре 50-55С не приводит к существенным потерям физиологически активных и других ценных (природных красителей и консервантов) ингредиентов. Дана биохимическая характеристика концентратов соков облепихи, красной смородины и брусники, в т.ч. качественного и количественного состава полифенольных соединений- катехинов, антоцианов, флавонов, флавонолов и флаванонолов, проантоцианидинов, а также фенолокислот, витамина С, токоферолов, каротиноидов, группового и жирнокислотного состава липидов, установлена высокая антиоксидантная активность ягодных концентратов.
Показано, что концентрат отвечает требованиям микробиологической
безопасности в течение шести месяцев хранения: отсутствуют бактерии группы кишечной палочки (БГКП), патогенные микроорганизмы, в т.ч. сальмонеллы, а также дрожжи, плесени и молочнокислые микроорганизмы, которые вызывают процессы порчи.
Полученные результаты существенно расширяют современные знания о химическом составе лесных и садовых ягод (облепиха, красная смородина, брусника), особенно по содержанию ФПИ (полифенольных соединений, органических кислот, витаминов, каротиноидов и минеральных веществ), и возможностях их использования для обогащения пищевых продуктов.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Результаты исследований, демонстрирующих наличие широкого многообразия физиологически активных ингредиентов в концентратах соков и их высокие антиоксидантные свойства дают основание оценивать концентраты этих ягодных соков как перспективный компонент рецептуры пищевых продуктов.
Определены и научно обоснованы пути создания интенсивной технологии переработки ягодного сырья (садовых и лесных ягод), основанной на применении ФП, гидролизующих некрахмальные полисахариды, на стадии получения сока и обеспечивающей увеличение его выхода и наиболее полное извлечение в соковую фракцию ценных компонентов ягод (в т.ч. ФПИ, природных антиоксидантов, красителей и консервантов) и получение соковых концентратов, отличающихся повышенной пищевой ценностью, для использования в качестве рецептурного компонента традиционных продуктов питания.
Разработан биокаталитический способ обработки ягодного сырья (красной смородины, облепихи, брусники) при получении ягодного сока для увеличения его выхода на 25-40% и ценных компонентов ягод в сок - в 1,4-2,9 раза, антиоксидантной активности ягодных соков - в 1,3-4,3 раза по сравнению с соком, полученным без предварительной ферментативной обработки;
Разработаны технологические решения по получению концентратов ягодных соков как полуфабриката для применения в составе рецептур пищевых продуктов в
качестве источника биологически активных и других ценных и полезных для состояния здоровья человека веществ, природных антиоксидантов, натуральных красителей и консервантов.
Установлены и обоснованы сроки и условия хранения соковых ягодных концентратов, обеспечивающие микробиологическую безопасность, сохранение биологически активных веществ и потребительских характеристик.
Разработаны технологические рекомендации и принципиальная технологическая схема переработки ягодного сырья и получения концентратов ягодных соков (смородинового, облепихового, брусничного) повышенной пищевой ценности в 2-х модификациях (натурального и с добавлением сахара) в ориентации на применение в качестве рецептурного компонента пищевых продуктов.
Разработан комплект технической документации (ТУ и ТИ) на ягодные концентраты.
Разработаны технологические решения и технологические рекомендации по созданию пищевых продуктов повышенной пищевой ценности на основе включения в рецептуру ягодных концентратов (в технологии кондирования тыквы, желейного формового мармелада, рисового экструдированного продукта, тортов и пирожных, хлебцев хрустящих диетических и безалкогольных напитков) и вторичного продукта переработки ягод -ягодного жома (в технологии заварных пряников, хлебобулочных изделий и в составе жировой начинки для вафель). Разработано 12 вариантов модификации рецептур традиционных кондитерских и хлебобулочных изделий, хлебцев хрустящих диетических, готовых завтраков и безалкогольных напитков на основе применения соковых ягодных концентратов и ягодного жома, исключения из рецептуры синтетических красителей, консервантов, лимонной кислоты и сокращения расхода основного сырья при полном соответствии полученных продуктов требуемым показателям качества и потребительским свойствам.
Разработанные технологические решения прошли промышленную апробацию на предприятиях ОАО «Объединенные кондитеры», г. Москва, ОАО «Хлебпром» ОП г. Ярцево, Смоленская обл., ОАО «Хлебпром» г. Красногорск, Московская обл., БКК «Серебряный бор», г. Москва, ГНУ ВНИИ ПБ и ВП.
