Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния проблемы 19
1.1 Современная проблема создания пищевых продуктов здорового питания 19
1.2 Анализ российского рынка ингредиентов для здорового питания 25
1.3 Оценка потенциала плодоовощного сырья для производства продуктов питания 30
1.4 Применение ягодных, фруктовых и овощных обогатителей в производстве кондитерских и хлебобулочных изделий 39
1.5 Существующие способы и оборудование для концентрирования фруктовых, овощных соков и пюре 50
ГЛАВА 2. Экспериментальные установки, объекты и методы исследования 71
2.1 Организация и схема проведения исследований 71
2.2 Сырье и материалы, применявшиеся при проведении исследований 73
2.3 Методы исследований 73
2.4 Методика получения хлебопекарных полуфабрикатов и изделий... 87
2.5 Экспериментальные установки и методики получения полуфабрикатов из фруктово-овощного сырья 88
2.5.1 Экспериментальная распылительная сушилка и методика получения порошкообразных полуфабрикатов 88
2.5.2 Экспериментальная вакуум – выпарная установка и мето
дика получения концентрированного свекловичного сока 90
2.5.3 Экспериментальная установка и методика изучения
гигроскопических свойств порошков 91
2.5.4 Экспериментальная и опытно-промышленная установки для получения фруктово-овощных паст 93
2.5.5 Методика получения концентрированных паст из фрукто во-овощного сырья 97
2.6 Методика расчета основных показателей пищевой ценности изделий 98
2.7 Математическая обработка экспериментальных данных 99
ГЛАВА 3. Научно–практическое обоснование процесса получения концентрированной пасты из растительного сырья 100
3.1 Анализ химического состава и структуры сахарной свеклы 101
3.2 Изучение процесса тепловой обработки сахарной свеклы и влияния технологических факторов на свойства свекловичного пюре 106
3.3 Влияние технологических факторов на продолжительность тепловой обработки сахарной свеклы 112
3.4 Механизм структурирования свекловичной пасты в процессе концентрирования 116
ГЛАВА 4. Разработка технологии получения полуфабрикатов из фруктово-овощного сырья 126
4.1 Получение концентрированного сока из сахарной свеклы 126
4.2 Получение порошкообразного полуфабриката из сока сахарной свеклы 136
4.3 Разработка технологии получения пюре из сахарной
свеклы 148 4.3.1 Исследование процесса бланширования для подготовки к последующей технологической стадии 148
4.3.2 Исследование процесса измельчения сахарной свеклы при получении пюре 152
4.3.3 Разработка технологической линии получения пюре из сахарной свеклы 155
4.3.4 Исследование органолептических, физико-химических и
реологических свойств пюре из сахарной свеклы 158
4.4 Разработка технологии получения пюре из тыквы 165
4.5 Изучение процесса концентрирования фруктовых и овощных пюре 176
4.5.1 Влияние процесса ферментативной обработки пюре на его реологические свойства 177
4.5.2 Оптимизация режимов ферментативной обработки свекловичного пюре 182
4.5.3 Определение оптимального состава мультэнзимной композиции 188
4.5.4 Исследование влияния крахмальной патоки на реологические свойства овощных и фруктовых пюре 195
4.5.5 Исследование процесса концентрирования фруктово овощного пюре в змеевиковом варочном аппарате 203
4.6 Исследование реологических свойств концентрированных паст 207
4.6.1 Изучение реологических свойств концентрированных паст из сахарной свеклы 207
4.6.2 Получение температурно-скоростной зависимости вязкости для паст из фруктово-овощного сырья 214
4.7 Математическое моделирование процесса концентрирования пасты из сахарной свеклы 225
4.7.1 Составление математической модели статики процесса концентрирования пюре на основе балансовых соотношений 225
4.7.2. Параметрическая идентификация математической модели статики процесса концентрирования пюре 230
4.8 Качественные показатели концентрированных паст 233
4.9 Технологические линии производства концентрированных паст 237
4.9.1 Разработка технологической линии производства концентрированной пасты из тыквы 237
4.9.2 Разработка технологической линии производства концентрированной пасты из сахарной свеклы 240
ГЛАВА 5. Разработка технологии кондитерских изделий с использованием полуфабрикатов из фруктово-овощного сырья
5.1 Разработка технологии желейного мармелада на основе концентрированной пасты из тыквы
5.1.1 Выбор технологических режимов для приготовления желейного мармелада с концентрированной тыквенной пастой
5.1.2 Анализ процесса структурообразования желейной марме ладной массы на основе концентрированной пасты из тыквы
5.1.3 Оптимизация процесса приготовления желейного мармела да на основе концентрированной пасты из тыквы
5.1.4 Исследование органолептических и физико-химических свойств желейного мармелада на основе концентрированной пасты из тыквы
5.1.5 Показатели пищевой и энергетической ценности желейного
мармелада на основе концентрированной тыквенной пасты.
