Введение к работе
Актуальность работы
Стратегия развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ на период до 2020 года (решение Правительства РФ №559-р от 17.04.2012 г) предусматривает вхождение России в мировое экономическое пространство, в связи с чем существует вероятность появления на внутреннем рынке импортной продукции в значительных объемах по демпинговым ценам. В настоящее время основное внимание исследователей и производителей направлено на разработку технологий отечественных конкурентоспособных пищевых продуктов, что позволит снизить зависимость от импорта и обеспечить потребности населения Российской Федерации в продовольствии.
В основу создания инновационных технологий пищевых продуктов, согласно требований «Государственной политики в области здорового питания населения на период до 2020 года» (решение Правительства РФ №1873-р от 25.10.2010г.), положена необходимость применения способов обработки растительного сырья, позволяющих модифицировать свойства биополимеров и обеспечивать безопасность готовой продукции. Также в условиях глобального экономического кризиса и снижения эффективности агротехнологий, следует осуществлять модификацию сырья с пониженными свойствами и применять его для производства пищевых продуктов.
Анализ научной и технической литературы, с целью определения приоритетных направлений развития технологий пищевых продуктов, показал перспективность новых подходов к обработке растительного сырья и его использования в пищевых производствах. К наиболее высокоэффективным способам обработки растительного сырья относится термопластическая экструзионная обработка, совмещающая термо-, гидро- и механическое воздействие на компоненты, что позволяет получать пищевые полуфабрикаты и продукты с новыми текстурными свойствами.
Значительный вклад в разработку научных основ термопластической экструзии внесли отечественные ученые: Богатырев А.Н., Жушман А.И., Карпов В.Г., Краус С.В., Лукин Н.Д., Магомедов Г.О., Остриков А.Н., Черных В.Я., Юрьев В.П. и зарубежные ученые: R. B. Fast, E. F. Caldwell, A. H. Schmid, M.E. Camire, K.A. Scudamore, A. Altan и другие.
Однако к настоящему времени технологии применения экструдатов зернового сырья в качестве рецептурного компонента пищевых продуктов, обеспечивающие формирование новой структуры и обогащение изделий биологически активными веществами, изучены недостаточно.
Качественно важным является комплексный подход к использованию экструдатов растительного сырья в технологии пищевых продуктов, предусматривающий регулирование физико-химических свойств экструдируемого сырья, целенаправленное формирование качества готовых экструзионных продуктов и использование экструдатов как рецептурных компонентов пищевых продуктов, в том числе продуктов для диетического профилактического питания.
Расширение знаний и практического опыта по применению экструзионной обработки растительного сырья с целью трансформации свойств биополимеров, позволит существенно расширить возможности применения экструдатов в технологии пищевых продуктов, использовать сырье с пониженными свойствами, разрабатывать продукты для профилактического питания с высокими показателями безопасности, что является актуальным для улучшения здоровья населения и развития пищевой промышленности РФ.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой научно-исследовательской работы кафедры «Технология продуктов питания и товароведения» ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», филиал в г. Пятигорске: «Разработка технологий продуктов питания общего и специального назначения» (№ гос. регистрации 01.20.071625, 2007-2012 гг.). В диссертационную работу включены результаты исследований, выполненные по заданию РАСХН по теме: «Разработать современные инновационные технологии хранения и комплексной переработки сельскохозяйственного сырья и производства экологически безопасных продуктов питания общего и специального назначения» (проблема 10, 2011-2015 гг.).
Цель исследований. Разработать научные и практические аспекты применения экструдатов зернового сырья в технологии профилактических пищевых продуктов.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- исследовать физико-химические свойства крахмала и экструдатов перспективных гибридов кукурузы для дифференцированного их применения в пищевых технологиях;
- разработать метод определения текстуры экструдатов, основанного на разрушении их межпоровых перегородок путем внешнего воздействия индентора;
- обосновать применение экструдатов как структурирующих компонентов в технологии фруктовых чипсов;
- обосновать применение экструдата зерна кукурузы в качестве носителя биологически активных веществ;
- обосновать применение инулинсодержащего сырья в технологии экструзионных продуктов;
- разработать способы повышения качества и биологической ценности макаронных изделий из пшеничной муки с пониженными макаронными свойствами с использованием экструдата зерна кукурузы;
- исследовать влияние экструдатов цельносмолотого зерна пшеницы с пониженными хлебопекарными свойствами на качество хлеба из пшеничной муки и смеси ржаной и пшеничной муки;
- разработать способы снижения содержания акриламида в экструзионных продуктах;
- разработать техническую документацию на новые пищевые продукты и провести внедрение их в производственные условия.