Разработана техническая документация (ТУ и ТИ) на 7 видов пищевых продуктов.
В условиях предприятий ОАО «Хлебпром» ОП (г. Ярцево, Смоленская обл. и г. Красногорск, Московская обл.) проведена выработка опытно-промышленной партии хлебцев хрустящих диетических «Злаковый коктейль облепиховый» и «Злаковый коктейль брусничный», торта «Творожник с облепихой» и слоеного пирожного «Берлинское с облепихой». Разработанные технологические рекомендации для производства торта «Творожник с облепихой» и пирожного «Берлинское с облепихой» приняты к внедрению на ОАО «Хлебпром» ОП г. Красногорск.
Новизна разработанных технических решений подтверждена 3 патентами 2 авторскими свидетельствами.
Материалы выполненных исследований используются в учебном процессе МГУПП при реализации профессиональных образовательных программ бакалавриата и магистратуры по направлениям 260100 «Продукты питания из растительного сырья» и 260800 «Технология продукции и организация общественного питания» в курсах «Пищевая химия», «Современные методы анализа сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов», «Научные основы повышения эффективности производства продуктов питания из растительного сырья», при выполнении выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций.
Основные положения, выносимые на защиту:
интенсивная технология переработки ягодного сырья, обеспечивающая
увеличение выхода сока, наиболее полное извлечение в соковую фракцию ценных
компонентов ягод и получение ягодных соковых концентратов повышенной пищевой
ценности;
теоретическое и экспериментальное обоснование биокаталитического способа
обработки лесных и садовых ягод и научно-методологический подход к оценке
эффективности его применения, базирующийся на всестороннем исследовании
химического состава, антиоксидантных свойств сока, качественного и количественного
состава ФПИ и других ценных природных компонентов ягодного сырья в сравнении с
соком, полученным без ФП;
совокупность экспериментальных данных по характеристике химического состава и антиоксидантных свойств концентратов ягодных соков с позиций пищевой ценности, позволяющая оценивать эти концентраты как перспективный компонент рецептуры для создания нового ассортимента продуктов питания;
технологические решения по созданию нового ассортимента продуктов питания повышенной пищевой ценности на основе использования в составе их рецептур концентратов ягодных соков в качестве источника ФПИ, природных антиоксидантов, красителей и консервантов, а также вторичного продукта переработки ягод- ягодного жома.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Достоверность полученных результатов подтверждена применением современных физико-химических методов анализа, математической обработкой результатов экспериментов и промышленной апробацией. Получены протоколы производственной проверки результатов исследований и акты производственных испытаний на 5 предприятиях.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских научно-технических и научно-практических конференциях, выставках, совещаниях, симпозиумах, форумах:
«Реализация научно-технической программы «Витаминизация пищи» (Углич, 1990 г.), «Биотехника и биотехнология» (Тамбов, 1990 г.), Всесоюзной конференции по пищевой химии (Москва, 1991 г.), «Совершенствование технологических процессов производства новых видов пищевых продуктов и добавок, использование вторичного сырья пищевых ресурсов» (Киев, 1991 г.), «Экология человека: проблемы и состояние» (Пятигорск, 1993 г.), «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2005 г.), «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (Москва, 2007, 2008, 2009 г.), «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (Москва, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012 г.), «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (Москва, 2008 г.), «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003, 2008 г.), Всероссийской конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Самара, 2009 г.), Инновационного форума пищевых технологий (Москва, 2010 г.), Юбилейных научных конференциях МГУПП «Научное обеспечение хранения и переработки растительного сырья в пищевой промышленности (Москва, 1991 г.), «Пищевая промышленность России на пороге XXI века. Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей» (Москва, 1996 г.), 5-th International Seabuckthorn Association Conference (Xining, Qinghai, China, 2011).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 46 печатных работ, в том числе, 1 в зарубежном издании, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, и 25 публикаций в материалах конференций, совещаний, форумов, семинаров, научных трудах института; в 5 патентах и авторских свидетельствах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть, выводы, список цитированных источников. Содержание работы изложено на 367 страницах основного текста, содержит 53 рисунка и 111 таблиц, 29 приложений. Список литературы включает 482 источника, в том числе, 211 - зарубежных.