5.1.6 Изучение характеристик желейного мармелада на основе концентрированной тыквенной пасты в процессе хранения 257
5.2 Разработка технологии зефира с применением концентрированных паст из сахарной и столовой свеклы 261
5.2.1 Получение зефира с использованием пасты из сахарной свеклы 263
5.2.2 Получение зефира с применением пасты из столовой свеклы 266
5.2.3 Оптимизация рецептурного состава зефира с концентрированной пастой 270
5.2.4 Исследование органолептических и физико-химических свойств зефира в процессе хранения 273
5.2.5 Пищевая, энергетическая ценность зефира с использованием концентрированных паст из сахарной и столовой свеклы 274
5.2.6 Предлагаемая машинно-аппаратурная схема производства зефира с использованием концентрированной пасты 276
5.3 Разработка способа получения желейного мармелада на основе концентрированного сока из сахарной свеклы 278
5.3.1 Исследование процесса студнеобразования желейного мармелада 279
5.3.2 Оптимизация процесса приготовления желейного мармелада на основе концентрированного свекловичного сока 281
5.3.3 Исследование влияния концентрированного свекловичного сока на показатели качества желейного мармелада 286
5.4 Разработка способа получения пралиновых масс на основе ПСвП.. 288
ГЛАВА 6. Разработка способа получения творожной массы с применением концентрированных паст 294
6.1 Получение творожной массы, обогащенной пастой из столовой свеклы 294
6.1.1 Влияние концентрированной пасты из столовой свеклы на структурно-механические свойства творожной массы 296
6.1.2 Обоснование выбора способа формования творожных масс. 300
6.1.3 Математическое описание влияния рецептурных компонентов на формоудерживающую способность творожных масс 304
6.1.4 Термостабильные свойства творожных масс 306
6.1.5 Исследование антиоксидантной активности творожной массы, обогащенной овощными пастами 310
6.2. Получение желейного изделия на основе творожной массы, обогащенного пастой из столовой свеклы 314
6.2.1 Процесс студнеобразования желейного изделия 315
6.2.2 Оптимизация процесса приготовления желейного изделия на основе творожной массы 317
6.2.3 Исследование органолептических и физико-химических свойств желейного изделия 320
6.2.4 Исследование свойств желейного изделия при хранении 322
6.2.5 Расчет пищевой, биологической и энергетической ценности творожной массы и желейного изделия 324
ГЛАВА 7. Разработка ассортимента и технологии хлебобулочных изделий улучшенной пищевой ценности и исследование их показателей качества 328
7.1 Исследование влияния овощных паст на показатели качества теста и хлеба 328
7.1.1 Влияние дозировки морковной пасты на реологические и физико-химические свойства хлебопекарных полуфабрикатов 329
7.1.2 Оценка качества готовых изделий с использованием мор ковной пасты 332
7.1.3. Оптимизация рецептуры хлеба 334
7.2. Исследование влияния пасты из столовой свеклы на показатели качества теста и хлеба 342
7.2.1 Влияние дозировки пасты из столовой свеклы на реологические и физико-химические свойства хлебопекарных полуфабрикатов 342
7.2.2 Оценка качества готовых изделий с использованием пасты из столовой свеклы 345
7.2.3 Оптимизация рецептуры хлеба 347
7.3 Исследование влияния тыквенной пасты на показатели качества теста и хлеба 351
7.3.1. Влияние дозировки тыквенной пасты на реологические и физико-химические свойства хлебопекарных полуфабрикатов 352
7.3.2. Оценка качества готовых изделий с использованием тыквенной пасты 354
7.3.3. Влияние дозировки крахмальной патоки на свойства теста и качество изделий 356
7.3.4. Разработка оптимального рецептурного состава хлеба 359
7.3.5 Определение содержания ароматобразующих веществ в изделиях 363
7.4 Характеристика разработанных изделий по показателям качества и пищевой ценности 366
7.5 Определение антиоксидантной активности хлебобулочных изделий 370
7.6 Изменение показателей качества хлебобулочных изделий при хранении 372
Заключение 376
Список литературы
- Применение ягодных, фруктовых и овощных обогатителей в производстве кондитерских и хлебобулочных изделий
- Экспериментальные установки и методики получения полуфабрикатов из фруктово-овощного сырья
- Влияние технологических факторов на продолжительность тепловой обработки сахарной свеклы
- Исследование процесса студнеобразования желейного мармелада
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящий момент острой проблемой является дефицит в питании населения РФ пищевых нут-риентов: витаминов (группы В до 20-30 %, витамин А – до 30 %, витамин С – до 50 %), пищевых волокон (до 40 %), полноценных белков (до 25 %) и других, что снижает функциональную активность иммунной системы и формирует факторы риска большого числа распространенных хронических заболеваний.
Одной из основных задач государственной политики РФ в области здорового питания населения на период до 2020 г. является увеличение доли производимых функциональных продуктов питания, способствующих эффективному обеспечению организма человека требуемым количеством микро и макронутриентов.
Поэтому в данной ситуации актуально и целесообразно создание и внедрение новых технологий и ассортимента продуктов массового потребления – хлебобулочных, кондитерских, молочных изделий, обогащенных эссенциальными нутриентами, восполняющими дефицит незаменимых компонентов в пищевом рационе, обеспечивающими повышение иммунологической резистентности организма.
Биохимический потенциал плодов, фруктов, овощей и корнеплодов, особенно их концентратов, обусловливает широкую возможность их применения в пищевой промышленности с целью повышения пищевой и биологической ценности продуктов питания. Поэтому отечественное растительное сырье: фрукты, ягоды, овощи, корнеплоды и другие, благодаря низкой себестоимости, высокой пищевой и биологической ценности (содержание функциональных ингредиентов более 20 %) может являться стратегическим сельскохозяйственным ресурсом для создания кондитерских изделий и других пищевых продуктов функционального назначения.
Большой вклад в развитие теоретических и практических основ разработки технологий переработки растительного сырья в полуфабрикаты и функциональных пищевых продуктов на их основе внесли российские ученые Л. М. Аксенова, Л. В. Антипо-ва, Ф. Н. Вертяков, Н. М. Дерканосова, А. И. Зубченко, С. Я. Ко-рячкина, Г. О. Магомедов, В. В. Мартиросян, А. Н. Остриков, Л.П. Пащенко, Е. И. Пономарева, К. К. Полянский, Ю. Ф. Росляков, Т. В. Савенкова, З. Г. Скобельская, В. А. Тутельян,
А. М. Уголев, Т. Б. Цыганова, З. Н. Хатко, Л. Н. Шатнюк и другие.