Научная концепция. Развитие технологий пищевых продуктов с целенаправленным формированием свойств путем использования растительного сырья, подвергшегося физико-химической модификации посредством термопластической экструзионной обработки, и применения способов уменьшения содержания антипитательных веществ в готовых экструзионных продуктах.
Научные положения, представляемые к защите:
- научное обоснование дифференцированного применения экструдатов гибридов кукурузы в пищевых технологиях;
- обоснование применения экструдатов зернового сырья в качестве структурирующего компонента в технологии фруктовых чипсов;
- аналитический подход, с применением метрических и неметрических мер сравнения, к определению оптимального количества экструдатов в технологии хлеба;
- научные принципы выбора способов снижения реакционной способности образования акриламида в процессе экструзии, основанные на регулировании свойств экструдируемой массы;
- рекомендации применения нового метода определения текстуры экструдатов, обеспечивающего концептуальное представление о структуре пористости экструдата.
Научная новизна. Установлен дифференцированный подход к использованию экструдатов гибридов зерна кукурузы в пищевых технологиях как структурирующих компонентов и как самостоятельных экструзионных продуктов, обоснованный физико-химическими свойствами крахмала и соотношением амилозы и амилопектина в зерне кукурузы. Обоснованы и подтверждены математическими методами исследований общие принципы применения экструдатов цельносмолотого зерна пшеницы в хлебопекарном производстве, позволяющие вырабатывать хлебобулочные изделия повышенной пищевой ценности.
Выявлена зависимость снижения констант скорости первой стадии кислотного гидролиза крахмала зерна кукурузы от содержания амилопектина в крахмальном матриксе и от процесса замедления деполимеризации амилопектина вследствие повышенной плотности упаковки молекул в аморфных областях гранул крахмала. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии установлено полное плавление кристаллов амилопектина высокоамилозного гибрида кукурузы в процессе экструзии, что обеспечивало однородность микроструктуры при отсутствии упорядоченной ориентации биополимеров. Выявлено in vivo гипогликемическое действие экструдата высокоамилозного гибрида кукурузы, обусловленное усилением в процессе экструзии взаимодействия между линейными цепями амилозы и изменением надмолекулярной структуры крахмала, приводящим к формированию энзимрезистентных свойств крахмала.
Разработаны и оптимизированы с помощью нейросетевого моделирования технологические решения применения экструдатов зернового сырья в производстве фруктовых продуктов, сенсорно адекватных чипсам, направленные на сохранение биологически активных веществ и ингибирование процессов образования пищевых токсикантов в готовых изделиях.
Обосновано применение в технологии сухого порошкообразного экстракта виноградных выжимок экструдатов зернового сырья в качестве адсорбента, активно проявляющего адсорбционные свойства вследствие равномерной пористой структуры экструдата и образования проходных амилозных цепей с дальнейшей кристаллизацией амилозы, что приводит к ослаблению связей с молекулами воды. Указанные процессы позволяют снизить продолжительность сушки экстракта и длительно сохранять профилактические свойства сухого экстракта.
Впервые применена интегральная оценка пористости экструдатов зернового сырья с помощью рентгеноструктурной микротомографии (3D моделирование), позволяющая выполнять модельные разрезы экструдата в трех проекциях для фиксации размеров пор и перегородок, визуализации равномерности распределения добавок.
Теоретически обоснована и экспериментально установлена in vivo зависимость содержания инулина в экструзионных продуктах питания от количества введенного в рецептуру инулинсодержащего сырья в целях придания изделиям профилактических свойств, которые подтверждены достоверными гипогликемическим и антиатеросклеротическим действиями исследуемых экструдатов в метаболических процессах организма.
Разработаны и экспериментально обоснованы технологические решения производства хлебобулочных изделий с применением экструдата цельносмолотого зерна пшеницы с пониженными хлебопекарными свойствами, заключающиеся в определении дозы и фазы внесения экструдата, установления технологических параметров выработки изделий, обеспечивающих улучшение качества, пищевой ценности изделий и снижающих риски развития картофельной болезни хлеба за счет использования экструдата повышенной микробиологической чистоты по сравнению с необработанным хлебопекарным сырьем.
Впервые, методом газо-жидкостной хроматографии с масс-селективным детектированием, установлена зависимость реакционной способности образования акриламида в процессе термопластической экструзионной обработки зерна кукурузы от кислотности (величины рН) экструдируемой массы, создающей условия для протонирования -аминогруппы аспарагина и снижения его нуклеофильности, приводящего к селективному блокированию образования акриламида.