Садовые и лесные ягоды - природный источник функциональных пищевых ингредиентов для создания продуктов питания повышенной пищевой ценности
В плодах и ягодах синтезируются витамины В], Вб, Вг, В12, РР, фолиевая кислота (как правило, в незначительных количествах), существенно содержание витамина С; представителям красно-оранжевого цвета присуще наличие каротиноидов и достоинством витаминных комплексов отдельных плодово-ягодных культур является наличие витаминов Е и К [202].
Аскорбиновая кислота (витамин С). Существует 3 формы витамина С: - L-аскорбиновая кислота, восстановленная форма с максимальной витаминной активностью; - дегидроаскорбиновая кислота, окисленная форма, способная к восстановлению; - аскорбиген, растительная форма, в которой аскорбиновая кислота связана с белками, нуклеиновыми кислотами, биофлавоноидами. Аскорбиген наиболее устойчив к окислению [48].
Аскорбиновая кислота является природным антиоксидантом, так как она содержит лабильные атомы водорода, несущие неспаренные электроны. При соединении с активными формами кислорода и липоперекисями витамин С, как и другие антиоксиданты, нейтрализует их, образуя стабильные несвободнорадикальные соединения [48, 53, 240]. Поэтому не подлежит сомнению, что первичные биохимические функции аскорбиновой кислоты тесно связаны с ее фундаментальными химическими свойствами - способностью к быстрым и обратимым окислительно-восстановительным превращениям [48, 240]. Наряду с другими редокс-витаминами (А, Е, липоевая кислота, вещества с Р-витаминной активностью) витамин С, взаимодействуя с антиоксидантами, вырабатываемыми самим организмом, входит в состав единой антиоксидантной системы клеток [240, 258].
Будучи универсальным антиоксидантом, витамин С способен восстанавливать окисленные формы витаминов Е, А и каротиноидов, оказывать сберегающее влияние на ряд минеральных элементов, способствуя, например, усвоению, кальция и железа [48, 143, 167, 200, 258]. Аскорбиновая кислота обладает антисептическими свойствами, улучшает иммунологический статус организма, повышая сопротивляемость организма к инфекциям, охлаждению, кислородному голоданию [240, 258]. В синергическом сочетании с веществами Р-витаминного действия витамин С придает стенкам кровеносных сосудов эластичность и совместно с филлохиноном предупреждает внутренние и поверхностные кровоизлияния [240, 258]. Отмечен также синергизм действия витамина С и Вь который возможно объясняется сберегающим действием аскорбиновой кислоты на тиамин [240].
Доказанными являются зависимость между содержанием витамина С в плазме крови и сердечно-сосудистыми заболеваниями, способность аскорбиновой кислоты противостоять развитию диабета, рака желудка и кишечника [331, 335], оказывать профилактическое и лечебное действие при болезнях печени, почек, надпочечников и других желез внутренней секреции [53, 146, 200, 258, 457].
В пищевом рационе аскорбиновая кислота должна присутствовать постоянно и рекомендуемая суточная норма потребления витамина С - 90 мг в сутки [154].
Токоферолы (витамин Е). К группе витамина Е относят 4 токоферола и 4 токотриенола. Наибольшей витаминной активностью обладают а- р- у-токоферолы (соотношение их эффективности составляет 100:40:8), а наибольшие антиоксидантные свойства присущи у-токоферолу [48, 240].
Основные функции токоферолов в живом организме связаны с их сильными антиоксидантными свойствами [53, 76, 143, 240, 258, 262, 457]. Эта функция токоферолов имеет большое значение для поддержания структурной целостности и функциональной активности биологических мембран за счет предотвращения перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот, входящих в их состав [48, 240]. Витамин Е восстанавливает витамин А и убихинон (коэнзим Q), участвующий в тканевом дыхании [48, 91, 240]; оказывает антиатерогенное действие, замедляя скорость окисления атерогенных липопротеидов, что препятствует их отложению в сосудистой стенке; снижает адгезивно 27
агрегирующие свойства кровяных пластинок и обладают протромбин-связывающей активностью [182, 240]. Наиболее эффективно антиоксидантные свойства витамина Е проявляются в присутствии других антиоксидантов -витамина С, каротиноидов и биофлавоноидов [152, 474].