В связи с этим актуальной задачей для пищевой и перерабатывающей промышленности России является разработка способов получения полуфабрикатов (пюре, паст, порошков, соков) из плодов, фруктов, овощей, корнеплодов с максимальным сохранением их исходной пищевой ценности и создание на их основе в промышленных масштабах функциональных пищевых продуктов пониженной сахароемкости, в низком ценовом сегменте, которые будут конкурентоспособны на рынке.
Научная работа проводилась в рамках: гос. контракта № 208-19 «Инновационные технологии комплексной переработки сахарной свеклы в пищевые полуфабрикаты и готовые изделия функционального назначения» на 2007 г.; гос. контракта № 454-06 «Инновационные технологии комплексной переработки сахарной свеклы в пищевые полуфабрикаты и готовые изделия функционального назначения» на 2008 г.; гос. контракта № 15019.3661040897.10.1.001.9 «Технология переработки плодово-овощных культур посредством комбинированного воздействия перегретого пара высокого давления, ультра- и гиперзвука и СВЧ, позволяющая увеличить содержание сухих веществ в переработанном сырье» на тему «Исследования и разработка технологии и оборудования эффективной переработки плодово-овощных культур (в т.ч. корнеплоды сахарной свеклы) посредством комбинированного воздействия перегретого пара высокого давления, ультра- и гиперзвука и СВЧ» 2010 г.; в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры «Технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабатывающего производств» Воронежского государственного университета инженерных технологий «Разработка энерго - и ресурсосберегающих чистых технологий переработки сельхозсырья в конкурентоспособные хлебобулочные, кондитерские и макаронные функциональные продукты на основе медико-биологических воззрений» (№ г. р. 01970008815 на 2011-2015 гг.).
Цель работы. Конструирование сбалансированных продуктов питания функционального назначения пониженной саха-роемкости в низком ценовом сегменте путем применения новых технических и технологических приемов на основе фруктово-
овощных пищеконцентратов, полученных при комплексной переработке фруктово-овощного сырья, с максимальным сохранением их исходной пищевой и биологической ценности.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- изучить механизм физико-химических и механических
процессов, происходящих в растительной ткани при тепловой
обработке сахарной свеклы для получения полуфабрикатов;
- исследовать влияние тепловой обработки сахарной свеклы
на степень очистки от кожицы и определить ее рациональные ре
жимы. Обосновать выбор паротермической очистки сахарной
свеклы от кожицы при подготовке ее к последующей технологи
ческой стадии;
разработать технологию получения концентрированного сока, порошкообразного полуфабриката и пюре из сахарной свеклы, исследовать их качественные показатели;
обосновать выбор, определить условия и создать оптимальную мультэнзимную композицию ферментных препаратов с использованием методов математического планирования для регулирования вязкости пюре из сахарной свеклы;
исследовать механизм влияния крахмальной патоки на реологические характеристики фруктовых и овощных пюре перед концентрированием;
- разработать и сконструировать экспериментальную и
опытно-промышленную выпарные установки непрерывного дей
ствия для получения концентрированных паст из фруктово-
овощного сырья с массовой долей сухих веществ 40-60 %; соста
вить математическую модель концентрирования пюре на основе
балансовых соотношений;
разработать технологию производства концентрированных паст из фруктово-овощного сырья, исследовать их физико-химические, реологические свойства, рассчитать пищевую и энергетическую ценность;
разработать технологию кондитерских и хлебобулочных изделий с применением полученных паст. Исследовать влияние рецептурных компонентов, способа формования (для пастило-мармеладных изделий) на показатели качества готовой продукции;
- разработать технологию пастило-мармеладных изделий,
формуемых методом «шприцевания»;
- провести опытно-промышленные апробации, разработать
техническую документацию на концентрированные пасты и из
делия на их основе, внедрить в производство. Рассчитать эконо
мический эффект от внедрения предлагаемых технологий.
Научная концепция работы. В основу научного решения проблемы положен принцип комплексной переработки фруктово-овощного сырья в пюре, пасты, порошки, соки с максимальным сохранением исходной пищевой ценности и создание на их основе продуктов здорового питания с применением новых технических и технологических приемов.
Научные положения, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование механизма физико-
химических и механических процессов, происходящих в расти
тельной ткани при тепловой обработке сахарной свеклы;
научно обоснованная технология переработки фруктово-овощного сырья, обеспечивающая получение концентрированных паст высокой пищевой ценности;
теоретическое и экспериментальное обоснование влияния рецептурных компонентов и технологических параметров на процесс концентрирования пюре и свойства концентрированной пасты;
научное обеспечение механизма снижения вязкости пюре из фруктово-овощного сырья различными способами с целью максимального концентрирования пасты с сохранением ее качества;
совокупность экспериментальных данных по характеристике химического состава и антиоксидантных свойств концентрированных паст с позиций пищевой ценности;
технологические и технические решения по созданию нового ассортимента продуктов питания повышенной пищевой ценности на основе использования в составе их рецептур концентрированных паст из фруктово-овощного сырья.
Научная новизна. Впервые исследованы и научно обоснованы технологические процессы комплексной переработки сахарной свеклы в полуфабрикаты.
Установлен механизм физико-химических и механических
процессов, происходящих в растительной ткани при тепловой обработке сахарной свеклы, что позволило научно обосновать возможность получения пюре, сока, паст и порошка из фруктово-овощного сырья с максимальным сохранением исходной пищевой ценности для создания на их основе пищевых продуктов здорового питания пониженной сахароемкости в низком ценовом сегменте.