Практическая значимость. В результате решения научной проблемы разработаны новые хлебобулочные, макаронные и экструзионные изделия, фруктовые чипсы и техническая документация для них: изделия хлебобулочные «Злаковые» ТУ 9114-001-36818182-12; изделия хлебобулочные «Фламинго» ТУ 9114-001-63917277-11; изделия макаронные «Эколакт» ТУ 9149-485-05747152-13; палочки кукурузные «Топик» ТУ 9196-002-36818182-12; фруктовые чипсы «Фруктайм»ТУ 9164-001-90926340-13.
Разработаны технологии использования зернового сырья с пониженными свойствами для производства пищевых продуктов, что соответствует принципам ресурсосбережения и эффективности пищевой и перерабатывающей отраслей РФ. Разработаны технологические решения, влияющие на механизм формирования антипитательных факторов, способствующие расширению ассортимента безопасных пищевых продуктов.
Разработан метод определения текстуры экструдатов на приборе Структурометр, позволяющий формировать концептуальное представление о состоянии структуры экструдата с дифференцированной оценкой размера его пор и межпоровых перегородок. Метод позволит повысить эффективность производства экструзионных продуктов за счет снижения объема выработки некачественной продукции.
Разработанные изделия апробированы и внедрены на предприятиях пищевой промышленности: хлебобулочные изделия - ОАО «Кисловодский хлебомакаронный комбинат» (г. Кисловодск), ООО «Биоресурс» (п. Загорский, Ставропольский край); макаронные изделия – ООО «Агромин» г. Минеральные Воды; экструзионные продукты – ООО «Эпрод» г. Москва, ООО «Мыс Доброй Надежды» г. Ставрополь; фруктовые чипсы - ООО «Фудфрукт» г. Минеральные Воды. Внедрение разработанных изделий и технологий на указанных предприятиях обеспечило экономическую эффективность в виде прибыли 1,9 млн. рублей в год.
Приоритет разработанных технологий пищевых продуктов подтвержден патентами РФ: №2323591, №2344605, №2351135, №2363160, №2417626, №2440762, и решением о выдаче патента РФ № 2011119101 от 21.01.2013 г.
Клинические испытания применения хлебобулочных и экструзионных изделий профилактического назначения в рационах питания проведены в лечебно-профилактических учреждениях профсоюзов: санаторий «Эльбрус» г. Железноводск, санаторий «Родник» г. Пятигорск.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в трудах, доложены и обсуждены на всероссийской конференции гастроэнтерологов с международным участием «Актуальные проблемы гастроэнтерологии» (Ростов-на-Дону, 2008), межвузовских научно-практических конференциях «Дни науки» (Пятигорск, 2009, 2010, 2011, 2012), международных научно-практических конференциях «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Пятигорск, 2008, 2009), Х всероссийском конгрессе диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье» (Москва, 2008), I научно-практической конференции с международным участием «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов» (Москва, 2008), международной научно-практической конференции «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века» (Краснодар, 2009), международном научно-образовательном форуме «Формирование отраслевой инновационной среды на основе развития профессиональных сообществ и саморегулируемых организаций АПК, пищевой промышленности и индустрии питания» (Москва, 2009), международной научно-практической конференции КубГАУ (Краснодар, 2009), ХI всероссийском конгрессе диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье» (Москва, 2009), международных научно-практических конференциях «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 2009, 2010, 2012), VII международной научной конференции студентов и аспирантов «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2010), II международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике пищевых производств» (Воронеж, 2010), 3 международном хлебопекарном форуме (Москва, 2010), ХII Всероссийском конгрессе диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье» (Москва, 2010), 5-й конференции молодых ученых и специалистов «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания» (Москва, 2011), II международной научно-практической конференции «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XX1 века» (Краснодар, 2011), ХIII всероссийском конгрессе диетологов и нутрициологов с международным участием «Персонифицированная диетология: настоящее и будущее» (Москва, 2011), V международном хлебопекарном форуме (Москва, 2012), III научно-практической конференции с международным участием «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов» (Москва, 2012), XIV всероссийском конгрессе диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье» (Москва, 2012), 1-st International scientific conference «European Applied Studies: modern approaches in scientific researches» (Stuttgart, 2012).
Разработки экспонировались и награждены золотыми и серебряными медалями на Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010), выставке-конгрессе «Высокие технологии, инновации, инвестиции» (Санкт-Петербург, 2008, 2009), а также региональных выставках Северо-Кавказского федерального округа.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 65 работ, в том числе 16 статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, две монографии, получено 6 патентов РФ на изобретения и решение о выдаче патента РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов исследований и их анализа, выводов, списка литературы и приложений с актами испытаний и внедрения, патентами, дипломами, технической документацией. Работа содержит 282 страницы основного текста, 68 рисунков и 27 таблиц. Список литературы включает 278 наименований, в том числе 135 иностранных источников.