Многочисленными клинико-биологическими исследованиями последних лет установлено, что токоферолы являются важнейшим средством профилактики ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда, инсульта, опухолевых новообразований, инсулиннезависимого сахарного диабета [143, 240, 258, 302, 325,457].
Физиологическая потребность в витамине Е для взрослого человека - 15 мг ТЭ/сутки [154].
Каротиноиды - многочисленная группа природных пигментов. В их составе насчитывается более 600 соединений. Каротиноиды делятся на 2 большие группы: каротины (а-; р- ;у-; є- каротин и ликопин) и ксантофиллы-производные каротинов с различными кислородсодержащими функциональными группами [41, 143,146,158,240,258].
Долгое время в исследованиях биологических свойств каротиноидов доминировала провитаминная теория, согласно которой их основная роль в организме человека заключается в биоконверсии витамина А [53, 143, 158, 240]. Р-каротин как провитамин вдвое активнее а-каротина (витаминная активность а-каротина приравнивается к 53 % таковой у Р-изомера [50, 258, 422, 457]. Считается, что из 6 мг Р-каротина образуется 1 мг витамина А [53, 158]. Провитаминную активность имеют у-каротин (27%), криптоксантин (57%), цитроксантин [50, 258, 422, 457]. Кроме того, витамин А способен избыточно накапливаться, а р-каротин легко выводится из организма [48, 53, 143, 146, 306].
В последние годы получены убедительные данные, свидетельствующие о том, что каротиноиды обладают антиканцерогенными, радиопротекторными и иммуномодулирующими свойствами, не связанными с их провитаминной активностью [41, 50, 143, 167, 309, 422]. Значимое свойство каротиноидов -антирадикальная и антиоксидантная активность.
Методы определения полифенольных соединений
Действие эндоглюканаз дополняется присутствием экзогенных ферментов за счет синергизма: активность комплекса эндо- и экзоферментов выше суммы активностей его составляющих [180, 314, 475]. Исследуемые препараты характеризуются наличием в своем составе и активной экзоглюканазы, поэтому в результате применения препаратов можно ожидать выхода глюкозы, как конечного продукта.
Недостаточно высокое содержание компонентов целлюлолитической системы эндо- и экзодействия в препаратах Целловиридин Г20х и Ксилоглюканофоетидин ШОх (по сравнению с Laminex BG Glucanase Complex и Ксибитен-Цел) компенсируется мощным комплексом гемицеллюлаз (ксиланаз) (таблица 10). Присутствие этих ферментов представляет особый интерес в процессе расщепления полисахаридов ягод, так как конверсия целлюлозы в плодово-ягодном сырье сопряжена с деструкцией гемицеллюлозы. Целловиридин Г20х и Ксилоглюканофоетидин ШОх выделяются по содержанию ксиланазы -1900 ед/г и 3000 ед/г (таблица 10).
Ксиланы являются компонентами структуры как вторичной, так и первичной клеточных стенок, и поэтому при частичном их расщеплении увеличивается подвижность целлюлозных микрофибрилл, и они становятся более доступными для действия целлюлаз [83]. В этом проявляется синергизм ксиланаз и целлюлаз, который объясняется последовательностью их действия при гидролизе смешанного субстрата, где целлюлоза экранирована гемицеллюлозой [83].
Важным компонентом гемицеллюлоз являются глюканы, входящие в состав клеточных стенок. Из приведенных в литературе сведений следует, что для гидролиза растительных глюканов используют препараты глюканаз, выделенных из культур бактерий (Вас. subtilis) и микроскопических грибов, в том числе рода Trichoderma, к которым относятся штаммы-продуценты исследуемых ферментных препаратов (Tr. reesei, Tr. longibrachiatum, Tr.viride) [83, 307, 322, 330, 351].
В составе комплекса ферментов Laminex BG Glucanase Complex и Ксибитен-Цел присутствует р-глюканаза (540 ед/мл и 330 ед/г соответственно). Причем, как следует из представленных в таблице 9 данных, активность (3-глюканазы в Laminex BG Glucanase Complex более чем в 1,6 раз превосходит последнюю в препарате Ксибитен-Цел. Известно, что микроскопические грибы могут синтезировать неспецифические эндоглюканазы, которые способны гидролизовать оба типа связи: (3-1,3 и 0-1,4 гликозидные связи, и в комплексе с экзоглюканазами осуществлять гидролиз глюкана [370, 418].