Получены закономерности влияния ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов пюре сахарной свеклы на его эффективную вязкость. Установлено снижение вязкости пюре при его обработке ферментными препаратами Rohapect DA6L, Brewzyme BGX. Наименьшее значение вязкости достигается у свекловичного пюре, обработанного ферментным препаратом Rohapect DA6L, для которого определены оптимальные режимы ферментативной обработки свекловичного пюре перед концентрированием. Методом математического планирования определен оптимальный состав мультэнзимной композиции: Rohapect DA6L 7,9 ед.ПгА/1 г пектина, BrewZyme BGX 6,3 ед.ГцА/1 г ге-мицеллюлозы, при котором вязкость пюре минимальна.
Изучено влияние дозировки крахмальной патоки и температуры на реологические свойства овощного и фруктового пюре, способствующее снижению его вязкости. Методом множественного регрессионного анализа получены уравнения, адекватно описывающие зависимость эффективной вязкости пюре от дозировки патоки и температуры.
Раскрыт механизм влияния последовательности процессов тепловой обработки, измельчения и различных технологических факторов на процесс концентрирования пюре из фруктово-овощного сырья с целью достижения максимального концентрирования при сохранении текучести и качества пасты.
Получена температурно-скоростная зависимость вязкости для концентрированных паст из сахарной свеклы, столовой свеклы, тыквы, топинамбура, яблок, позволяющая прогнозировать значения эффективной вязкости при интересующих значениях температуры и скорости сдвига.
Получена математическая модель, позволяющая прогнозировать значения концентрации массовой доли сухих веществ в уваренном продукте при заданных параметрах концентрирования
и рассчитывать корректирующие значения параметров концентрирования (температура и давление греющего пара), обеспечивающих получение конечного продукта (пасты) с заданным значением массовой доли сухих веществ.
Установлены показатели функциональных свойств и химический состав разработанных полуфабрикатов из фруктово-овощного сырья и пищевых изделий на их основе.
Разработан и научно обоснован новый способ формования методом «шприцевания» кондитерских масс с целью сокращения технологического процесса, увеличения срока годности и снижения себестоимости готовых кондитерских изделий функционального назначения.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 17 патентами РФ.
Практическая значимость работы. Разработана технология комплексной переработки фруктово-овощного сырья в пюре, соки, пасты и порошки.
Разработана технология и предложена опытно-
промышленная установка для получения концентрированных паст из фруктово-овощного пюре с максимальным сохранением исходных свойств.
Предложена технология производств кондитерских изделий (пастило-мармеладных), формуемых методом «шприцевания» в металлизированную оболочку, которая позволяет сократить технологический процесс и увеличить сроки хранения изделий.
Проведена промышленная апробация предлагаемых технологий в условиях ОАО ГУП ВО «Садовое» (Воронежская область, Лискинский р-он, с. Сторожевое), ООО «ПК МИВОК» (г. Воронеж), ОАО «Сагуновский мясокомбинат» (Воронежская область, п. Красный Восход), ОАО «Воронежская кондитерская фабрика» (г. Воронеж), ОАО «Хлебозавод № 7» (г. Воронеж), подтвердившая положительные результаты исследований.
Разработана и утверждена техническая документация: ТУ 9213-023-00420662-04 «Свекловичные полуфабрикаты», ТУ 9163-085-02068108-2010 «Паста свекловичная», ТУ 9126-291-02068108-2014 «Концентрированная паста из столовой свеклы», ТУ 9162-312-02068108-2015 «Концентрированная паста из тыквы», ТУ 9128-311-02068108-2015 «Желейный мармелад на
основе концентрированной пасты из тыквы», ТУ 9130-230-02068108-2014 «Зефир «Марьяна», ТУ 9130-230-02068108-2014 «Зефир «Магия», ТУ 9220-307-02068108-2015 «Творожная масса с добавлением концентрированной пасты из столовой свеклы и пасты из топинамбура», ТУ 9128-308-02068108-2015 «Желейный мармелад на основе творожной массы, обогащенной овощными пастами», ТУ 9128-284-02068108-2014 «Желейный мармелад на основе концентрированной пасты из столовой свеклы», ТУ 9110-322-02068108-2015 «Хлебобулочное изделие «Олимпиец», ТУ 9110-321-02068108-2015 «Хлебобулочное изделие «Маршал», ТУ 9110-320-02068108-2015 «Хлебобулочное изделие «Патриот».
Продана лицензия (договор № РД 0076103 от 04.02.2011) на право использования интеллектуальной собственности предприятием ООО «СВ-Луч» по патенту РФ на изобретение № 2224582.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе, включены в лекционные курсы и практику научных исследований при реализации дисциплин «Инновации в сфере технологий продуктов питания из растительного сырья», «Технология получения продуктов питания с различными сроками хранения» для подготовки магистров по направлению подготовки 19.04.02 – «Продукты питания из растительного сырья».
Соответствие темы диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует п. 2, 3, 4 и 6, 7 паспорта специальности 05.18.01 – «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства».
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Екатеринбург, 2004, 2008), (Казань, 2006, 2007, 2009, 2014); (Самара, 2007); (Москва, 2005, 2011, 2013, 2015); (Могилев, 2007, 2009, 2013); (Одесса, 2007); (Чебоксары, 2012); (Махачкала, 2014); (Воронеж, 2012); (Набережные Челны, 2014); (Бийск, 2011); (Владивосток, 2011); (USA, 2012); (Барнаул, 2014); (Australia, 2014); (Italy, 2014); (Польша, 2014); (Курск, 2014); (Кемерово, 2014) и на
отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2004, 2005, 2007 - 2015).
Результаты работы демонстрировались на межрегиональных выставках, форумах и конкурсах: «Продторг» (Воронеж, 2007-2008); «Усадьба» (Воронеж, 2007); «Воронежская промышленная выставка» (Воронеж, 2007); «Натуральные продукты питания»; «Воронежский агропромышленный форум» (Воронеж, 2009); «Воронежский агропром - 2010» (Воронеж, 2010); «Международная специализированная выставка» (Москва, 2015); «Традиции и инновации в хлебопекарном и кондитерском производстве» (Москва, 2015); международный конкурс «New Wave» (Казань, 2014); конкурс «Лучшая разработка 2015» (Москва, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 научных работ, в т. ч. 29 статей в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 37 статей по материалам докладов на всероссийских и международных конференциях, 4 монографии, 17 патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 411 страницах машинописного текста и содержит 162 рисунка и 115 таблицы. Список литературы включает 293 наименование, в том числе 38 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 135 страницах.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в выборе направления исследований, проведении анализа литературных и патентных источников по проблеме диссертационного исследования, в постановке и выполнении основной части теоретических и экспериментальных исследований по разработке рациональных и оптимальных режимов производства полуфабрикатов и пищевых продуктов на их основе.
Автором разработан и утвержден пакет технических документов на новые виды полуфабрикатов и изделий из фруктово-овощного сырья, проведено патентование разработок, апробация разработанных технологий в опытно-производственных условиях и их внедрение.
Применение ягодных, фруктовых и овощных обогатителей в производстве кондитерских и хлебобулочных изделий
Питание – один из наиболее важных факторов, определяющих здоровье человека. Сохранить и укрепить здоровье нации – важнейшее задача каждого государства. На сегодняшний день, к сожалению, мы можем увидеть на рынке продовольствия негативную тенденцию, связанную с заменой натуральных компонентов пищевыми химическими добавками для понижения себестоимости продукции [3].
В нашей стране на данный момент сложились такие социально-экономические условия, при которых лишь небольшая часть населения может питаться сбалансированно. Институт питания РАМН провел исследования, которые говорят об очень малом потреблении и возрастающем дефиците витаминов (А, группы В, Е, С) и микроэлементов (Fe, J) у большей части жителей России. Их ежедневный рацион – это «пища бедняков»: недостаток животного белка, дефицит микроэлементов и витаминов, много углеводов и жиров [210].
Важные для организма человека витамины не всегда содержатся в продуктах ежедневного употребления (мясо, молоко, крупы). При постоянном потреблении фруктов и овощей нет гарантий решения проблемы дефицита витаминов, потому что каждодневные продукты питания не могут дать нужную норму витаминов для баланса организма. Популярные сегодня витаминные добавки состоят из искусственных ингредиентов, не всегда хорошо влияющих на иммунный статус. В связи с этим специалисты в области производства продуктов питания говорят о необходимости расширить за счет новых средств ассортимент биологических полноценных и энергетически ценных продуктов питания. Один из вариантов – это применение местных природных растений [249]. Растительное сырье служит одним из основных источников биологически активных веществ – пищевых волокон, микро- и макроэлементов, витаминов группы В и природных антиоксидантов: аскорбиновой кислоты, -каротина, токоферолов, биофлавоноидов, которые даже в минимальном количестве оказывают оздоровительное действие на организм человека [246-247].
Важные народно-хозяйственные задачи – это рациональное использование природно-сырьевых ресурсов и производство продуктов питания.
Решение этой задачи напрямую связано с обеспечением населения продуктами, имеющими лечебное и профилактическое назначение. Например, распро-страннные питательные плоды и ягоды могут быть хорошей сырьевой базой для предприятий перерабатывающей промышленности. Но выбор плодового-ягодного сырья невелик, поэтому нужно искать местные районированные культуры [26, 27, 244, 245].
Наблюдается последние годы глобальное ухудшение экологической обстановки, повышение уровня заболеваемости населения и сокращения средней продолжительности жизни. В таких условиях задача оздоровления населения становится одной из самых важных и актуальных для современного общества. Чтобы снизить антропогенное воздействие окружающей среды на человеческий организм, нужно защитить его от этого воздействия или дать необходимое количество экологически чистых пищевых продуктов, способных нейтрализовать вредное воздействие биосферы.
В зимнее время обеспечить полноценное питание населению достаточно сложно. И здесь можно применять сырье, произрастающее близко от мест его переработки, что позволит сократить затраты, связанные с транспортировкой и хранением сырья, а также расширит ассортимент выпускаемых продуктов питания. Поэтому особое внимание в настоящее время уделяется всестороннему изучению и последующему применению в пищевой промышленности местного дикорастущего сырья [56, 81, 152, 155, 221]. Дикорастущие растения - это дополнительный резерв к продуктам питания. Они разнообразят рацион, обогащают его нужными биологически активными ве 21 ществами. Зная растительные богатства, можно обеспечить человека питанием и гарантировать оптимальную психофизиологическую адаптацию в суровых условиях окружающей среды.
Создание новых продуктов высокой физиологической и биологической ценности диктуется современными тенденциями, которые формируют здоровый рацион питания. В связи с этой проблемой является актуальным расширение ассортимента продовольственных товаров, в том числе профилактического и детского питания. Специалисты, разрабатывающие современные технологии и критерии качества пищевых продуктов, вопросы производства здоровой пищи ставят на первое место.
Один из путей решения проблемы расширения сырьевой базы для пищевой промышленности – использование местного растительного сырья в свежем и переработанном виде. Это способствует улучшению качественного состава пищи, обогащает рацион человека недостающими пищевыми и биологически активными веществами, придает продуктам красивый внешний вид, выраженный вкус и аромат [72, 213, 214].