Учитывая, что процесс деградации нейтральных полисахаридов (клетчатки и гемицеллюлозы) сопряжен с расщеплением пектиновых веществ, ценным является наличие пектинрасщепляющих ферментов в полиферментных системах исследуемых препаратов. Активность их невысока по сравнению с пектолитическими препаратами, но, присутствуя в составе комплекса ферментов, они расширяют спектр оказываемого гидролитического действия на полисахариды ягод, тем самым создавая предпосылки для более полной и глубокой трансформации природного сырья.
Laminex BG Glucanase Complex содержит более представительный набор пектолитических ферментов: эндополигалактуроназу (14 ед/мл) и экзополигалактуроназу (86 ед/мл), в Ксибитен-Цел присутствует только полигалактуроназа экзогенного действия (30 ед/г) (таблица 9).
Данные, полученные при определении оптимальных условий действия ФП Laminex BG Glucanase Complex, Ксибитен-Цел, Целловиридин Г20х и Ксилоглюканофоетидин ПЮх (рНоПТ и toirr), показали, что они очень близки и лежат в интервале рН= 4,0- -5,0 и температуры 40-55 С (таблица 9, таблица 10). Об оптимальных условиях действия ферментных препаратов судили по проявлению ими основных ферментативных активностей: эндоглюканазной - для Laminex BG Glucanase Complex, Целловиридин Г20х и ксиланазной - для Ксибитен-Цел, Ксилоглюканофоетидин ПЮх.
Как свидетельствуют литературные данные, максимальная адсорбция ферментов целлюлолитического комплекса происходит при рН = 3,5-5,0 [85, 296, 351, 400]. Как уже отмечалось ранее, эта стадия чрезвычайно важна и предшествует всем последующим стадиям при деградации целлюлозы. Этот интервал рН коррелирует с оптимальным для действия ферментов значением рН и кислотностью мезги ягод (рН 3,2-3,3)- Этот факт является, безусловно, обнадеживающим для успешного применения препаратов для гидролиза полисахаридов ягод красной смородины, облепихи, брусники. Оптимальные условия для действия основных ферментных систем Laminex BG Glucanase Complex, Ксибитен-Цел, Ксилоглюканофоетидин Ш Ох и Целловиридин Г20х согласовываются не только между собой, но и с оптимумом действия ФП Фруктоцим-Колор и Пектофоетидин ПЮх, что дает возможность их совместного применения без каких-либо потерь активностей основных ферментных систем (таблица 7, таблица 8, таблица 9, таблица 10).
Таким образом, пектолитические ФП Фруктоцим-Колор, Пектофоетидин ПЮх и препараты глюканазного действия Laminex BG Glucanase Complex, Ксибитен-Цел, Ксилоглюканофоетидин ПЮх, Целловиридин Г20х являются комплексными и содержат полноценный набор основных ферментных систем, способных гидролизовать пектиновые вещества, нативную, регенерированную целлюлозу и гемицелллюлозу. Полученные данные позволяют сделать благоприятный прогноз на эффективное применение выбранных ФП в условиях реального субстрата для гидролиза полисахаридов ягод красной смородины, облепихи, брусники с целью увеличения выхода и снижения вязкости сока и повышения экстрактивной способности растительной ткани.
Исследование химического состава ягод красной смородины
Полученные результаты экспериментальных исследований и представленные в главах 4, 5, 6 явились научной основой для разработки технологических решений по переработке ягодного сырья и получению концентратов ягодных соков с применением стадии предварительной ферментативной обработки ягод при получении сока, обеспечивающей повышение пищевой ценности сока, его антиоксидантных и детоксицирующих свойств.
Разработана принципиальная технологическая схема переработки ягодного сырья для получения концентратов ягодных соков в 2-х модификациях (натурального и с добавлением сахара) (рисунок 37, рисунок 38), которая достаточно проста и не требует больших капиталовложений и может быть легко реализована в условиях предприятий, специализирующихся на переработке плодово-ягодного сырья.
При разработке технологической схемы переработки ягодного сырья для получения концентратов ягодных соков в качестве основы была принята базовая технология производства одноименных соков. В качестве совершенного элемента технологии предусмотрено проведение предварительной обработки ягод МЭК на основе препаратов пектолитического и глюканазного действия в разработанных условиях при получении сока (глава 4.2.1.2).