Последние исследования говорят о том, что полное удовлетворение жизненных потребностей человека достигается, если в пище содержится более 6000 групп разных макро- и микронутриентов, которые включают свыше 20 тыс. различных пищевых соединений растительного, животного и микробного происхождения [238].
Большинство взрослого населения потребляет много жиров животного происхождения и простых углеводов, что никак не связано со здоровым питанием. Рацион обеднен овощами, фруктами, рыбой и морепродуктами, а это введет к увеличению массы тела, ожирению (за последние 9 лет цифра возросла с 19 до 23 %, увеличился риск развития сахарного диабета, сердечно-сосудистой недостаточности и др.).
Экспериментальные установки и методики получения полуфабрикатов из фруктово-овощного сырья
Температурный перепад может быть уменьшен, если кристаллизация проводится каскадным способом, а скрытая теплота ледяных кристаллов используется для конденсации хладагента. Каскадный способ позволяет отвести большую часть теплоты кристаллизации при температурах выше температуры плавления конечного концентрированного продукта.
Степень концентрирования пропорциональна температуре замерзания [252]. Так, например, содержание сухих веществ в исходном яблочном соке составляет 11%, а при температуре замерзания - 5,8 С - уже около 40%, причем 81,5% воды можно выделить из сока в виде кристаллов льда.
Максимальная степень концентрирования замораживанием фруктовых и овощных соков - 45 – 48 %. Вязкость ограничивает степень концентрируемого продукта при температуре заморозки.
Общие энергетические затраты на удаление воды замораживанием составляют вдвое выше, чем при тепловом концентрировании [252]. По этой причине концентрирование замораживанием применялось ранее только для обработки особо чувствительных к тепловому воздействию продуктов с тонким ароматом, а для продуктов, отличающихся меньшей чувствительностью, этот способ по сравнению с тепловым способом изготовления концентрированных соков и пюре с точки зрения качества продукции менее предпочтителен [153, 154]. В настоящее время разработаны многоступенчатые установки для концентрирования замораживанием с высокой производительностью, которые почти сравнялись в экономическом плане с другими способами концентрирования [252].
При концентрировании фруктовых и овощных соков замораживанием аро-матобразующие вещества, которые обладают сравнительно низкой температурой замерзания, остаются в основном в концентрированном соке. По этой причине концентрирование замораживанием может также использоваться для получения жидких концентратов ароматобразующих веществ. Результаты этого способа заметно лучше, чем при дистилляции в противоточной колонне [252].
Наряду с такими классическими способами, как тепловое концентрирование, центрифугирование и фильтрование, в последнее время в производстве пищевых продуктов начинают находить все более широкое применение мембранные технологии (ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ, диализ).
Мембранные технологии впервые стали применяться в диализных установках. Принципом или движущей силой диализа является градиент концентраций на мембране, поэтому обмен диффундирующих через полупроницаемую мембрану компонентов раствора происходит медленно. С помощью этого способа можно отделять низкомолекулярные соединения от высокомолекулярных.
Электродиализ - это процесс разделения веществ, при котором заряженные частицы (например, ионы солей) удаляются из раствора с помощью ионообменной мембраны под действием разности потенциалов.
Благодаря чередующемуся расположению мембран ионы аккумулируются в концентрационных отсеках и покидают диализные ячейки. В результате этого раствор при прохождении через электродиализный пакет обессоливается, либо, наоборот, обогащается солями, в то время как незаряженные растворенные вещества остаются нейтральными.
Ультрафильтрация - процесс разделения веществ, при котором высокомолекулярные соединения (например, крахмал, пектины, белки и т. п.) удаляются из раствора и под действием давления концентрируются, проходя через полупроницаемые мембраны с дифференцированными размерами пор, позволяющими раз 56 делять вещества с молекулярной массой от 500 до 1000000. Подобные мембраны кроме воды проницаемы также для ионов и небольших молекул, например, сахаров, кислот, ароматобразующих веществ, полифенолов, аминокислот и т. п. Фракцию жидкого продукта, прошедшую через мембрану, называют пермеатом, а задержанную фракцию - ретентатом.
Коэффициент концентрирования равен отношению исходного объема раствора к объему ретентата. Давление ультрафильтрации составляет от 100 до 1000 кПа.
Обратный осмос представляет собой, как и ультрафильтрация, способ фильтрования под давлением через полупроницаемую мембрану, но мембрана в данном случае не содержит пор, а состоит из асимметричной пористой структуры, разделяющий слой которой образован гомогенным полимером [252, 276]. По причине более плотной мембранной структуры для достижения рентабельной производительности при обратном осмосе необходимо применить рабочее давление от 1000 до10000 кПа.
Мембранные методы концентрирования позволяют проводить достаточно эффективное разделение компонентов раствора с экономическими затратами вдвое меньше чем при тепловом концентрировании. Однако в пищевой промышленности они не нашли широкого распространения из-за сложностей в постоянной очистке мембран, а также невысоком качестве получаемых концентратов.
В настоящее время используемые для концентрирования фруктовых, овощных пюре и соков установки в зависимости от конструктивных особенностей подразделены на следующие группы: - трубчатые установки с естественной или принудительной циркуляцией; - пластинчатые установки; - стационарные цилиндрические установки с подвижным слоем, тонкослойные аппараты; - стационарные установки с конической поверхностью, установки с расширяющимся потоком; - ротационные установки с конической поверхностью, центробежные установки. Трубчатые установки. Эти теплообменники относятся к наиболее часто применяемым для концентрирования фруктовых, овощных пюре и соков. Название трубчатых установок связано с наличием секции труб, расположенных, как правило, в камере нагрева вертикально. Испаряемая жидкость протекает по трубам, а пар, проходящий в межтрубном пространстве, конденсируется на их наружной поверхности, передавая тепло жидкости.