Согласно предложенной схеме, в зависимости от вида измельченное ягодное сырье подвергают предварительной ферментативной обработке МЭК в разработанных условиях при получении сока. После проведения стадии гидролиза ферменты инактивируют нагреванием t= 85-90 С в течение 30-60 сек. Для получения концентрата сока применяют концентрирование под вакуумом при температуре 50-55С. Возможно внесение сахара на стадии концентрирования и получение ягодных концентратов с сахаром в ориентации на их применение в конкретных отраслях пищевой промышленности (например, кондитерской, производстве безалкогольных напитков) (рисунок 38). Для получения КСФС сахар вносят в соотношении 1:2, для получения КСФО -1:1. Концентрирование ведут до содержания сухих веществ: КСФС с сахаром - 68-70%, КСФБ - 40-45%, КСФО натуральный - 45-50%, КСФО с сахаром - 70-72%. Готовый продукт упаковывают асептически.
Разработан комплект технической документации (ТУ и ТИ) на ягодные концентраты: смородиновый, брусничный, облепиховый (Приложение 1, Приложение 2, Приложение 3, Приложение 4, Приложение 5). Новизна разработанных технических решений защищена патентами на «Способ получения концентрата брусники» и «Способ получения концентрата облепихи».
В соответствии с разработанной технологической схемой при получении ягодных соков (концентратов) остается значительное количество отходов -ягодных выжимок. Проблема утилизации вторичных продуктов переработки плодово-ягодного сырья сейчас стоит достаточно остро. Накопление такого количества отходов, с одной стороны, неблагоприятно сказывается на экологической обстановке, с другой - в процессе переработки в эти продукты переходит существенное количество компонентов исходного сырья, что позволяет отнести их к дополнительным сырьевым ресурсам при получении пищевых продуктов. В настоящее время накоплен большой научно-практический опыт по применению вторичных продуктов переработки растительного, в том числе, плодово-ягодного сырья в пищевых технологиях, что позволяет получать продукты с пониженной калорийностью, с повышенным содержанием пищевых волокон, макро- и микроэлементов, витаминов, флавоноидов, природных антиоксидантов [129, 136, 153, 177, 190, 236, 237], что несомненно является важным аспектом в решении проблемы здорового питания. Применение вторичных продуктов переработки плодово-ягодного сырья в пищевых технологиях позволяет интенсифицировать технологический процесс, приводит к экономии основного сырья при сохранении гарантированных органолептических и физико-химических показателей качества готовой продукции [42, 177, 190].
Для определения направлений использования ягодного жома проводили исследования его химического состава. В работе использовали жом, полученный после извлечения сока из ягод облепихи (сорт «Отрадная») с применением стадии предварительной обработки МЭК-2 (ЖФО) и жом ягод красной смородины (сорт «Голландская красная»), полученный после извлечения сока с применением предварительной обработки Пектофоетидином ШОх (ЖФС). Несмотря на то, что значительная часть биологически активных веществ ягод в процессе переработки с участием ФП переходит в сок (как было показано в главе 5), в жоме остаются ценные природные компоненты, что позволяет рассматривать его как потенциальный источник пищевых волокон, витаминов, флавоноидов, катехинов, проантоцианидинов, органических кислот, белка, минеральных веществ (таблица 65, таблица 66).
Применение ферментных препаратов Фруктоцим Колор, Ксибитен-Цел, Laminex BG Glucanase Complex и мультэнзимных композиций на их основе
Научно обоснована целесообразность применения соковых ягодных концентратов (смородинового, брусничного, облепихового) в качестве источника природных компонентов и функциональных пищевых ингредиентов, натуральных красителей, ароматизаторов, консервантов и природных антиоксидантов в рецептурах пищевых продуктов и безалкогольных напитков для расширения ассортимента и повышения пищевой ценности готовых изделий.
Разработаны технологические решения по созданию пищевых продуктов повышенной пищевой ценности на основе использования соковых ягодных концентратов в качестве рецептурного компонента в технологии кондирования плодов тыквы, желейного формового мармелада, тортов и пирожных, хлебцев диетических хрустящих, экструдированного рисового продукта, безалкогольных напитков. Разработано 12 вариантов модификации рецептур традиционных кондитерских и хлебобулочных изделий, хлебцев хрустящих диетических, рисового экструдированного продукта и безалкогольных напитков) на основе применения ягодных концентратов и вторичного продукта переработки ягод ягодного жома. Разработанные технологические решения прошли промышленную апробацию на 5 предприятиях.