Влияние технологических факторов на продолжительность тепловой обработки сахарной свеклы
Когда режим работы установки стабилизировался, дозатор переключали с распыления воды на распыление высушиваемого продукта. В ходе сушки с помощью термометров 3 идет контроль температуры на входе и выходе сушильной камеры. Через смотровое окно сушильной камеры визуально оценивали качество получаемого продукта. В камеру 11 входит цилиндрическая и коническая часть. Там же установлена пневматическая форсунка, предназначенная для распыления исходного раствора. Продукт подавали с помощью насоса - дозатора 7. Сжатый воздух подавали компрессором 6. Вводили горячий воздух через фильтр 2, электрокалорифер 1 и далее прямотоком сверху сушильной башни 11. Отработанный воздух с продуктом по центру снизу сушильной камеры отводился в циклон - разгрузитель 5 для повышенной очистки воздуха от мельчайших частиц порошка в скруббер (контрольная камера) 9 и далее вытяжным вентилятором 10 выбрасывался в атмосферу.
Перед остановкой работы установки переключали подачу исходной жидкости на подачу воды. Через 1-2 мин выключали насос дозатор, ТЭНы, через 5-6 мин воздушный компрессор, вытяжной вентилятор 10 и общий рубильник.
После охлаждения порошка открывали смотровую башню 11, счищали порошок. Собранный порошок сразу упаковывали в герметичные пакеты.
Концентрирование свекловичного сока проводили в вакуум–аппарате 1 (рисунок 2.9), снабженном электронагревателями 2 (мощность 1,2 кВт). Заполняли вакуум-аппарат свекловичным соком через шаровой вентиль 3. Вакуум–аппарат имеет термометр 4 для контроля температуры увариваемого сока, термометр 5 для измерения температуры экстра пара над соком. На вакуум–аппарате установлен датчик вискозиметра с цифровым индикаторным устройством 7. Мощность нагрева электронагревателей можно регулировать автотрансформатором 8, к цепи которого присоединен вольтметр 9. Пробы отбирали через пробоотборник 10 (при этом проводятся манипуляции с вентилями 11, 12 и 13).
Заданное остаточное давление в вакуум-аппарате поддерживали с помощью контактного манометра 14, от которого через реле 15 подается электрический сигнал на катушку электромагнитного пускателя вакуум–насоса для обеспечения своевременного его включения и выключения.
Пар, который образовался при уваривании, конденсировался в конденсаторе 16, а конденсат собирался в мерный цилиндр 17, развязка вакуумных коммуникаций осуществлялась через трехгорлую колбу 18.
Работает установка (рисунок 2.10) по следующему принципу: воздух с различным влагосодержанием и температурой, ускоряет процесс десорбции и сорбции влаги с порошком и позволяет оперативно оценить изотермы десорбции и сорбции. Воздух из мембранного компрессора 1 подается в адсорбционную ко 92 лонку 3 с адсорбентом для осушивания (силикагель), затем в камеру 4. Из камеры воздух отводится через патрубок с вентилем 5 в мембранный компрессор. Когда установится заданная относительная влажность и температура воздуха адсорбционную колонку с силикагелем отключают вентилями 6, 7. Далее установка переключается на рабочий режим. Сжатый воздух подается через прибор объемного расхода газа 8 в распределительную ячейку 9 с клапанами 10 и стаканчиками 11 с высокопористыми перегородками, чтобы предотвратить унос порошка при его псевдоожижении. В течение всего процесса стаканчики с порошками периодически взвешивают на весах 12 с высокой точностью (до чесвертого знака после за Рисунок 2.10 - Схема экспериментальной установки для изучения гигроскопических свойств порошков
Регулировали относительную влажность воздуха в камере вентилями 6, 7 и 20, сообщающими ее с адсорбционной колонкой и атмосферой.
Рабочая камера - это герметичный бокс из органического стекла с форкаме-рой 13. Форкамера обеспечивает бесперебойность и герметичность процесса при замене исследуемых порошков.
Относительную влажность воздуха контролировали с помощью гигрометра 15, а температуру – термометром 16, 17. Изменение давления в рабочей камере фиксируется чувствительным микроманометром 21 типа ТНМП–100. Одномоментно можно анализировать 8 образцов. Чтобы исследовать температурную зависимость сорбции влаги порошкообразным полуфабрикатом в рабочей камере предусмотрели контактный термометр 16, который подает сигнал на термореле 13, связанное с нагревающим элементом 19.
Принцип экспрессного метода такой: навески порошкообразного полуфабриката (2 – 5 г) предварительно высушивали в эксикаторе с концентрированной серной кислотой или воздухом, который осушали адсорбентом в псевдоожиженном слое до постоянной массы. Затем навески порошков помещали в стаканчики и пропускали воздух с относительной влажностью = 15 – 100 %. При каждой величине и t = 20 – 40C проводили взвешивание стаканчиков через 30 мин до установления постоянной массы порошка при заданной относительной влажности и температуре воздуха. Полученные данные обрабатывали и строили изотермы сорбции влаги.
Исследование процесса концентрирования пюре из фруктового-овощного сырья осуществляли на специально сконструированной выпарной установке непрерывного действия, которая включала в себя перистальтический насос 1, расходную емкость 2, выпарной аппарат со змеевиком 3, приемную емкость 4, паро-отделитель - дозатор 5 и вытяжной вентилятор 6 для отвода вторичного пара (рисунок 2.11).
Основным узлом лабораторной выпарной установки является выпарной аппарат 3, который состоит из водопаровой и паровой камеры.
В паровую камеру 14 смонтирован медный змеевик 15. В водопаровой камере находятся электронагреватели 8, нагревающие находящуюся в камере воду, превращая ее в пар, который при открытом вентиле 12 по трубопроводу поступает в паровую камеру. Паровая камера герметично закрывается крышкой. Контроль за давлением пара в водопаровой камере осуществляется с помощью электроконтактного манометра 6, поддерживающего постоянное рабочее давление пара. Контроль за давлением пара в паровой камере проводится с помощью манометра 5. Уровень воды в водопаровой камере контролируется с помощью водоуказа-тельного стекла 3 и электрического датчика уровня, отключающего ТЭН при снижении уровня воды ниже допустимого. Воронка 4 служит для заправки водо-паровой камеры водой вручную. Водопаровая и паровая камеры закрыты кожухом, который защищает обслуживающий персонал от ожогов и уменьшает тепловые потери. Вентиль 9 служит для спуска конденсата, воздуха и пара из паровой камеры.
Исследование процесса студнеобразования желейного мармелада
Процесс концентрирования свекловичного пюре до массовой доли сухих веществ 40-60 % условно можно разделить на две стадии: получение пюре и концентрирование свекловичного пюре.
Технологический процесс переработки сахарной свеклы предусматривает размягчение их ткани до состояния, готовности получения свекловичного пюре. Основные причины размягчения паренхимной ткани в процессе тепловой обработки перечислены ниже (Приложение Е).
Предварительная механическая обработка свеклы (очистка, промывание, нарезка, и др.) с частичным нарушением целостности их паренхимной ткани, а также клеток и отдельных клеточных структур. В результате основные пищевые вещества из разрушенных клеток переходят в окружающую среду, смешивается содержимое их клеточных органелл с последующим изменением пищевой ценности и протеканием ферментативных, окислительных и других процессов, вызывающих формирование органолептических свойств продукта.
Начальный период тепловой обработки свеклы (40 - 60 С) активизирует ферменты, при (70 - 80 С) клеточные мембраны из-за денатурации белков разрушаются, отдельные элементы клеточного сока и других структурных компонентов клетки получают возможность взаимодействовать друг с другом и окружающей средой.
При температуре 80 С и выше происходит размягчение ткани, полная инактивация ферментов, начинаются отдельные процессы распада веществ. В результате изменяется химический состав и физико-химические, структурно-механические и органолептические свойства продукта.
Деструкция протопектина происходит при температуре выше 60 С и снижение его с 0,49 до 0,21 %. Это происходит благодаря распаду водородных связей и ослаблению гидрофобного взаимодействия между этерифициро-ванными остатками галактуроновой кислоты при наличии определенного количества воды. Разрушаются хелатные связи с участием катионв Мg+2 и Са+2 между неэтерифицированными остатками галактуроновой кислоты в цепях рамногалактуронана в ходе ионообменных реакций и при наличии органических кислот в растворе. Идет гидролиз гликозидных связей в самих цепях рамногалактуронана. Макромолекулы последнего деполимеризуются.
Деструкция гемицеллюлоз с образованием растворимых веществ происходит при температуре выше 80 С с уменьшением содержания их в клеточных стенках на 18 %. При этом уменьшается прочность ткани сахарной свеклы в 10 раз. Тепловая обработка приводит к частичному набуханию гемицеллюлоз клеточных стенок, гидролизу с накапливанием в обработанных продуктах нейтральных сахаров - арабинозы, галактозы и др. Наличие уро-новых кислот в гемицеллюлозах говорит о другом элементе механизма их деструкции при гидротермической обработке сахарной свеклы ионообменном процессе.
Деструкция белка экстенсина при тепловой обработке может достигать более 76,7 %, что значительно выше степени деструкции протопектина и гемицеллюлоз.
Таким образом, при достижении температуры выше 100 С в центре сахарной свеклы и наличие влаги из рецептурных компонентов процесса деструкции компонентов матрикса или добавок крахмальной патоки прочность клеточных стенок понижается, о чем можно судить о готовности свеклы к протирании и получению пюре.
Процесс деструкции клеточных стенок и изменения механической прочности ткани свеклы можно условно разделить на два периода. Первый период характеризуется относительно интенсивным понижением содержания клеточных стенок и механической прочности ткани в 10 раз для свеклы. Второй период характеризуется резким замедлением темпа понижения содержания клеточных стенок и механической прочности ткани свеклы после их размягчения до всего на 4 %. Это объясняется наличием двух форм прото-пектино-гемицеллюлозного комплекса в свекле: лабильной и сравнительно устойчивой к гидротермической обработке. Лабильная форма протопекти-но-гемицеллюлозного комплекса интенсивно разрушается при температурах порядка 95 С и выше, что приводит к размягчению ткани до их готовности. Устойчивая форма протопектино-гемицеллюлозного комплекса совместно с целлюлозой обусловливает целостность ткани свеклы как в готовом состоянии, так и подвергнутых дополнительной тепловой обработке. После завершения процесса разваривания сахарной свеклы ее измельчают в кислой среде (дозируют лимонную кислоту) и получают тонкоизмельченное пюре (диаметр ячеек d = 0,4-0,8 мм) светло-серого цвета. Затем подают его на концентрирование в теплообменник при давлении пара 0,2-0,5 МПа (110-140 С).
Процесс концентрирования пюре длится 2-4 мин при непрерывном его транспортировании в канале змеевика теплообменника.
В процессе концентрировании в пюре протекают сложные физико-химические, коллоидные, механические и другие процессы, которые сопровождаются повышением концентрации сахаров, органических кислот, пектиновых веществ низко- и высокоэтерифицированных в результате гидролиза протопектина, минеральных веществ как 2-х, так и одновалентных, пищевых волокон - целлюлозных волокон, а также снижение массовой доли влаги, повышения вязкости и формирование вкуса, аромата и цвета.