Установлено, что применение соковых ягодных концентратов при производстве пищевых продуктов и безалкогольных напитков позволяет сократить расход основного сырья (сахара), исключить из рецептуры синтетические красители и ароматизаторы, лимонную и сорбиновую кислоту, при этом получить готовые изделия гарантированного качества по органолептическим и физико-химическим свойствам и повышенной пищевой ценности по содержанию витамина С, катехинов, антоцианов, (3 -каротина, органических кислот.
Разработаны и утверждены рецептура и технологические рекомендации по производству конфет «Суфле с красной смородиной» с применением концентрата сока ягод красной смородины, предусматривающие сокращение на 25% количества вносимого по рецептуре сахара.
Разработаны технологические рекомендации по применению концентрата облепихового сока при производстве кондитерских изделий (в качестве самостоятельного ингредиента и в составе кремового полуфабриката для песочных и слоеных тортов и пирожных). Разработаны техническая документация (ТУ и ТИ) на песочный торт «Творожник с облепихой» и слоеное пирожное «Берлинское с облепихой»; проведена выработка опытной партии этих изделий в условиях ОАО «Хлебпром» ОП г. Красногорск, Московская обл. Разработанные технологические рекомендации принимаются к внедрению на данном предприятии.
Установлено, что употребление 100 г «Песочный с облепихой» покрывает суточную потребность человека в (З-каротине, витамине С и катехинах соответственно на 68, 27 и 18,5%; «Берлинское с облепихой» - в Р-каротине и витамине С - на 26 и 10,4% и «Творожник с облепихой» - в р-каротине на 16%.
Разработана техническая документация (ТУ и ТИ) на хлебцы хрустящие диетические «Злаковый коктейль облепиховый» и «Злаковый коктейль брусничный»; проведена наработка опытной партии этих изделий в условиях ОАО «Хлебпром» ОП г. Ярцево, Смоленская обл. Разработаны и утверждены рецептуры и технологические инструкции на получение безалкогольных напитков: негазированного - «Яблочно-смородиновый» и газированного - « Бруснично-яблочный».
Показано, что употребление 250 мл разработанных напитков «Яблочно-смородиновый» и «Бруснично-яблочный» удовлетворяет суточную потребность в витамине С - на 12,5-13,3%, флавоноидах - на 10,2-18%, катехинах - на 14,8-15,3%.
В условиях БКК «Серебряный бор» проведена опытно-промышленная апробация заварных пряников с использованием жома ягод красной смородины.
Установлено, что заварные пряники, выпеченные по модифицированным рецептурам по органолептическим показателям не уступали базовым образцам и характеризовались повышенным содержанием пищевых волокон. Употребление 100 г разработанных изделий покрывает суточную потребность организма человека в пищевых волокнах на 8,6%.
Даны практические рекомендации по применению жома ягод облепихи в составе жировой начинки для вафель, что обусловливает улучшенные органолептические показатели качества (цвет, аромат и вкус), высокие реологические характеристики начинки, обеспечивающие стабильный процесс формования вафель и повышение пищевой ценности готовых изделий по содержанию витамина С, токоферолов, (3-каротина. Выявлены незначительные потери витамина С и -каротина в течение гарантированного срока хранения (60 суток).
Экспериментально продемонстрировано, что применение облепихового жома совместно с сухим обезжиренным молоком в составе рецептуры хлебобулочных изделий позволяет получить хлебобулочные изделия с высокими структурно-механическими свойствами мякиша, улучшенными органолептическим характеристиками (вкусом, ароматом и цветом корки) и способствует повышению их антиоксидантной активности более чем в 15 раз, а также их пищевой ценности. Потребление 100 г разработанных хлебобулочных изделий с использованием в рецептуре облепихового жома удовлетворяет суточную физиологическую потребность в белке на 6,5-12,7 %, витамине С - на 2,5%, (3-каротине - на 20,8%, пищевых волокнах - на 21 %.
Результаты исследований по применению жома ягод красной смородины и облепихи, остающегося как отход при получении сока, позволяют сделать заключение, что проведение ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов ягодного сырья на стадии его предобработки в технологии ягодных соков способствует повышению эффективности использования ягодного сырья и его ценных компонентов при производстве пищевых продуктов.
